计算机可靠性和冗余设计设计

要保证所选器件和设备可以构成高可靠性系统,一般要采用下述一些技术:

(1)采用冗余备份技术,使系统在出现故障时,仍可以保持正常工作。 (2)优化系统的故障检测(BITE)技术,用最短的时间将故障定位。 (3)研究快速恢复技术,从而将问题尽快解决。 (4)增加纠错和容错措施,减少故障的出现。

其中,冗余备份技术在网络维护、数据库数据存储及各种重要数据采集和通讯中都得到了广泛的应用,为提高系统工作的可靠性起到了十分重要的作用。

1、常用冗余备份技术冗余备份,其实就是备份的一种形式,主要是为了不使系统在工作中由于某中原因将重要的信息在通信中产生中断,避免造成重大的损失,利用有效的手段切换到备份的部件中。也就是重复配置系统的一些部件,当系统发生故障时,冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作,大大减少故障存在的时间,从而保证系统的正常工作。

常用的冗余备份技术有: (1)单机冗余技术:

此技术以提高计算机自身可靠性为手段,对组成计算机的易损部件进行冗余设计。 (2)双工备份技术:

此技术用2个完全相同的子部件,一个处于联机工作状态,另一个处于等待状态。一旦联机工作的部件出现故障,备份部件便代替其工作。但联机工作出现故障及备份部件的工作需要相应的监测软件进行判断和工作部件切换。 (3)双机热备份技术:

该技术也即是目前通常所说的active/standby工作方式。Active与standby设备具有相同的硬件配置并装有相同的操作系统和工作软件,且二者在正常工作时输入和输出的数据及其软件协议均相同。当active设备出现故障的时候,通过软件检测将standby设备激活,保证系 统在短时间内完全恢复正常使用。此技术结构如图1所示。

(4)网络冗余:

随着计算机网络技术的飞速发展,网络通信已在大大小小不同的系统中承担越来越重要的作用,网络冗余技术也便应运而生。这种技术一般是通过在网络交换机建立冗余环,从而提供计算机数据的备份通道。图2所示的网络冗余接线图,便是其中的一种。图中所示的3台网络交换机在遵循其相同的软件协议下组成冗余环,在segment1、segment2和segment3中任何一个出现接触不良或完全断开的情况下,

均不会影响整个网络中任何一台计算机的通信,设备会在毫秒级的时间内自动恢复。此外,每个网络交换机也可与其他网络交换机进行级联操作。

2、高可靠性双机冗余系统

在分析了上述冗余技术后,在此将主要讨论利用双机 热备份技术和网络冗余技术进行系统的设计。 2.1系统组成及功能

该系统主要由2台显示控制计算机、2台工作主机、1台监测计算机、1台网络交换机组成(可用3台组成冗余环,进行系统扩充)。其中,工作主机为自行开发的计算机插件,既具有常规计算机的所有功能,又可与插件本身布有的大规模可编程集成电路EPLD进行数据交换,大大丰 富了主机的工作模式,并增加了对外的接口形式,为系统更灵活的功能扩充提供了条件。主机的原理框图如图3所示。

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台显示控制计算机和2台工作主机均为冗余备份设计。显示控

制计算机处理并显示主机输出的有关数据及信息,是进行人机交互的窗口。主机完成数据的采集、管理及传输功能。监测计算机用来诊断系统的工作状态,从而进行通信链路的判断选择。网络交换机用于各计算机间的数据交换。系统的组成框图如图4所示。

2.2设计的基本原则

(1)具有智能化的切换方式,系统根据监测计算机判断的工作状态自动选择通信链路,并可用命令切换相辅助;

(2)具有可靠的自检测功能[3],确保各功能的工作状态如实反应,使链路切换后可正常工作;

(3)采用软件化设计技术,广泛采用软件处理方式,替代硬件功能,完成

相应的处理任务,达到提高任务可靠性的目的;

(4)采用计算机网络技术,提高整个系统中各计算机的利用率,并有利于系统的扩充和升级;

(5)采用大规模可编程芯片,提高了系统处理能力和灵活性,降低了功耗,增强了产品的可靠性;

(6)采用 嵌入式计算机技术!和 实时操作系统技术!,提高系统的实时处理能力和软件的稳固性。 2.3工作原理

由系统组成框图可看出各计算机均可通过网络交换信息,且2块显示控制计算机与2块主机为网络节点备份工作方式,这种分布式的工作特点可以使各计算机完全独立的进行工作。对显控计算机而言,二者同时接收来自主机的数据,同时输出所需显示的信息,不需要故障判断和切换,在其中一台出现故障时均不影响另外一台的正常工作,并根据监测计算机回馈的系统工作状态进行相应的人机交互。2台主机作为一个功能单元,也具有相同的输入和输出配置,二者的不同是通过分配给其不同的网络地址来判断。显控计算机的干预命令送给监测计算机,再由其转送给在线工作的主机。监测计算机按其工作软件设置的检测周期对两台主机的运行状况进行诊断,一旦发现链路中断或回馈的信息有误便自动切换到另一台主机进行在线工作,并将诊断结果送给显控计算机进行显示,以便操作人员及时发现问题并进行故障处理。图5为系统工作流程图。

考虑到主机处理数据的实时性、监测计算机对设备状态和控制命

令的实时检测和传送,二者的操作系统选择嵌入式实时QNX操作系统并采用C++编程语言完成相应的功能。显控计算机选择WindowsNT操作系统和VisualC++6.0作为开发工具,WindowsNT是32位商用操作系统,比较稳定、可靠,并支持多进程和多线程开发,可以根据需要划分任务,设置不同的优先级。系统开机后各计算机进入工作程序,默认主机A在线工作,监测计算机将相应的控制命令送给它,但检测命令主机A和主机B可同时收到。