谈述二乘二取二安全计算机平台中倒机单元设计与实现-设计

论文导读：
摘要：随着计算机技术的进展,计算机系统在社会中发挥着越来越重要的作用,特别是在安全关键领域,如轨道交通、航空航天、核电站和工业制约等方面获得大量运用。安全计算机作为安全关键系统的重要部分,其安全性和可靠性是至关重要的。计算机的市场化和通用化,促使探讨人员采取商用货架产品(COTS)构建安全计算机平台来替代高昂的专用计算机。本论文浅析了安全计算机平台需求,通过比较各种平台结构,确定了二乘二取二结构作为平台的硬件结构。提出了平台的总体结构设计案例,选取了MPC5643L作为系统处理器,并浅析了该处理器内部结构、功能特点和功能性安全概念。阐述了安全计算机平台的功能设计,包括系内同步与数据比较、系间同步、系统通信、系统故障检测等方面,并分别进行了详细介绍。倒机单元有效提升了安全计算机平台的可靠性,本论文采取两种不同的技术策略对倒机单元进行了设计。基于软硬件结合的倒机方式由硬件电路和软件相互协作,共同完成,具有互锁机制。基于通信的倒机方式完全依赖两系间的通信,为使平台具有较强的独立性、通用性,本设计采取通信接口电路,并且是基于现场可编程门阵列(FPGA)实现的。在软件上,两种倒机方式都制定了相对应的倒机逻辑,包括倒机的基本原则、主备状态的确定、人工倒机和自动倒机等。最后搭建了安全计算机平台,本着先局部后整体的测试原则,设计了测试案例,并编写测试程序,然后完成了系统的测试。本论文介绍的两种倒机方式,已在多种轨道交通信号系统中得到了运用,运用结果表明切实可用,能够满足系统高可靠性的要求,具有良好的借鉴作用。关键词：安全计算机论文二乘二取二论文倒机单元论文可靠性论文FPGA论文
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中文摘要6-7
ABSTRACT7-8
目录8-11
1 绪论11-17

1.1 选题背景和作用11-12

1.2 安全计算机硏究与进展情况12-13

1.3 COTS技术进展情况13-14

1.4 论文的主要成果14-15

1.5 论文的组织结构15-16

1.6 本章小结16-17

2 安全计算机平台总体案例设计17-28

2.1 安全计算机原理17-19

2.

1.1 安全计算机的概念17

2.

1.2 安全可靠性保障技术17-19

2.2 安全计算机平台需求浅析19

2.3 安全计算机平台的结构选择19-22

2.4 平台总体结构设计22-23

2.5 系统处理器选型23-27

2.5.1 MPC5643L内部结构23-24

2.5.2 功能特点24-25

2.5.3 功能性安全概念25-27

2.6 本章小结27-28

3 安全计算机平台功能设计28-51

3.1 系内同步和数据比较设计28-30

3.

1.1 系内同步设计28-29

3.

1.2 系内比较设计29-30

3.2 系间同步设计30-33
3.

2.1 单系的工作状态30-31

3.

2.2 主备状态跟随31-33

3.3 系统通信设计33-36

3.1 通信的安全防护措施33-34

3.2 安全通信协议设计34-36

3.4 系统故障检测36-50

3.4.1 故障浅析和检测策略36-37

3.4.2 故障定义原则37-38

3.4.3 故障检测相关模块38-50

3.5 本章小结50-51

4 基于软硬件结合的倒机方式51-65

4.1 总体结构设计51

4.2 故障-安全接口电路51-52

4.3 倒机电路设计52-57

4.

3.1 倒机电路总体结构设计52-53

4.

3.2 继电器驱动与状态采集电路53-56

4.

3.3 继电器逻辑电路56-57

4.4 动态脉冲的实现57-59

4.5 系间通信设计59-60

4.6 倒机逻辑设计60-61

4.6.1 倒机的基本原则60

4.6.2 主备状态的确定60

4.6.3 双系倒机60-61

4.7 双系热备的软件实现61-64

4.8 本章小结64-65

5 基于通信的倒机方式65-82

5.1 总体结构设计65-66

5.2 通信接口电路设计66-67

5.3 FPGA和MPC5643L接口设计67-68

5.4 FPGA发送端设计68-75

5.5 FPGA接收端设计75-79

5.6 倒机逻辑设计79-81

5.6.1 倒机的基本原则79

5.6.2 主备状态的确定79-80

5.6.3 双系倒机80-81

5.7 本章小结81-82

6 安全计算机平台的测试82-96

6.1 系统的调试82-83

6.2 故障检测相关模块的测试83-86

6.3 基于软硬件结合的倒机方式测试86-90

6.

3.1 倒机电路的测试86-87

6.

3.2 MPC5643L板+倒机电路联调87-89

6.

3.3 串口通信测试89-90

6.4 基于通信的倒机方式测试90-95
6.

4.1 通信接口电路的测试91-93

6.

4.2 MPC5643L+通信接口电路联合测试93-95

6.5 本章小结95-96
7 总结与展望96-99

7.1 总结96-97

7.2 两种倒机方式比较浅析97

7.3 展望97-99

参考文献99-103
作者简历103-107
学位论文数据集107