[发明专利]三模冗余容错计算机精确同步的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种冗余容错计算机同步的方法，尤其涉及一种嵌入式三模冗余容错计算机的精确同步的方法。

背景技术

嵌入式计算机作为自动控制系统的核心装置，广泛应用于国民经济的各个领域，其可靠性与安全性一直备受关注。三模冗余容错计算机通过三中取二表决，在单个计算机模块出现故障的情况下，可以输出正确的结果，保证系统在故障状态下的正确性与安全性，是提高嵌入式计算机安全性与可靠性最为有效的手段之一。在航天、航空、铁路、化工等国民经济重要领域有着强烈的应用需求。

同步技术是嵌入式三模冗余容错计算机的核心基础技术之一，在高速运行的控制场合更是如此。它用来消除系统中三个计算机模块之间因时钟、输入延迟等因素造成的异步度，使得系统中三个计算机模块在程序执行状态、周期定时及时间基准上达到相对一致的状态。只有这样系统中三个计算机模块才能采集到相同的输入信号，在计算后同时将输出送给表决器进行表决输出，真正地完成三模冗余容错功能。在一些高速、精确的嵌入式控制场合(比如时速达到300km/h的列车控制)，对系统输出的控制信号的频率、时间精度都有很高的需求。这就要求三模冗余容错计算机系统必须能够达到很高的同步精度。

在三模冗余容错计算机诞生以后，人们就在不断地研究各种同步技术，提出了包括任务同步、中断同步、公共时钟、锁相同步、多级同步在内的多种同步方法。同步精度因具体实现不同而各有差异，多在数十us到数ms之间。

任务同步是以系统中独立运行、具有一定逻辑功能的任务的一次运行作为同步基础，在任务中设置一个或多个关键点。任务运行到达关键点时，通过数据交换通道，在三机之间交换任务进程的状态数据和(或)应用数据。在相同的关键点，正常任务的状态数据及应用数据应当具有较好的一致性，通过对状态与应用数据的比较、表决，可以使三个计算机模块的程序执行状态同步到一定的时间范围内。任务同步的基本原理如图3所示，核心思想是通过三机之间的相互等待，在运行较快的两个机器上的任务中插入一定的等待时间，使他们与最慢的机器实现同步。任务同步的关键点可以是数据表决比较点，也可以是专门设置的同步点。任务同步属于一种松散同步，从用户参与程序上可分为操作系统级、程序库和用户级三种，从硬件支持上可分为共享存储器、并行通信、串行通信等形式，以串行通信为基础的程序库实现方式比较常见。无论那种方式，其同步精度取决于数据交换速度及状态判断时间，一般只能达到μS级，共享存储器还会给系统引入新的单点故障失效模式。

中断同步利用一个公用的外部中断源作为系统同步的触发点。当外部中断到达后，三个计算机模块互相判断对方的中断识别状态，同步进入中断服务程序，在中断服务程序中进行状态与数据交换，使三个计算机模块时间基准实现同步。

这种同步方式通过使三机在同一个指令周期中识别外部中断源，可以使系统的时间基准的同步精度达到一个指令执行周期。虽然也可以在中断服务程序中进行控制信号的输出及输入信号的采集，保证三机输入、输出过程的同步性，但无法使三机的执行状态达到同步，不能适应嵌入式控制系统的应用场合。公共外部中断源也给系统引入了新的单点故障失效模式。

公共时钟同步属于一种紧耦合的硬件同步方式，其核心思想是让系统中所有计算机模块采用同一个公共时钟源，可以保证系统时钟及时间基准同步的精确性，但时钟源模块故障时会导致系统失效，引入了单点故障失效模式。通过冗余时钟的方式可以提高时钟模块的可靠性，但无法完全消除单点故障失效模式。同时这种同步方式也不能保证三个计算机模块执行状态的一致性，必须结合其他同步技术，才能保证三模冗余容错计算机系统的完全同步。这种同步方式目前已很少使用。

锁相同步是利用三个计算机时钟信号进行互反馈，生成一个基准信号，并以此基准信号为依据校正自身的时钟漂移，从而达到时钟同步的目的。该方法不存在单点故障失效模式，同时可以实现各计算机模块时钟的精确同步，但其实现相对复杂，也只能实现时钟自身的同步，不能保证机器执行状态的同步。

综上所述，尽管人们在三模冗余容错计算机的同步技术方面取得了大量的研究成果，但随着嵌入式控制系统应用的不断深入和嵌入式数据处理及控制精度的提高，现有同步技术已不能很好地嵌入式控制高速精确的应用需求，急需研究低成本高可靠的三模冗余容错计算机精确同步技术。

发明内容

本发明旨在研究一种精确同步技术，通过双状态机跟踪与锁定，以使三模冗余容错计算机的状态同步精度和时基同步精度达到30ns以下，并节省宝贵的互连资源，降低实现成本和其他系统资源开销。

本发明是通过采用如下技术方案实现的。