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1、第五章 冗余技术及其应用冗余技术概述o 目的n 提高信息的可靠性和安全性n 例如：双工、双机技术o 分类n 功能性冗余o 静态功能冗余和动态功能冗余n 结构性冗余o 硬件冗余、软件冗余和时间冗余5.1 功能性冗余o 功能性冗余的内涵和外延n 内容：保证系统在进行信息加工和传输过程中的正确性n 目标：主要应用于信息冗余技术，提高信息的抗干扰能力o 主要功能避免系统内部及系统之间等混乱、错误和失效n 阻止不符合设计要求和规格说明的信息输入n 阻止不符合设计要求和规格说明的信息输出n 阻止不符合设计要求和规格说明的输入输出关系发生5.1 功能性冗余静态功能性冗余o 输入/输出空间冗余n 数字系统的真
2、实输入/输出域是可输入/输出域的子集合n 例如：BCD 译码器o 冗余度的计算n RESI=(|UI|-|DSI|)/|UI|静态输入功能冗余度n RESO=(|UO|-|DSO|)/|UO|静态输出功能冗余度5.1 功能性冗余静态功能性冗余o 输入输出空间关联冗余n RESIO=(|UIO|-|DSIO|)/|UIO|静态输入输出关联功能冗余度n 例如：对5 个独立自然数(十进制个位数)求最小值的鉴别器o 静态输入功能冗余度为0o 静态输出功能冗余度为0o 静态输入输出关联冗余度n 输入输出空间 105*101=106n 输入输出域 105n 冗余度 RESIO=(106-105)/106=
3、90%5.1 功能性冗余动态功能性冗余o 特征n 不仅仅涉及输入向量和输出向量，而且考虑到输入输出向量序列n 例如：一个四位(二进制)的向上计数器o 静态观点看输入、输出空间与输入、输出域相同o 动态观点n 只考虑输出序列长度为3(Qi,Qi+1,Qi+2)n 输出序列(0,1,2),(1,2,3),(14,15,0)n 长度为3 的输出序列的组合有 15*15*15=3375n 冗余度=（3375 15）/3375 四位计数器计数脉冲输入Qi+1=Qi+1 输出5.2 结构性冗余o 结构性性冗余的内涵和外延n 内容：在系统中附加一定的重复部分n 目标：提高可信性o 主要方面n 硬件系统电子元
4、器件、部件，甚至一个完整的硬件系统n 软件系统语句、符号、函数、数据以及子程序的冗余n 执行时间软件或硬件的执行时间5.2 结构性冗余软硬件系统的结构性冗余o 主动冗余动态冗余n 系统中某一部分(或全部)的部件数超过了所需要的数目，删除这些冗余的任何部分，系统将不能正常运行o 被动冗余静态冗余n 系统中某一部分(或全部)的部件数超过了所需要的数目，删除这些冗余部分系统可以继续正常运行o 混杂冗余n 结合了被动冗余和主动冗余的优点n 成本较高，设计复杂5.2 结构性冗余主动冗余o 目标n 检测系统中存在的错误(不试图定位故障)，使系统得以恢复o 实例float total=0.0;for(int
5、 i=0;i memLength;i+)total=total+MEMi;total=total/(float)memLength;for(int i=0;i memLength;i+)total=total+MEMi;5.2 结构性冗余主动冗余o 三个典型的主动冗余例子n 带比较器的双机系统n 备份系统n 留守时标器5.2 结构性冗余主动冗余o 基本的带比较器的双机系统n 组成o 两个相同的系统和一个比较器M1M2输入比较器比较结果输出5.2 结构性冗余主动冗余o 基本的带比较器的双机系统n 不足o 输入错误无法检测o 同步要求十分苛刻o 比较部件的的可靠性是关键5.2 结构性冗余主动冗余o
6、 改进的带比较器的双机系统处理器1存储器1处理器2存储器2软件比较双端存储器输出控制1输出控制2输出5.2 结构性冗余主动冗余o 备份系统替换系统n n个相同的模块，由一个模块担任正常运行任务，并输出结果n 其它n-1 个模块作为备份，或称为替换系统n 一个错误检查器用来检测运行模块的错误o 一旦发现错误，该运行模块停止运行，替换模块之一取代运行o 备份系统分类n 热备份n个模块同时运行，由输出选择器选择一个模块作为输出n 冷备份只有一个模块运行，当发现错误时激活某一备份5.2 结构性冗余主动冗余o 备份系统M1输入错误检测器输出M2错误检测器Mn错误检测器输出选择器取一个输出值5.2 结构性
7、冗余主动冗余o 留守时标器n 每个联机模块内嵌一个时标器n 每隔一段时间将时标器清零o 如果不能在规定时间内清零则说明该模块发生故障o 将发生故障的模块切断通常与备份系统联合使用5.2 结构性冗余被动冗余o 目标n 屏蔽系统中的故障和错误，将他们屏蔽在一个允许的范围内o 两个实例G1G2ABZZ=A*B+B=Bj=i;k=i;mov AX,i;mov j,AX;mov AX,i;mov k,AX;5.2 结构性冗余被动冗余o N模冗余技术并行系统作为理论基础n N 个模块同时平行运行相同任务，将其中一个模块的输出作为系统的输出“N 取1”冗余系统n N 个模块同时平行运行相同任务，将其中M 个
8、模块的输出作为系统的输出“N 取M”冗余系统n 3模冗余系统(TMR)o 三重模块o 多数裁决器(majority voter)M1M2M3V输入 输出5.2 结构性冗余被动冗余o N模冗余技术的关键点n 多数裁决器的可靠性n 三重模块的同步性5.2 结构性冗余被动冗余o N模冗余技术的关键点提高多数裁决器的可靠性M1M2M3V2输入 输出2V1输出1V3输出3三重多数裁决器的TMR 模型5.2 结构性冗余被动冗余o N模冗余技术的关键点同步处理ABCZ一个典型的3模冗余的多数裁决器Z=AB+BC+AC带故障模块指示的TMR系统多数裁决器fa=b c a+b c afb=a c b+a c b
9、fc=a b c+a b c5.2 结构性冗余被动冗余o N模冗余技术的关键点同步处理一个实用的带同步装置的3模冗余多数裁决器ABCZM SM SM SS M5.2 结构性冗余混杂冗余o 混杂冗余n 主动冗余优点+被动冗余优点o 主动冗余以检测故障为主，部分技术可以定位故障，发现故障只能报警和停机，无屏蔽故障的能力o 被动冗余以屏蔽冗余为主，不能检测故障，更不能定位故障n 系统复杂、设计成本高，一般只对可信性要求特别高的应用环境o 典型混杂冗余系统n 带备份的N 模冗余、自清洗冗余、筛选冗余、故障弱化冗余、5取3(5-3)模重构冗余5.2 结构性冗余混杂冗余o 带备份的N模冗余以3模冗余为例n
10、 组成o 一个TMR 系统为核心+K 个相同模块组成的备份系统n 原理o K 个备份模块作为热备份等待o 如果TMR 核心模块运行正常，则类似普通TMRo 如果核心模块中有一个模块发生故障，则通过输出反馈线送入比较检测器中，对发生故障的模块定位，并切断故障模块的输出，接入一个备份模块来替代鼓掌模块的工作o 重复以上工作，直至备份模块使用完毕退化为普通TRM系统误纠现象：两个以上模块同时发生相同错误，则错误的将正确模块切换为备份模块5.2 结构性冗余混杂冗余o 带备份的N模冗余以3模冗余为例逻辑电路M1M2M3S1SkV输出比较检测器三个核心模块备份模块5.2 结构性冗余时间冗余o 技术背景n
11、主动冗余、被动冗余、混杂冗余都是增加一部分软/硬件资源为基础，以提高系统的可信性n 在某些环境下，无法提供或不可能增加冗余的软/硬件资源，却同时希望系统具有一定的检错或容错的功能o 应用环境n 系统对时间因素要求并不高5.2 结构性冗余时间冗余o 基本时间冗余技术核心思想n 系统对同样的任务重复进行运算n 对多次重复运算的结果进行比较，达到检测故障的目的第n次计算第2次计算第1次计算t0t0+tt0+nt时间t存储结果存储结果存储结果比较器 错误信号5.2 结构性冗余时间冗余o 基本的时间冗余技术不足n 无法检测永久性故障主要针对瞬时性的故障o 改进的时间冗余技术第n次计算第1次计算t0t0+
12、t时间t存储结果存储结果比较器停机或错误信号编码 译码5.3 编码技术与应用o 问题的提出n 信息在处理过程中，受到器件质量问题或外界影响等发生间歇性故障甚至是瞬时性故障o 元器件、设备老化或损坏o 信号线的开路、闭路以及固定型故障o 电磁干扰、电器噪声干扰、电源干扰o 闪电、打雷等干扰n 许多错误以“位”或“字”的形式出现o 检/纠错编码n 信息冗余技术中实施最有效、应用最广泛的技术之一5.3 编码技术与应用o 编码的核心原理n 在有效信息中插入一定的冗余信息以提高信息的可靠性DSIA BDSISiSjk 位(a)无编码传输DSIA BDSISiSjk+r=n 位(b)有编码传输编码器译码器5.3 编码技术与应用o 几个基本概念n 码向量空间o 原有的固定长(例如：k 位)的信息字组成的空间n 码向量码字n 非法码字o 不在码向量空间的向量n 汉明距离o 两个向量对应位之间不相同的位数 DH(X,Y)=(xiyi)o 最小汉明距离3位检错编码5.3 编码技术与应用o 几个基本概念n 检错能力o 检测码字中发生错误的能力n 纠错能力o 不仅能检测错误码字中发生错误的能力，而且还能定位错误的位置并纠正n 汉明最小距离与检/纠错能力的关系o d=e+1：可以检测e 位错误