МЕТОД І ЗАСОБИ БАГАТОЯРУСНОГО АПАРАТНО-СИНХРОНІЗОВАНОГО МАЖОРИТУВАННЯ БОРТОВИХ ЦИФРОВИХ ОБЧИСЛЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ РАКЕТНО-КОСМІЧНОЇ ТЕХНІКИ

Краткое содержание

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ дисертаційної роботи містить: обґрунтування актуальності теми й наукових задач; інформацію про зв'язок роботи з науковими програмами; мету й задачі дослідження; об'єкт, предмет і методи дослідження; характеристику наукової новизни й практичного значення отриманих результатів, а також особистого внеску здобувача; дані щодо реалізації, апробації та публікації результатів.

У першому розділі виконано аналіз проблем розробки й забезпечення надійності БЦОС ракетно-космічної техніки в умовах сучасного ринку електронних компонент. Проаналізовані основні показники елементів тих, що перебувають у вільному продажу та спеціального виготовлення. За результатами аналізу співвідношення максимальної загальної іонізаційної дози до вартості і величини стійкості до поодиноких збоїв для однакових за функціональним призначенням елементів різних класів виконання зроблено висновок, що найкраще співвідношення мають компоненти «Industry» для показника стійкості до збоїв SEL (Single Event Latchup) в межах 40‑80 (MeV•cm²)/mg.

На основі аналізу публікацій стосовно досліджень елементної бази на радіаційну стійкість обґрунтована правомірність і доцільність використання компонент  «Industry», з урахуванням вибору структури бортових комп’ютерів (БК), максимального часу парирування збоїв у БК, призначеннях СУ і товщини природного радіаційного захисту корпусу приладу, для апаратури РН і КА. Для аналізу апаратних рішень відмовостійких структур БК, побудованих на основі однокристальних процесорів і FPGA-елементів, вибрані основні критерії: маса, габарити, вартість; споживана потужність; час виявлення і парирування збою або відмови; метрика забезпечення відмовостійкості, системна продуктивність.

В результаті проведеного аналізу одноканальної, дубльованих, трьох- і багатоканальних БЦОС встановлено, що: 1) найвищий показник надійності забезпечується методом побудови апаратури на основі багатоярусних структур з апаратною реалізацією мажоритарного трьохканального резервування; 2) функціонування БЦОС відбувається в рамках жорсткого регламенту часу, при цьому спостерігається загальна тенденція збільшення, як системної частоти процесорного ядра, так і частоти квантування часу базового такту операційної системи (ОС); 3) парирування відмов повинне забезпечуватися протягом поточного такту ОС; 4) базовими елементами для побудови БЦОС є однокристальні мікро-ЕОМ і мікросхеми з технологією FPGA Core, а також загальна тенденція спрямованості на SoC (System-on-Chip)  реалізацію всього проекту БЦОС. Однак, практичне застосування існуючих методів забезпечення надійності відносно сучасних процесорів обмежене наступними чинниками: 1) час виконання передавальної функції елементів порівняний з часом зміни вхідних сигналів і часом поширення сигналів в міжканальних інтерфейсах; 2) наявність зростаючого міжканального розходження часу, як сприйняття вхідних і виконання вихідних команд, так і часу виконання локального обчислювального процесу, при спробах паралельного функціонування однокристальних процесорів; 3) можливість встановлення мажоритарних органів тільки зовні кристалів процесорів або вбудованих Core- вузлів FPGA .

Відповідно до результатів аналізу сформульовано ряд задач, які пов’язані з дослідженнями:

-     методів і засобів підтримки відмовостійкості систем з урахуванням швидкісних процесів при функціонуванні на межі часу спрацьовування мажоритарних елементів;

-     моделей для аналізу синхронності функціонування вузлів однокристальних мікро-ЕОМ;

-     функціонування мажоритованої БЦОС на однокристальних ЕОМ, інтерфейсної взаємодії блоків системи в штатному і налагоджувальних режимах;

-     методик вибору структурної побудови  БЦОС з необхідними показниками надійності, системної продуктивності та інше.

Другий розділ дисертації присвячено розробці і дослідженню моделі мажоритування з урахуванням розсинхронізації каналів.

Досліджено аналітичні характеристики абсолютних величин ймовірності безвідмовної роботи для базової складової комп'ютера з ідентичними характеристиками надійності вузлів. Оцінено вплив застосування різних схем забезпечення відмовостійкості і кількості точок застосування мажоритарних органів (ярусів мажоритування) між структурними складовими. Проте, практичне застосування існуючої методики апаратного мажоритарного забезпечення відмовостійкості та його оцінки має, як підтверджуючі, так і вимагаючі уточнення методики зауваження:

Зауваження 1. Аналітично підтверджується висловлювання, що застосування декількох ярусів мережевого мажоритування підвищує загальну ймовірність безвідмовної роботи трьохканальної системи за весь період функціонування, з урахуванням теоретичних обмежень на кількість ярусів.

Зауваження 2. Існуючі підходи до застосування мажоритарних елементів розглядають даний вузол, як перехідну функцію, що ідеалізується, без урахування реальних фазочастотних характеристик власне мажоритарного елементу з одного боку, так і можливих співвідношень фаз надходження зовнішніх сигналів на входи мажоритарного елементу, а також його швидкісних характеристик.

Необхідність врахування зауваження 2 обумовлена елементною базою і часовими співвідношеннями, які визначаються високими робочими частотами міжблочного функціонування і внутрішньокристальним розташуванням мажоритарного елементу, де час перемикання елементарного вентиля всередині інтегральної мікросхеми порівнянний з: 1) часом затримки проходження сигналу через вхідний або вихідний буфер кристала; 2) часом затримки поширення сигналу усередині елементу; 3) часом затримки поширення сигналу по лініях зв'язку між елементами; 4) часом зміни логічних рівнів вхідних сигналів.

Чинник часу враховувався при дослідженні ефективності використання процесора в одиничному базовому такті ОС ЖРЧ для структур з програмним SIFT і апаратним HIFT забезпеченням відмовостійкості. Показана ефективність HIFT реалізації (рис. 1), оскільки міжканальний обмін і мажоритування відбувається на тлі прийому і видачі інформації. Дослідження процесу руху інформації по ядру процесорів різних поколінь на основі розроблених моделей їх внутрішньої побудови, а також за результатами експериментів на макетних зразках для трьохканального функціонування дозволили виявити першопричини розсинхронізації каналів паралельного функціонування однокристальних ЕОМ:  1) відмінність частоти джерел задаючих генераторів в межах параметра нестабільності (початкові відхилення від номінального значення і залежність від умов експлуатації); 2) відсутність синхронізму появи сигналів в каналах (відхилення часу перемикання елементів); 3) співвідношення часу поширення сигналів по міжканальних зв'язках і часу спрацьовування елементів;  4) відмінність часу захвату та обробки зовнішніх і внутрішніх сигналів в сусідніх каналах.