CN104573288A - 一种三模冗余计算机数字仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算机仿真技术领域，具体涉及一种三模冗余计算机数字仿真系统。一种三模冗余计算机数字仿真系统，包括以下模块：处理器仿真模块，实现指令集、寄存器、存储空间和流水线的时钟精确仿真；设备仿真模块，完成处理器私有的设备功能仿真或处理期间共享的设备功能仿真；计算机间通信和同步仿真模块，完成三模冗余计算机处理器之间的通信和同步控制功能。发明公开了一种三模冗余计算机数字仿真系统，其具有以下有益效果：(1)以三模冗余计算机构建为例，可扩展为更多计算机冗余架构；(2)实现冗余计算机间不同粒度的同步，保证性能和精度的权衡；(3)支持不同处理器和设备的替换，实现跨平台支持。

Description

一种三模冗余计算机数字仿真系统

技术领域

本发明属于计算机仿真技术领域，具体涉及一种三模冗余计算机数字仿真系统。

背景技术

针对计算机系统的仿真技术已经有较多的研究和成果，但是对于安全关键领域广泛使用的三模冗余计算机，由于其专业性和复杂性，当前研究仍然集中在计算机系统的实现，数字仿真技术国际上也很少有研究。

三模冗余计算机在航空航天等安全关键领域具有广泛应用，能够显著提升系统的可靠性和安全性。如图1所示，一个典型三模冗余计算机硬件平台的抽象示意图，具有以下特点：(1)、三个同构计算机；(2)、任意两个计算机之间能够通过FIFO进行通信；(3)、三个计算机挂载于共享总线上。针对抽象模型特征，在进行数字仿真时，需要进行以下考虑：(1)、处理器配置：处理器数量、类型、频率；(2)、设备配置：每个设备所连接处理器(一个或多个)、在处理器地址空间中的位置、对应处理器触发中断号、对应处理器访问延迟等。

由于三模冗余计算机的专业性和复杂性，通常具有成本高、数量少的特点，而基于该计算机系统的嵌入式软件开发面临诸多困难，例如软件调试缺陷复现困难、三机故障定位复杂、故障处理功能验证难以开展等。

发明内容

发明目的：本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明公开了一种三模冗余计算机数字仿真系统。

技术方案：一种三模冗余计算机数字仿真系统，包括以下模块：

处理器仿真模块，实现指令集、寄存器、存储空间和流水线的时钟精确仿真；

设备仿真模块，完成处理器私有的设备功能仿真或处理期间共享的设备功能仿真；

计算机间通信和同步仿真模块，完成三模冗余计算机处理器之间的通信和同步控制功能。

作为本发明中一种三模冗余计算机数字仿真系统的一种优选方案，处理器仿真模块包含：

指令集仿真模块，实现指令集的逻辑功能仿真；

寄存器仿真模块，实现寄存器的时钟精确仿真；

存储空间仿真模块，实现存储层次的时钟精确仿真；

流水线仿真模块，实现流水线的时钟精确仿真。

作为本发明中一种三模冗余计算机数字仿真系统的一种优选方案，设备仿真模块包含：

处理器私有的设备功能仿真，完成处理器私有的设备的初始化、读取、中断和卸载的仿真；

处理器共享的设备功能仿真，完成处理器共享的设备的初始化、读取、中断和卸载的仿真。

作为本发明中一种三模冗余计算机数字仿真系统的一种优选方案，计算机间通信和同步仿真模块包含：

计时模块，记录计算机的运行时钟周期数；在获得令牌处理模块的启动指令后，运行约定的同步周期，然后停止运行，等待新的令牌到来；

令牌处理模块，获取令牌后启动当前计算机，执行约定的同步周期，运行完毕后向下一个计算机传递令牌。

有益效果：本发明公开了一种三模冗余计算机数字仿真系统，其具有以下有益效果：

(1)以三模冗余计算机构建为例，可扩展为更多计算机冗余架构；

(2)实现冗余计算机间不同粒度的同步，保证性能和精度的权衡；

(3)支持不同处理器和设备的替换，实现跨平台支持。

附图说明

图1为三模冗余计算机硬件平台的构成示意图；

图2为三模冗余计算机数字仿真系统的仿真框架；

图3为三处理器令牌同步机制的示意图。

具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式详细说明。

一种三模冗余计算机数字仿真系统，包括以下模块：

处理器仿真模块，实现指令集、寄存器、存储空间和流水线的时钟精确仿真；

设备仿真模块，完成处理器私有的设备功能仿真或处理期间共享的设备功能仿真；

计算机间通信和同步仿真模块，完成三模冗余计算机处理器之间的通信和同步控制功能。

作为本发明中一种三模冗余计算机数字仿真系统的一种优选方案，处理器仿真模块包含：

指令集仿真模块，实现指令集的逻辑功能仿真；

寄存器仿真模块，实现寄存器的时钟精确仿真；

存储空间仿真模块，实现存储层次的时钟精确仿真；

流水线仿真模块，实现流水线的时钟精确仿真。

作为本发明中一种三模冗余计算机数字仿真系统的一种优选方案，设备仿真模块包含：

处理器私有的设备功能仿真，完成处理器私有的设备的初始化、读取、中断和卸载的仿真；

处理器共享的设备功能仿真，完成处理器共享的设备的初始化、读取、中断和卸载的仿真。

作为本发明中一种三模冗余计算机数字仿真系统的一种优选方案，计算机间通信和同步仿真模块包含：

计时模块，记录计算机的运行时钟周期数；在获得令牌处理模块的启动指令后，运行约定的同步周期，然后停止运行，等待新的令牌到来；

令牌处理模块，获取令牌后启动当前计算机，执行约定的同步周期，运行完毕后向下一个计算机传递令牌。

如图2所示，三模冗余计算机数字仿真系统组成可以抽象为两类，即处理器和外围设备，其中前者为运算器和控制器，后者包括地址空间的所有设备(假设只有内存映射模式)。根据该定义，嵌入式系统抽象为处理器和设备两类，通过两者的关系组合形成复杂系统。

仿真框架主体分为两部分，一是处理器表，包括处理器配置信息、外部访问的接口以及处理器地址空间的映射信息；二是设备表，包括设备配置信息、外部访问设备的函数接口以及所属的处理器号。处理器地址空间的映射包括地址段和设备编号，如处理器1地址空间0x80000000起始的1MB为设备1。处理器和设备之间的相互访问都通过各自信息表提供的函数接口，如处理器可以读写设备，设备可以向处理器触发中断等。

为实现软件模拟的高速运行，多个数字仿真计算机通常采用独立线程，时钟计算相互独立，在多核多线程宿主机上运行时，计算机之间可能产生较大仿真时间偏差，如一个计算机完成1000个时钟周期仿真，而另一个可能只完成500个时钟周期。嵌入式系统通常对多机之间的时序要求非常高，为保证机间的协同执行，避免时钟周期偏差，多个计算机之间应每隔一段时间进行同步，但是同步周期的大小非常关键，过小会降低仿真性能，而过大则可能造成时序语义错误，因此需要根据实际仿真环境进行调优。

针对仿真多机的时钟同步问题，提出基于令牌环的传递机制，如图3所示，通过用户可配置的同步周期设置，计算机在规定仿真时间节点进行同步，只有获得令牌的计算机才能够继续执行，否则必须等待其他处理器令牌的到达。根据令牌的粒度，可以精确控制多个计算机之间的同步节拍，如每个时钟周期都同步，抑或是每1000个时钟周期同步等。

上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种三模冗余计算机数字仿真系统，其特征在于，包括以下模块：

处理器仿真模块，实现指令集、寄存器、存储空间和流水线的时钟精确仿真；

设备仿真模块，完成处理器私有的设备功能仿真或处理期间共享的设备功能仿真；

计算机间通信和同步仿真模块，完成三模冗余计算机处理器之间的通信和同步控制功能。

2.如权利要求1所述的一种三模冗余计算机数字仿真系统，其特征在于，处理器仿真模块包含：

指令集仿真模块，实现指令集的逻辑功能仿真；

寄存器仿真模块，实现寄存器的时钟精确仿真；

存储空间仿真模块，实现存储层次的时钟精确仿真；

流水线仿真模块，实现流水线的时钟精确仿真。

3.如权利要求1所述的一种三模冗余计算机数字仿真系统，其特征在于，设备仿真模块包含：

处理器私有的设备功能仿真，完成处理器私有的设备的初始化、读取、中断和卸载的仿真；

处理器共享的设备功能仿真，完成处理器共享的设备的初始化、读取、中断和卸载的仿真。

4.如权利要求1所述的一种三模冗余计算机数字仿真系统，其特征在于，计算机间通信和同步仿真模块包含：

计时模块，记录计算机的运行时钟周期数；在获得令牌处理模块的启动指令后，运行约定的同步周期，然后停止运行，等待新的令牌到来；

令牌处理模块，获取令牌后启动当前计算机，执行约定的同步周期，运行完毕后向下一个计算机传递令牌。2 -->