CN110321272B - 一种高安全高可靠民机飞控计算机性能评测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锁步高安全高可靠民机飞控计算机性能评测方法，采用模拟法对锁步性能指标进行评测。该方法对仲裁延迟、检测覆盖率、故障修复率等锁步性能指标有很好的支持度。在测量结束后，将测试结果放入综合评价体系中，采用权重分配的方式进行计算，最终得到锁步高安全高可靠民机飞控计算机的性能评价分数。

Description

一种高安全高可靠民机飞控计算机性能评测方法

技术领域

本发明涉及计算机性能评测方法领域，具体涉及一种锁步高安全高可靠民机飞控计算机性能评测方法。

背景技术

飞控计算机是飞控系统的核心部件，对于具有高安全高可靠要求的民机飞控系统，其飞控计算机要求能提供高可用性和高完整性，从而提高飞控系统的安全性和任务可靠性。民用飞机的安全性指标要求飞控系统失效导致灾难性故障的概率小于10-9，比军用飞机要高2个数量级，而民机飞控计算机的失效概率要求更为严格，通常要小于10-11～10-12。

如何通过计算机性能评测，来验证锁步飞控计算机是否满足用户提出的指标，同时发现系统中存在的性能瓶颈，达到优化系统的目的，是飞控系统设计优化过程中亟待解决的问题之一。在中国专利：《飞控嵌入式计算机性能评测方法》(公开号CN106648941A)中提出了一种嵌入式飞控计算机的性能评测方法，通过运行测试程序，返回测试结果，并最终给出综合评价。

上述方法的缺点是：仅关注飞控计算机的运算性能指标，对于锁步高安全高可靠民机飞控计算机来说，锁步性能指标显得更加重要；方法采用典型的嵌入式性能评测方法对飞控计算机进行性能评测，对于锁步等无法通过测量法得到的指标，没有很好的支持度。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决现有技术的不足，本发明提出一种锁步高安全高可靠民机飞控计算机性能评测方法，采用模拟法对锁步性能指标进行评测。该方法对仲裁延迟、检测覆盖率、故障修复率等锁步性能指标有很好的支持度。在测量结束后，将测试结果放入综合评价体系中，采用权重分配的方式进行计算，最终得到锁步高安全高可靠民机飞控计算机的性能评价分数。

技术方案

一种民机飞控计算机性能评测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：构建飞控计算机性能评测指标体系，将仲裁延迟、故障回滚延迟、故障自检率、故障修复率和服务性能比作为反映高安全高可靠民机飞控计算机性能的锁步性能指标；

所述的仲裁延迟包括锁步等待时间、冗余校验时间、交叉对比时间和信号选择时间，采用差值法进行测量：

delay＝T_{signal_out}-T_{inst_in}

式中：

delay——仲裁延迟/ns；

T_{signal_out}——控制信号发出时刻/ns，例子中为交叉对比单元输出控制信号时刻；

T_{inst_in}——CPU指令发出时刻/ns，例子中为CPU发出访存指令时刻；

所述的故障回滚延迟包含CPU访存时间、内存响应时间和寄存器覆盖时间，采用差值法进行测量；

delay＝T_CPU+T_RAM+T_REG

式中：

delay——故障回滚延迟/ns；

T_CPU——CPU访存时间/ns；

T_RAM——内存响应时间/ns；

T_REG——寄存器覆盖时间/ns；

所述的故障自检率指标反映了飞控计算机的锁步自监控能力，应通过硬件调试方法人为地注入硬件故障，并检测系统对该故障的判定情况来进行测量；故障自检率的计算公式：

式中：

P_tes——故障自检率；

T_correct——成功检测出的故障/次；

T_incorrect——未被检测出的故障/次；

所述的故障修复率反映了飞控计算机的锁步自修复能力，应在人为地注入故障并被检测成功后，观察该故障是否被正确地修复来进行测量；故障修复率的计算公式：

式中：

P_rep——故障修复率；

R_correct——成功修复的故障/次；

R_incorrect——未被成功修复的故障/次；

所述的服务性能比反映了锁步技术带来的性能上的损失，可以采用锁步和非锁步系统对比的方式进行测量；服务性能比计算公式：

式中：

R_per——服务性能比；

t_{lockstep_sys}——双核锁步系统负载运行时间/ms；

t_{normal_sys}——非锁步系统负载运行时间/ms；

步骤2：按照经验值对评测指标体系中的每一个指标进行权重设置，并满足下式的限制：

式中：

i——指标编号；

n——指标总个数；

w_i——第i个指标的权重；

根据经验值对每一个指标的理论最优值进行设置，并按照下式将每一个指标测试结果化归至[0，1]区间：

式中：

v_i——第i个指标的归一化测试结果；

v_{i_measure}——第i个指标的实际测试结果；

v_{i_max}——第i个指标的理论最优值；

根据下式计算待评价的高安全高可靠民机飞控计算机的性能最终得分：

式中：

score——高安全高可靠民机飞控计算机的性能最终得分；

i——指标编号；

n——指标总个数；

v_i——第i个指标的归一化测试结果；

w_i——第i个指标的权重。

有益效果

本发明提出的一种锁步高安全高可靠民机飞控计算机性能评测方法，该方法建立了锁步飞控计算机性能评测指标体系，在现有计算机性能评测的基础上增加了锁步相关指标，并给出了每一个指标的评测方法，进一步丰富了锁步飞控计算机的性能评测指标体系，是评测更加精准。

具体实施方式

现结合实施例对本发明作进一步描述：

本发明提供一种锁步高安全高可靠民机飞控计算机性能评测方法，包括以下步骤：

步骤1：构建飞控计算机性能评测指标体系，提出能够反映高安全高可靠民机飞控计算机性能的锁步性能指标，指标应包含：仲裁延迟、故障回滚延迟、故障自检率、故障修复率和服务性能比；

步骤2：对于步骤1中的仲裁延迟指标，应包含锁步等待时间、冗余校验时间、交叉对比时间和信号选择时间，并采用差值法进行测量；计算公式如下

delay＝T_{signal_out}-T_{inst_in}

式中：

delay——仲裁延迟/ns；

T_{signal_out}——控制信号发出时刻/ns，例子中为交叉对比单元输出控制信号时刻；

T_{inst_in}——CPU指令发出时刻/ns；

以CPU访存过程为例，当CPU发出访存指令时开始计时，当交叉对比单元输出控制信号时停止计时，两者差值即交叉对比单元的仲裁延迟。并根据故障的发生与否分别测试系统的仲裁延迟，计算公式如下：

delay＝T_{signal_out}-T_{inst_in}

式中：

delay——仲裁延迟/ns；

T_{signal_out}——控制信号发出时刻/ns，例子中为交叉对比单元输出控制信号时刻；

T_{inst_in}——CPU指令发出时刻/ns，例子中为CPU发出访存指令时刻。

步骤3：对于步骤1中的故障回滚延迟指标，应包含CPU访存时间、内存响应时间，寄存器覆盖时间，并采用差值法进行测量；计算公式如下：

delay＝T_CPU+T_RAM+T_REG

式中：

delay——故障回滚延迟/ns；

T_CPU——CPU访存时间/ns；

T_RAM——内存响应时间/ns；

T_REG——寄存器覆盖时间/ns。

步骤4：对于步骤1中的故障自检率指标，反映了飞控计算机的锁步自监控能力，应通过硬件调试方法人为地注入硬件故障，并检测系统对该故障的判定情况来进行测量。

在故障自检率的测试过程中，应人为地向系统中注入故障，并观察被正确检测出的故障数量。在测试过程中，冗余校验、交叉对比等功能的开启与否，故障注入的类型等因素均会影响系统的故障自检率，在测试时应分别进行测试。

同时，为了能够及时确定故障的自检情况，应采用仿真器对该指标进行测试。通过硬件调试方法人为地注入硬件故障，并检测系统对该故障的判定情况。故障自检率的计算公式如下：

式中：

P_tes——故障自检率；

T_correct——成功检测出的故障/次；

T_incorrect——未被检测出的故障/次。

步骤5：对于步骤1中的故障修复率指标，反映了飞控计算机的锁步自修复能力，应在人为地注入故障并被检测成功后，观察该故障是否被正确地修复来进行测量。

在故障发生并被正确地识别后，是否能够被有效地修复，并保证系统继续正确运行，是故障修复率测试所要关注的重点。故障修复率的测试由于涉及硬件过程，应采用仿真器对该指标进行测试。在人为地注入故障并被检测成功后，观察该故障是否被正确地修复。故障修复率的计算公式如下：

式中：

P_rep——故障修复率；

R_correct——成功修复的故障/次；

R_incorrect——未被成功修复的故障/次。

步骤6：对于步骤1中的服务性能比指标，反映了锁步技术带来的性能上的损失，可以采用锁步和非锁步系统对比的方式进行测量。

锁步技术是一种时间换取可靠性的技术，由于故障自检、检测点设置、故障回滚功能的存在，势必会带来性能上的影响。

在锁步系统的服务性能测试中，可以采用对比的方式进行测试，即在单核非锁步系统和双核锁步系统上分别运行某个工作负载，并分别记录完成的时间。服务性能比计算公式如下所示：

式中：

R_per——服务性能比；

t_{lockstep_sys}——双核锁步系统负载运行时间/ms；

t_{normal_sys}——非锁步系统负载运行时间/ms。

服务性能比在正常情况下是一个大于1的值，而且数值越大，说明飞控计算机系统在锁步运行时，表现出的性能越差。在完全忽略锁步过程带来的影响时，服务性能比应该等于极限值1。

同时，测试应分为计算密集型与访存密集型2种，在提供这2种不同的服务时，锁步系统的性能会有不同的表现。根据锁步过程的特点，CPU在与内存进行交互时会发生锁步对比操作。因此，从原理上来说，在提供计算密集型服务时，系统的服务性能比应该小于在在提供访存密集型服务时的服务性能比。即锁步系统在进行访存密集型服务时会产生更多的性能损失。

根据以上的分析，在系统服务性能比测量时，仿真器应分别加载计算密集型和访存密集型测试负载，并与单核非锁步系统进行对比，得出两种状态下的服务性能比。

步骤7：根据经验值分配步骤1中评测指标体系中的各项指标的权重，构造锁步高安全高可靠民机飞控计算机评价体系，并将各项测量结果带入评价体系中，得到飞控计算机最终性能得分。具体如下：

按照经验值对评测指标体系中的每一个指标进行权重设置，并满足下式的限制。

式中：

i——指标编号；

n——指标总个数；

w_i——第i个指标的权重。

同时，应根据经验值对每一个指标的理论最优值进行设置，并按照下式将每一个指标测试结果化归至[0，1]区间。

式中：

v_i——第i个指标的归一化测试结果；

v_{i_measure}——第i个指标的实际测试结果；

v_{i_max}——第i个指标的理论最优值。

最后，根据下式计算待评价的高安全高可靠民机飞控计算机的性能最终得分(满分100)。

式中：

score——高安全高可靠民机飞控计算机的性能最终得分；

i——指标编号；

n——指标总个数；

v_i——第i个指标的归一化测试结果；

w_i——第i个指标的权重。

Claims (1)

1.一种民机飞控计算机性能评测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：构建飞控计算机性能评测指标体系，将仲裁延迟、故障回滚延迟、故障自检率、故障修复率和服务性能比作为反映高安全高可靠民机飞控计算机性能的锁步性能指标；

所述的仲裁延迟包括锁步等待时间、冗余校验时间、交叉对比时间和信号选择时间，采用差值法进行测量：

delay＝T_{signal_out}-T_{inst_in}

式中：

delay——仲裁延迟/ns；

T_{signal_out}——控制信号发出时刻/ns，为交叉对比单元输出控制信号时刻；

T_{inst_in}——CPU指令发出时刻/ns，为CPU发出访存指令时刻；

所述的故障回滚延迟包含CPU访存时间、内存响应时间和寄存器覆盖时间，采用差值法进行测量；

delay＝T_CPU+T_RAM+T_REG

式中：

delay——故障回滚延迟/ns；

T_CPU——CPU访存时间/ns；

T_RAM——内存响应时间/ns；

T_REG——寄存器覆盖时间/ns；

所述的故障自检率指标反映了飞控计算机的锁步自监控能力，应通过硬件调试方法人为地注入硬件故障，并检测系统对该故障的判定情况来进行测量；故障自检率的计算公式：

式中：

P_tes——故障自检率；

T_correct——成功检测出的故障/次；

T_incorrect——未被检测出的故障/次；

所述的故障修复率反映了飞控计算机的锁步自修复能力，应在人为地注入故障并被检测成功后，观察该故障是否被正确地修复来进行测量；故障修复率的计算公式：

式中：

P_rep——故障修复率；

R_correct——成功修复的故障/次；

R_incorrect——未被成功修复的故障/次；

所述的服务性能比反映了锁步技术带来的性能上的损失，可以采用锁步和非锁步系统对比的方式进行测量；服务性能比计算公式：

式中：

R_per——服务性能比；

t_{lockstep_sys}——双核锁步系统负载运行时间/ms；

t_{normal_sys}——非锁步系统负载运行时间/ms；

步骤2：按照经验值对评测指标体系中的每一个指标进行权重设置，并满足下式的限制：

式中：

i——指标编号；

n——指标总个数；

w_i——第i个指标的权重；

根据经验值对每一个指标的理论最优值进行设置，并按照下式将每一个指标测试结果化归至[0，1]区间：

式中：

v_i——第i个指标的归一化测试结果；

v_{i_measure}——第i个指标的实际测试结果；

v_{i_max}——第i个指标的理论最优值；

根据下式计算待评价的高安全高可靠民机飞控计算机的性能最终得分：

式中：

score——高安全高可靠民机飞控计算机的性能最终得分；

i——指标编号；

n——指标总个数；

v_i——第i个指标的归一化测试结果；

w_i——第i个指标的权重。