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摘要：随着计算机控制系统的发展，容错计算机系统被广泛应用于通信、银行、工业控制、航空航天等领域，有效的防止了由于计算机失效产生的安全事故，使计算机的可靠性得到明显的提高，深入研究嵌入式计算机控制系统，找出其容易出错的地方及时采取有效的解决措施，有利于提高系统的可靠性，实现对计算机系统的有效控制，保证计算机系统的稳定运行。鉴于此，本文主要分析嵌入式计算机控制系统容错方法。
关键词：嵌入式；计算机控制系统；容错
1、嵌入式计算机容错概念
当出现电源电压不稳等硬件系统故障或堆栈溢出等软件系统错误时，容易造成计算机系统临时中断，从而造成数据丢失和控制系统失控等情况。因此在军事、航空航天、工业控制以及金融、通信等关键领域的重要控制系统中，必须采用计算机容错控制系统，其主要由软件和硬件系统两大部分组成，减少甚至避免由计算机系统失效而引发的重大事故发生。计算机容错系统是结合计算机失效的不同情况进行针对性的故障检测。
2、嵌入式计算机控制系统容错工作模式分析
现阶段，在计算机运行过程中，嵌入式计算机控制系统容错一般分为以下几个阶段，进行系统故障处理。
第一，系统故障检测：由于嵌入式计算机控制系统故障最终结果多为逻辑故障，容错系统可通过“一致性校验”或“奇偶校验”进行具体检测。目前，故障检测主要分为两种类型，在线检测与离线检测。其中，在线检测具有实际检测功能且与计算机控制系统运行具体协调统一性，因此多被应用于卫星控制或军事控制系统中，而在进行离线检测时，系统则不能进行维持在工作状态中。
第二，系统故障限制：嵌入式计算机容错故障限制模式主要是指，当故障发生时，将影响系正常工作的因素或故障的影响性限制在一定范围内，用以避免系统故障对计算机控制系统中的其他区域产生影响。
第三，系统重试：在计算机控制系统运行过程中，瞬间故障作为系统不稳定故障，对系统整体稳定性具有重要影响作用。而通常情况下，多数计算系控制系统统一操作具有二次重启功能，该功能对受非物理性质破坏的计算机控制系统故障具有一定的应用价值。
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第四，系统重组与修复：当计算机容错系统检测并判定计算机控制系统出现永久性故障时，系统容错则侧重于对重组系统元件与失效系统元件的替换与分离。修复则主要是指当计算机控制系统发生故障时，对故障元件进行替换，用以保证系统的正常运行，该操作可实现系统在线或离线转态的同时进行。
第五，系统屏蔽：系统屏蔽主要是指，为避免出现故障区域或节点对系统输出的影响，采用多模表决冗余或逻辑屏蔽的方法将故障效应进行遮盖。在此过程中，当冗余资源被消耗殆尽时，系统设备将产生输出错误。
第六，系统恢复：在进行系统重组、屏蔽等操作后，借助于系统软件程序，实现系统故障转态向系统正常运行状态的恢复。
3、嵌入式计算机控制系统容错方法
3.1、指令冗余
计算机指令的重要组成部分就是操作数和操作码，而操作码可以指明系统CPU完成所有的操作，另外操作数是操作码的操作对象。对操作数和操作码进行有效控制通常使用程序计数器PC来完成，若PC受到某些因素的影响，就会对其他指令的正常运行造成直接影响，造成程序与其正常的运行轨道出现脱离的现象，通常称之为跑飞。为了使跑飞现象的发生次数得到降低，就需要运用单字节指令迅速将跑飞的程序带回到正常的轨道上，并在其关键位置插入NOP指令，这种操作就被称为指令冗余。而在多字节指令、双字节指令之后插入单字节的NOP指令，能够使指令之间的紧密度得到有效的提高，而且多种字节结合之后的指令稳固性较强，不容易被拆散。
3.2、软件陷阱
在嵌入式计算机控制系统容错设计中设置软件陷阱，可以引导相关的指令及时有效的扑捉跑飞的程序，并将跑飞的程序引向复位入口，在软件陷阱引导跑飞程序的过程中，对程序出现的错误可以实现有效的、及时的处理，减少程序错误对其他程序的影响，有效控制系统保障其正常运行。软件陷阱的常用手段有中断服务区、运行程序区、未使用的ROM空间。根据软件的实际规模不相同的特点，在进行系统容错设计时，对ROM空间设计要留有部分空余位置，用以引导指令对非程序用区的位置进行填补，可以迅速的将跑飞的程序引导回来，重新从既定的程序入口地址，保证系统程序可以恢复正常运行。为了达到程序运行的可靠性得到提高的目的，在运行程序区最主要的设计就是控制跑飞程序，通过模块化的设计方式，在指定的模块中执行程序的运行操作。如将陷阱指令组放入用户程序模块空余单元，引导跑飞程序回到正常的运行轨道并恢复正常的运行。
3.3、编写程序
通常情况下，是选用模块化和结构化程序设计来编写控制程序，结构化程序的设计与其他设计方法相比有着其自身独有的特点，例如在所设计的语句之中没有存在死语句，那么就可以让每一条语句都可以得到执行；在程序之中消除死循环，就可以让程序在有限的范围内被执行；在设计程序的时候go??to语句尽可能的少用或者是不使用，并要求所设计的每一个程序都要有对应的出口和入口；结构化程序化的设计的全部过程由循环结构、分子选择结构与顺序结构组成并保证了结构化设计中所用常规程序的功能能够正常完成。模块化的程序设计方法主要通过设计可重组与重复调用的标准软件模块并将这枚模块组合到一起形成具有特定功能的软件控制系统。在结构化程序的设计之中，注重的是设计模块，并且需要充分地考虑到系统的每一个部分和软件结构本身的关系，同时模块化很重视对程序功能的分解和简化过程，结构化程序与模块化程序之间的设计方法互相辅助，有效减少了控制系统出现错误的频率，确保了系统的正常运行。
3.4、设计软件算法
计算机系统在进行容错设计软件算法的过程中，比较常用的算法有逻辑运算和数值运算算法。逻辑运算是计算机控制经常使用的算法，在进行程序判定或逻辑运算的设计的时候，设计必须全覆盖逻辑变量，在逻辑变量较多的情况下，若是采用直观理解的设计方式会出现考虑不周的现象，在设计这种程序时最好借用卡诺图。而数值运算与逻辑运算相比较较为复杂，造成数值运算出现的错误的可能性也相对比较大，同时这种错误很容易延伸到程序的后续处理中，例如阿里亚纳火箭，在设计中由于浮点数据的转换，造成设计的失败。因此在设计中对数值表示方式和数据结构应当慎重选择，数据结构能够对算法的效率造成严重影响，数值表示方式直接影响运算的速度和精度，在设计软件算法时应综合考虑运算的速度和精度。
总之，在计算机控制系统不断创新与发展的背景下，容错计算机控制系统整体性能得到了有效提升，并被应用于电子通信、工业制造、航空航天、公共服务等领域中，为计算机控制系统运行的稳定性、准确性提供了保障。对嵌入式计算机控制系统容错策略的研究，有利于进一步明确并掌握嵌入式计算机控制系统存在的问题，为嵌入式计算机控制系统容错设计提供依据，以便进一步提升计算机控制系统功能的最大化发挥。
参考文献
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[4]杨林芳.无人机容错飞行控制系统研究[D].南京航空航天大学,2007.
论文作者:乐绪鑫,胡汇紫
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/4/28
标签：系统论文; 程序论文; 计算机控制论文; 嵌入式论文; 指令论文; 操作论文; 故障论文; 《电力设备》2017年第35期论文;