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36900字硕士毕业论文基于多核QorIQ架构概念的安全计算机制的设计与实现

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:36900字
论点:计算机,轨道交通,系统
论文概述:

本课题研究的目的是开发一种新型的安全计算机平台,既能有效的提高系统的数据传输和指令运行的速率,又能保证系统对安全性和可靠性的要求,以满足轨道交通信号系统对于性能和安全两方

论文正文:

介绍

1.1本课程研究的背景和意义
随着国内经济的发展和城市化进程,城市人口的不断集中和城市面积的不断扩大,带来了出行总量的增加和出行距离的延长,对城市交通建设的规划和布局提出了越来越高的要求。然而,我国城市交通基础设施的设计和建设普遍滞后,城市交通环境和交通质量不尽如人意。可以说,城市交通拥堵已经成为制约城市发展的主要瓶颈。在传统公交无法满足居民出行需求的情况下,各大城市已经将建设大容量快速轨道交通作为解决城市交通问题的最重要的技术政策。轨道交通是大幅提高运输能力供给能力的一种方式,可以为缓解交通拥堵提供根本保证。与其他交通方式相比,轨道交通在运输能力、运输速度、乘坐舒适性、节能环保、能耗比等方面具有明显优势。根据发达国家过去的经验,大城市解决交通问题的有效途径是发展城市轨道交通。近年来,中国铁路和城市轨道交通的快速发展给轨道交通带来了历史性的机遇和挑战。首先,由于国内轨道交通起步较晚,国内相关技术和设备基本短缺空,引进国外成熟技术和设备势在必行,大大增加了国内轨道交通的建设成本。大多数地方政府都面临着偿还贷款的压力和随之而来的持续管理问题。只有提高票价,成本才能转嫁到乘客和市民身上,而高昂的成本会降低市民的积极性,降低城市交通的数量和收入,从而使城市轨道交通的发展陷入恶性循环。其次,我国人口多、人口少、城市化的特殊情况对轨道交通的发展提出了更高的要求。由于严格的通道门和高科技的要求,进口的国外设备和技术往往被机械地应用和简单地集成在不同的地方,而没有考虑到运输能力和速度不断发展的要求。由于技术的制约,经过几年的轨道交通发展,交通技术无法升级,系统能力无法提高的局面制约了城市发展的进程。此外,随着人们生活水平和质量的提高,除了对出行便利性和出行时间的要求之外,市民越来越关注日常出行的安全性和舒适性。轨道交通的发展对设备的安全性和可靠性提出了更高的要求。在某种程度上,这与运输能力和速度是矛盾的。如何在充分保证系统安全性和可靠性的同时提高运输能力和速度,将成为轨道交通技术发展的研究热点。
目前,国内政府、企业和研究机构已经开始探索引进和自主开发相结合的发展模式。一方面,他们通过购买成熟的国外设备和技术,获得了行业的初步技术积累和进入条件。另一方面,他们对这些设备和技术进行了自主研发和技术创新,逐步获得了关键技术,掌握了更多自主知识产权,然后制造了独立的设备和系统或与外国企业进行了竞争和谈判,为轨道交通的发展创造了有利的发展条件。城市轨道交通信号系统是城市轨道交通最基本的控制系统。它不仅影响轨道交通的运行速度和区间,还影响列车的通过能力和输送能力。同时,信号系统也是安全运行的重要保证。信号系统是衡量城市轨道交通先进程度的一个重要方面。其中,基于通信的列车控制系统(CBTC)是目前全球轨道交通行业公认的最先进的列车运行控制技术。这是当前范围内轨道交通信号的发展趋势。CBTC系统主要由车载子系统CC、区域控制子系统ZC、联锁子系统CI5等组成。为了保证其可靠性和安全性,应用于这些子系统的计算机平台通常是基于多模式冗余容错技术的安全计算机平台。因此,可以说,基于多模式冗余容错技术的安全计算机平台的研究将是轨道交通系统研究的重要内容,如何在相互制约的基础上进一步发展安全计算机平台的性能(通信速率和处理能力)以及安全计算机平台的可靠性和安全性是安全计算机平台研究的重要课题。本研究的目的是开发一种新型的安全计算机平台,既能有效提高系统的数据传输速度和指令运行速度,又能保证系统的安全性和可靠性要求,从而满足轨道交通信号系统在性能和安全性方面的不断发展需求。

2安全计算机平台的性能要求和体系结构设计

2.1安全计算机平台的性能要求
2.1.1安全计算机平台的基本要求
在本设计中,安全计算机平台主要应用于轨道交通的安全控制系统。作为CBTC系统中的核心计算控制设备,它在系统中起着非常重要的作用。其主要功能是采集现场轨旁或车载设备的状态,基于故障安全进行逻辑处理和数值计算,控制现场设备的运行。因此,其安全性和稳定性直接关系到列车的安全运行,在设计阶段必须予以充分考虑。由于轨道交通是一个安全关键的领域,其安全稳定性能主要是通过系统的安全性、可靠性、可用性和可维护性(RAMS)来衡量的,行业经常使用这些指标的计算来表征安全计算机的安全相关性能……即安全计算机必须首先是安全的,并且具有“故障-安全”的特性,即在发生故障时确保系统的输出是安全信号,并且避免输出危险的结果。国际电子委员会标准EC61508规定了安全相关领域使用的电子信息系统的具体要求,[12]。根据本标准,秋道交通领域使用的安全计算机的安全完整性必须达到SIL4,即THR的容忍度失败率小于10-9。安全计算机必须具有相当高的可靠性和可用性,并且能够长时间稳定运行。安全计算机的可靠性通常用无故障连续运行时间MTBF来表示。通常,安全计算机的MTBF指数大于100,000小时,而安全计算机的可用性要求大于99.999%。安全计算机也需要有良好的可维护性,系统中的每个模块都应该能够在发生故障时快速定位,以便维修或更换。一般安全计算机故障模块的恢复时间应小于0.5小时。

3基于P2020的安全计算机平台.........19
3.1主处理器板硬件设计........19
3.1.1主处理器板结构设计........19
3.1.2主处理器板模块设计........21
3.2电源板(电源)硬件设计........34
3.2.1电源板结构设计........34
3.2.2电源板模块设计........35
4基于P2020的安全计算机平台........39
4.1系统软件架构设计........39
4.2安全计算机操作系统层设计........39
4.3安全计算机平台软件层设计........43
5测试和结果........57
5.1测试概述........57
5.2主加工板的测试........58
5.2.1主加工板测试环境的构建........58 [/BR/] 5.2.2主加工板测试和结果........59 [/BR/] 5.3电源板测试........62

结论

城市轨道交通在解决城市拥堵、便利人们出行和加快城市化进程方面发挥着越来越重要的作用。基于通信的列车控制系统CBTC也已成为国内外制造商广泛采用的方法。作为CBTC硬件的核心,安全计算机平台的研发也越来越受到各厂商的重视。本文介绍的基于多核QorlQ架构的新型计算机平台在实现过程中进行了许多创新。本文设计的新型安全计算机简化了基于高性能处理器的系统架构设计,通过双核技术实现了安全计算机平台软件的开发,不仅提高了安全计算机平台的性能,而且充分保证了平台的安全性和可靠性。其中,系统硬件单板设计采用模块设计模式,平台软件设计中详细描述了应用程序和内存软件的具体功能。最后,在该系统上进行的所有测试也达到了预期的效果。

参考
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