摘 要

　　隨著(zhù)我國鐵路運輸技術(shù)的迅速發(fā)展，鐵路運輸安全性也逐步提高，這就對鐵路信號聯(lián)鎖控制系統的可靠性和容錯性提出了更嚴格的要求。并且隨著(zhù)計算機技術(shù)的日臻成熟，鐵路信號聯(lián)鎖控制系統現已進(jìn)入到計算機聯(lián)鎖階段。因此開(kāi)發(fā)出具有高可靠性和容錯性的鐵路信號計算機聯(lián)鎖系統是必要的。并且在計算機聯(lián)鎖系統安全平臺設計中，安全計算機平臺的結構、操作系統的選擇和優(yōu)化配置以及平臺軟件設計是整個(gè)安全計算機系統能否發(fā)揮作用的關(guān)鍵。

　　首先，本文根據安全計算機平臺的可靠性、安全性、可維護性的需求，簡(jiǎn)要介紹了二乘二取二安全計算機邏輯結構，接著(zhù)簡(jiǎn)要說(shuō)明了聯(lián)鎖安全計算機的硬件架構和基本配置信息。然后將整個(gè)聯(lián)鎖系統的軟件架構從上到下分為應用軟件層、平臺軟件層、操作系統層、安全硬件層。其中，平臺軟件層是課題研究的重點(diǎn)。最后著(zhù)重提出了操作系統的選擇方案和平臺軟件的功能需求。

　　其次，本文先簡(jiǎn)要描述了 Linux 系統的體系結構和分析了 Linux 系統的啟動(dòng)過(guò)程，然后針對平臺的硬件配置架構特別是安全計算機的 PC/104 核心板的特點(diǎn)，深入探索和總結出 Linux 嵌入式操作系統移植工作和內核剪裁配置方法，成功進(jìn)行了 Linux 系統到安全計算機平臺移植工作。在此基礎上，完成包括控顯機通信板、雙系通信板、雙系切換通信板和電子單元通信板在內的外設 I/O 通信板驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。

　　再次，根據鐵路信號聯(lián)鎖安全計算機平臺層軟件的功能需求，詳細介紹了一種基于Linux 操作系統的、面向鐵路信號聯(lián)鎖安全計算機平臺軟件設計，完成了軟件模塊的劃分、以及各個(gè)模塊的詳細設計。并設計了一套以時(shí)間同步、軟件任務(wù)級同步、數據同步比較設計等關(guān)鍵技術(shù)為核心的平臺軟件。

　　最后，本文對安全計算機系統內核性能、底層驅動(dòng)、平臺軟件功能和性能分別進(jìn)行了充分的測試和仿真，測試仿真結果表明此軟件設計能夠滿(mǎn)足鐵路信號聯(lián)鎖系統對安全計算機平臺在性能和安全性上的需求。

　　關(guān)鍵詞：計算機聯(lián)鎖系統；安全平臺軟件；Linux 系統移植；數據同步；

Abstract

　　With the rapid development of railway technology in China, railway transport security is also gradually increasing, which make more stringent requirements for the reliability and fault tolerance of railway signal interlocking control system. As the computer technology has matured, railway signal interlocking control system has entered into the computer interlocking stage now. Therefore, developing a railway signaling computer interlocking system with high reliability and fault tolerance is necessary. In computer interlocking system security platform design, the structure of security computer platform, the selection and configuration of operating system and the platform software realization is the key to deciding wether the entire systerm can working well.

　　Firstly, according to the reliability, security, maintainability requirements of security computer platform, this paper describes the double 2-vote-2 security computer platform logic structure, followed by a brief description of the hardware architecture and configuration. Then divided the software structure of the entire interlocking system from top to bottom into the application software layer, the platform software layer, the operating system layer, security hardware layer. Finally highlighted options the operating system and functional requirements of platform software.

　　Secondly, this paper briefly describes the architecture of Linux systems and analyses the boot process of Linux system,Then though analyzing the characteristics of the hardware architecture configuration especially the PC/104 core board in security computer platform, this paper take a depth exploration and summes up kernel configuration methods to successfully porting the embedded Linux operating system to secure computer platform. On this basis, It also completes the driver development of the expansion I/O board including display- control computer communication board, primary-spare communication board, primary-spare switch communication board and electronic unit communication board.

　　Then, based on the software requirements of of railway signal interlocking security computer platform, this paper discribes the platform software design based on Linux- operating system for railway signal computer interlocking system in details, completes the partitioning of software modules, and each module’s detailed design . And designs a platform software with a set of key technologies, such as time synchronization, task-level synchronization, data synchronization and compare.

　　Finally, this paper fully testes and simulates the computer system kernel performance , the underlying driver working, the platform software functionality and performance of security computer systerm, and the results show that the software designed meet the performance and safety requirement of safety computer platform for railway signal interlocking system.

　　Key Words: computer interlocking systerm; security platform software; Linux system porting; data synchronization

　　隨著(zhù)我國鐵路運輸技術(shù)的迅速發(fā)展，鐵路運輸安全性也逐步提高，這就對鐵路信號聯(lián)鎖控制系統的可靠性和容錯性提出了更嚴格的要求。鐵路信號控制系統經(jīng)歷了一百多年的發(fā)展，經(jīng)歷了機械聯(lián)鎖、機電聯(lián)鎖、和電氣集中聯(lián)鎖幾個(gè)發(fā)展階段后，現已進(jìn)入到計算機聯(lián)鎖階段[1]。因此開(kāi)發(fā)出具有高可靠性和容錯性的鐵路信號計算機聯(lián)鎖系統是必要的。并且隨著(zhù)計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機聯(lián)鎖系統的安全性，可靠性，容錯性是鐵路聯(lián)鎖領(lǐng)域最重要的新技術(shù)之一。對于這種直接關(guān)系到行車(chē)安全和乘客的生命財產(chǎn)安全的計算機系統，不僅要設計出高可靠、高安全的計算機硬件架構，也要從軟件的設計方面下手，提高計算機平臺軟件的可靠性、穩定性，以及故障的自我檢測能力，保證系統長(cháng)時(shí)間穩定地運行。因此在鐵路信號聯(lián)鎖控制系統中，穩定可靠的計算機安全平臺便成了整個(gè)系統中的一個(gè)重要組成部分。

　　用于鐵路信號的安全計算機系統是一種安全苛求系統(Safety-critical system)，按照歐洲鐵路EN50129的標準，其安全完整性等級需要達到SIL(Safety Integrity Level)4級，即要求危險側出現概率<10-9/h[2]。為了滿(mǎn)足這一要求，就需要從硬件冗余安全架構設計、到操作系統的選擇和優(yōu)化配置以及底層通信板的驅動(dòng)、再到應用層軟件開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現[3]。

　　對于安全計算機系統的硬件架構來(lái)說(shuō)，硬件冗余和容錯技術(shù)是系統可靠性和安全性的最有效保證，防止單一硬件故障造成的系統失效。另外隔離雙網(wǎng)絡(luò )通信冗余也能保證系統能夠高效的進(jìn)行信號采集和處理以及數據的輸入和輸出；對于安全計算機系統的軟件設計來(lái)說(shuō)，如何優(yōu)化嵌入式操作系統移植和裁剪以及底層設備驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)出以硬件架構為基礎的的安全平臺軟件是軟件設計的核心。平臺軟件將為上層應用程序開(kāi)發(fā)提供服務(wù)和支撐[3]，是保證整個(gè)信號聯(lián)鎖軟件正確高效運行的基礎。

　　本文以鐵路信號計算機聯(lián)鎖系統為應用背景，搭建了二乘二取二鐵路聯(lián)鎖安全控制計算機的硬件架構，操作系統采用 Linux 嵌入式操作系統，并設計并實(shí)現了安全控制計算機平臺軟件。采用軟件任務(wù)級同步、時(shí)間同步、故障檢測等關(guān)鍵技術(shù)，構建了穩定的軟件平臺，為鐵路信號聯(lián)鎖系統的上層業(yè)務(wù)應用程序提供了一種可靠的運行環(huán)境。

　　安全計算機平臺軟件技術(shù)是緊密伴隨著(zhù)安全計算機硬件架構的發(fā)展。從五六十年代開(kāi)始，人們已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注和研究安全計算機系統的容錯技術(shù)。在早期使用的雙系統的“冷備份”[4]，這時(shí)的系統雖然可以做到冗余容錯，但是系統發(fā)生故障時(shí)，雙機切換的時(shí)間較長(cháng)，并不能稱(chēng)為嚴格意義上的安全計算機，此時(shí)的安全計算機平臺軟件也不具備“故障-安全”的功能，七十年代后，人們改進(jìn)了容錯方案，把原來(lái)的“冷備份”改成“熱備份”，此時(shí)，如果某個(gè)系統發(fā)生故障，能夠迅速切換到另外一個(gè)備份系統，并不會(huì )導致整個(gè)系統失效，提高了整個(gè)系統的可靠性。這種雙機熱備方案對軟件設計與實(shí)現提出了更高的要求，此時(shí)的安全計算機平臺軟件主要需要完成兩個(gè)子系統之間的主備切換功能，保證主系出現故障時(shí)，備系能夠在規定的時(shí)間內完成切換和輸出。

　　八十年代初人們又提出了硬件容錯方案，不僅系統可靠性高，而且運算速度快。在采用容錯技術(shù)的高可靠性及高安全性系統中，以二乘二取二、三取二安全冗余結構較為普遍，二乘二取二安全冗余架構以其較高的可靠性以及較低的硬件成本成為眾多安全計算機系統的首選[5]，在安全冗余架構系統中，二乘二取二結構因在安全性和可靠性方面性能突出而在現有鐵路信號設備得到廣泛地應用，此時(shí)的平臺軟件既要具備同一個(gè)二取二系統內部的時(shí)間同步、數據同步和表決等功能，又要通過(guò)對兩系輸出數據進(jìn)行比較得出系統是否發(fā)生故障，并且進(jìn)行自身故障的診斷和對他系系統故障的檢測，具備兩個(gè)二取二系統之間的主備切換功能，提高了整個(gè)系統的可靠性、可用性、可維護性和安全性。

　　鐵路信號計算機聯(lián)鎖安全平臺設計：

測試平臺系統結構

系統啟動(dòng)界面

雙 CPU 同步通信測試

雙系同步通信測試

雙機同步運行畫(huà)面

目 錄

　　摘 要
　　Abstract
　　1 緒論
　　　　1.1 研究背景及意義
　　　　1.2 安全計算機軟件的技術(shù)發(fā)展現狀
　　　　1.3 本文內容及結構安排
　　2 安全計算機系統架構
　　　　2.1 二乘二取二安全計算機邏輯結構
　　　　2.2 聯(lián)鎖安全計算機硬件架構
　　　　2.3 聯(lián)鎖安全計算機軟件架構
　　　　2.4 本章小結
　　3 LINUX 系統移植及底層驅動(dòng)開(kāi)發(fā)
　　　　3.1 嵌入式 Linux 系統研究
　　　　　　3.1.1 Linux 操作系統的組成
　　　　　　3.1.2 Linux 系統啟動(dòng)過(guò)程
　　　　3.2 嵌入式 Linux 操作系統在聯(lián)鎖主機上的實(shí)現
　　　　　　3.2.1 內核的裁剪和編譯
　　　　　　3.2.2 根文件系統的建立
　　　　　　3.2.3 存儲設備的準備.2.4 Bootloader 的移植
　　　　3.3 設備驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)
　　　　　　3.3.1 Linux 設備驅動(dòng)程序概述
　　　　　　3.3.2 CPU 板驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)
　　　　　　3.3.3 I/O 通信板驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)
　　　　3.4 本章小結
　　4 聯(lián)鎖平臺軟件功能模塊設計
　　　　4.1 聯(lián)鎖平臺軟件整體框架
　　　　4.2 模塊詳細設計
　　　　　　4.2.1 初始化模塊
　　　　　　4.2.2 聯(lián)鎖任務(wù)管理模塊
　　　　　　4.2.3 雙 CPU 邏輯控制模塊
　　　　　　4.2.4 雙系邏輯控制模塊
　　　　　　4.2.5 切換板通信模塊
　　　　　　4.2.6 電子單元通信模塊
　　　　　　4.2.7 控顯機通信模塊
　　　　　　4.2.8 故障檢測模塊
　　　　4.3 本章小結
　　5 軟件測試及結果
　　　　5.1 測試平臺
　　　　5.2 測試結果
　　　　　　5.2.1 Linux 系統啟動(dòng)測試
　　　　　　5.2.2 聯(lián)鎖同步和通信測試
　　　　　　5.2.3 聯(lián)鎖系統集成測試
　　　　5. 3 本章小結
　　6 總結與展望
　　　　6.1 本文主要內容
　　　　6.2 研究展望
　　致 謝
　　參 考 文 獻
　　攻讀學(xué)位期間的學(xué)術(shù)成果

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