[发明专利]一种基于粒子群算法的系统软防护组合优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于粒子群算法的系统软防护组合优化方法，涉及针对单粒子效应的DSP、FPGA系统防护组合的优化，可用于指导系统不同模块防护方法的选择，属于系统可靠性领域。

背景技术

航天领域中的电子器件常常受会受到空间高能粒子的冲击而发生电路逻辑状态的改变，这种现象被称为单粒子效应。单粒子效应会对航天器的安全造成极大的威胁，因此人们对此十分关注。为了减轻单粒子效应对系统造成的影响，需要对目标系统的不同部位进行适当的防护，但是，防护后往往会带来额外的资源开销，因此，现有进行系统防护的做法大多为：首先，识别出系统的脆弱点；然后，对系统的脆弱点进行防护。但是该做法存在下述两点不足：1.虽然对系统的关键部位进行了防护，但是缺乏系统整体防护效果和系统整体防护代价的定量分析；2.缺乏针对系统特定部位防护方法的选择优化。

目前，有许多研究者对如何进行系统高效的防护进行了研究。例如，学者Martin Hiller等人在IEEE transactions on computers上发表了文章“EPIC:Profiling the Propagation and Effect of Data Errors in Software”，文中提出的框架EPIC可以用于进行系统脆弱点的识别，从而在防护效果与防护代价之间进行适当的权衡。但是这种方法缺乏从系统角度对防护效果、防护代价的评估，以及对系统不同部位防护方法选择的优化。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于粒子群算法的系统软防护组合优化方法，本发明通过各功能模块防护模型的建立和整体分析，实现了系统级单粒子防护组合最优解的求解。

本发明的技术解决方案是：

一种基于粒子群算法的系统软防护组合优化方法包括步骤如下：

(1)按照系统功能将DSP、FPGA系统划分为N个功能模块；其中，各功能模块通过信号传递互相连接，各功能模块为防护的基本单位，N为正整数；

(2)利用划分出的各功能模块，构造建立系统防护组合优化模型所需数据，所需数据包含如下：

(2a)构造功能模块M的输出信号错误发生概率矩阵P^M：

其中P^M(i,j)＝p_i,j^M表示在模块M输入信号全部正确、采用模块M所有可用防护方法中的第i种防护方法的条件下，模块M内部发生一定数目的单粒子翻转导致模块M第j个输出信号发生错误的概率；N^M表示模块M可用防护方法总数；NO^M表示模块M输出信号总数；(对于DSP，常见的防护方法有基于关键变量的LS-TMR方法、程序执行流程的跳转区间监测方法、程序块三模冗余方法等；对于FPGA，有三模冗余方法、时间滤波冗余等)

(2b)构造功能模块M的输出信号错误传播概率向量Q^M：

其中Q^M(j)＝q_j^M表示在系统各个模块内部均不发生单粒子翻转的条件下，模块M的第j个输出信号影响系统某一路输出信号的概率；

(2c)构造功能模块M的防护代价向量C^M，表示为：

其中C^M(i)＝c_i^M表示对模块M采用其本身所有可用防护方法中的第i种防护方法时，模块M的防护代价；

(3)根据步骤(2)得到的数据建立系统防护组合优化模型；

(4)利用离散多目标粒子群算法对步骤(3)求出的系统防护组合优化模型进行求解，得到满足系统输出信号出错率和系统防护代价最优的防护组合，即求解一组Pareto最优系统防护组合最优解(Pareto最优解是根据Pareto占优准则得到的一组互不占优的解集，并且该最优解集中的每个解都不比求解空间中的其它解差)，使它们对应的f(k)为目标函数的最优取值。

所述步骤(3)中建立系统防护组合优化模型的具体实施方式如下：

(3a)根据各功能模块的输出信号错误发生概率矩阵P^M以及模块输出信号错误传播概率向量Q^M，按下式计算系统某一路输出信号出错率E_sys：