关键词： Python   运维   多线程  

摘要： 随着计算机应用技术的普及和深入,信息系统的运维支撑工作也需要得到升级革新.使用Python语言,结合其第三方丰富的程序库,在网络运维方面,通过Python多线程技术的应用,可以使运维效率得到大幅度的提升.本文通过具体的应用实例,介绍了Python相关技术在网络运维方面的优势.

关键词： 同时多线程   时间信道   攻击防护   微架构   冲突检测   动态分支过滤  

摘要： 同时多线程(Simultaneous Multi-Threading，SMT)技术是现代高性能处理器的标配技术，是提升线程级并行度的重要微架构优化技术之一，SMT技术能够在一个物理核上实现多个逻辑核，提升处理器的整体性能，其应用直接影响了处理器微架构的技术特征，产生了大量线程级共享的结构。　　在性能提升的同时，SMT技术也伴随着大量安全问题的涌现，各类利用SMT技术的时间信道攻击陆续出现，其中最为典型是以共享执行端口为代表的SMT环境下特有的时间信道安全问题，该问题在非SMT环境下不存在，但是在SMT环境下具有非常突出的时间信道安全问题，且目前还没有通过微架构手段的防护和缓解手段被提出。　　本文围绕SMT环境下时间信道安全问题研究中缺少统一的描述模型以及SMT环境下特有的执行端口时间信道安全问题缺少有效的微架构防护方法开展研究，从SMT技术共享资源结构的角度对SMT技术导致的时间信道安全问题进行分析，进而提出一种SMT环境下时间信道安全问题描述模型并提出基于冲突检测和基于动态分支过滤两种SMT环境下执行端口时间信道攻击防护方法。主要研究内容包括:　　(1)结合数据流分析方法提出并设计了一种描述SMT环境下时间信道安全问题的拓扑排序图(Topological Sort Graph，TSG)模型——ETSG-SMT(Extended TSG-SMT);(2)基于ETSG-SMT模型归纳各种SMT共享资源的攻击路径和特征，对已有的SMT时间信道攻击及防护方法进行建模分析、方法分类和总结，并基于ETSG-SMT模型完成SMT环境下执行端口时间信道攻击的防护方法推导;(3)提出并设计了一种基于冲突检测的SMT执行端口时间信道安全防护方法，该方法将SMT技术对不同数据结构的处理方式应用到时间信道安全防护中，基于指令冲突历史动态调整双线程共享的执行端口资源使用策略，在合理利用共享数据结构的同时达到安全防护的目的。该防护方法基于处理器微架构设计并实现，针对需要持续冲突产生时间信道的攻击方式（以PortSmash为代表），可以达到同关闭SMT技术相同的防护效果，防护设计的性能开销相比于关闭SMT技术大大降低，同时硬件开销可控;(4)提出并设计了一种基于动态分支过滤的SMT执行端口时间信道安全防护方法，该方法通过过滤正确预测的分支指令并记录错误预测分支指令历史的方式动态调整执行端口分配策略。该防护方法基于处理器微架构设计并实现，针对组合使用诱导分支预测投机执行及执行端口冲突产生时间信道的攻击方式（以SmoTherSpectre为代表），可以达到同关闭SMT技术相同的防护效果，同时该防护方法也充分保留了SMT技术的性能优势，基于分支预测器的预测准确度未来具备灵活的扩展空间，防护设计硬件开销可控，具有较高的应用价值。

关键词： 低功耗   NB-IoT   云平台   低功耗算法   终端管理  

摘要： 随着第五代移动通信技术的到来,快速发展的物联网技术逐步深入应用于生活中,远程数据监控平台的研究和应用成为物联网领域的热点。然而应用于无人无源场景的数据监控平台面临着数据采集终端功耗大、多设备数据管理不全面的问题,因此设计一种功耗低、便于管理的数据监控平台具有一定的现实意义。本课题通过对关键器件选型降低了硬件功耗、对基于DPM算法设计降低了终端运行功耗以及通过对云平台的开发方便了对终端采集数据的管理,主要研究内容如下:1、对采集终端的现状进行了详细调研,分析了WiFi、ZigBee、NB-IoT、LoRa和蓝牙等几种主流物联网通信技术发展现状及应用领域,得出结论:NB-IoT网络有着功耗低、接入量广、网络覆盖广、速率低的特点,满足本设计的要求。2、分析了采集终端的功耗组成,得出一些可降低功耗的方法。通过对主流微功耗处理器和通信模块性能的分析比较,选择合适的器件,完成了各个模块的原理分析和电路设计,主要包括电源模块、低功耗STM32L431控制器模块、传感器模块、BC95-G通信模块的设计。对该终端进行测试,结果表明减少非必要器件、选用低功耗元器件、降低供电电压和减小静态电流可降低功耗。3、设计并实现了低功耗采集终端软件。主要包括驱动程序设计、数据采集模块设计、控制模块设计、NB-IoT无线通信模块设计、CoAP数据结构的实现以及基于DPM算法的优化设计。结果表明基于DPM算法的优化设计通过控制各个模块的工作状态可以提高设备的使用时长。4、对云平台设备侧进行开发,将本系统分别负责采集温湿度、光强、有害气体浓度以及位置信息的四个终端数据上传到云平台,实现对数据的存储、分析和显示等功能。构建Web应用实现对终端实时监测、远程控制、异常报警、GPS定位、数据存储、分析以及查看等功能。通过对云平台开发使整个系统变得操作和维护简单,能够满足使用要求。本课题对基于NB-IoT的采集终端与云监控平台进行了开发与测试,结果表明,运行效果符合预期,具有一定的实际应用价值。

关键词： 逐次逼近型模数转换器   动态比较器   低功耗设计   电容阵列  

摘要： 模数转换器(Analog-to-DigitalConverter，ADC)作为将模拟信号转换为数字信号的桥梁，一直都是物联网系统的主要依靠和关键技术，逐次逼近型(SuccessiveApproximationRegister，SAR)ADC作为低功耗，中等速度和精度的代表被广泛应用于物联网系统中。　　SARADC主要包括自举开关、电容阵列、电容开关、SAR逻辑模块等模块，为解决传统动态比较器在低共模电压漏电的缺点，本文提出一种新型动态比较器结构。在电源电压为900mV，差模电压为1mV情况下，本文提出的比较器最低共模电压为51mV，与传统StrongARM动念比较器和DoubleTail动态比较器相比，分别降低了374mV和264mV;当输入共模电压低于阈值电压时，在中等的功耗下实现了最低的延时。　　为实现电容失配与功耗的良好折中，进行了数字模拟转换器(Digital-to-AnalogConverter,DAC)电容阵列的对比研究与参数优化，特别研究了传统二进制加权电容阵列、整数倍加权电容阵列、C2C电容阵列、伪C2C电容阵列线性度。最终通过参数优选，在高3位采用传统二进制电容阵列，低9位采用C2C电容阵列的组合，实现电容失陪与功耗的良好折中。进行开关切换逻辑进行理论分析，分别完成采用VCM-based、单调递减两种逻辑的控制电路。其中VCM-based控制单元引入Dummy管以减小时钟馈通，单调递减开关切换单元引入SAR逻辑完成信号READY，以减少不必要的开关切换，降低功耗。　　本文设计了两款SARADC，在第一款12位1MS/sSARADC中，采用VCM-based逻辑、异步时序与两级分段式电容阵列，在180nmCMOS工艺下，实现VDD为1.2V，采样时钟1MHz，仿真结果为ENOB为11.26bit，SFDR为80.5dB，THD为-79.5dB，SNR为70dB，SNDR为***为+0.8/-0.7ISB,INL为+1.0/-0.3LSB，FOM为67.7fJ/cov-step，功耗为166.1μW。在第二款12位500KS/sSARADC中，采用单调递减逻辑开关时序，采用伪C-2C电容阵列以降低电容阵列面积，同步时序以进一步降低功耗，采用0.9V电源电压供电，版图面1为0.157mm2,仿真结果显示，SNDR为70.4dB，SFDR为80.5dB，有效位数为11.33bit，DNL为+0.5/-0.5LSB，INL为+2.9/-1.9LSB，FOM为12.9fJ/cov-step，功耗为16.6μW。相比于传统的VCM-basedSARADC更进一步降低电路整体功耗。

关键词： 电机轴承   故障诊断   边缘计算   信号增强   低功耗  

摘要： 电机设备在现代工业生产中应用广泛,其运行状态的监测与工业生产活动密不可分。电机轴承的连续状态监测是保证电机安全运行、减少故障损失的关键。在复杂工况下,振动信号的微弱特征信息难以提取。且随着电机上安装了大量监测传感器,数据传输和存储问题成为新的挑战。本文以电机轴承为研究对象,提出一种基于边缘计算的电机轴承故障诊断方法。本研究对提取微弱信号特征,降低传感器功耗,减少数据长度,提高有用信号的信噪比等方面进行了研究。本研究设计了一种实验验证流程,选用了工业中常用的无刷直流电机,并在边缘计算平台上实现了本文提出的方法。首先,从安装在电机上的加速度传感器中采集振动信号,利用在线解调算法对轴承信号进行解调。其次,对已解调好的信号使用降采样和信号增强算法,降低所需要分析的数据量,提高有用信号的信噪比。接着使用Opus编码器对预处理好的信号进行压缩,边缘节点将编码数据传输到接收器。最后,接收器将压缩好的数据传输至电脑解码。对解码信号分析其故障特征频率,与理论的故障特征频率相同,可验证本研究的正确性。本文设计对比实验,验证了本研究的效果。本文提出方法具有输出信噪比高、低功耗、与边缘计算兼容等优点。这些优点显示了在有蓄电池的远程电机故障诊断中的潜在应用。综上所诉,本文所提出的方法对电机轴承进行故障诊断效率大大提高,适用于有蓄电池的远程电机故障诊断,在现代工业生产中具有可推广性。

关键词： 嵌入式系统   实时调度   低功耗调度   可靠性   容错技术  

摘要： 几十年来,嵌入式系统一直是航空航天和国防、汽车、医疗设备、通信和工业自动化等行业的主要技术,是制造业数字化网络化智能化的基石。发展实时嵌入式系统软件技术,对我国工业领域实现自主可控具有重要意义。在新兴的工业4.0领域中,嵌入式系统更是占据了主要的战略地位。随着处理器体系结构的成熟,更强大计算能力的微处理器嵌入到系统和设备中,系统正在向信息化,智能化,网络化的方向发展,这使得系统的性能和规模呈指数级增长。尽管电池技术在寿命和体积上一直稳定改进,但发展速度仍然不及快速增长的功率需求,系统较高的能耗将影响系统的稳定性。另一方面,当微处理器工艺技术进入纳米级,更多的半导体元件集成到一个芯片上,处理器的噪声裕度越来越小,使得内部部件更容易受到瞬时错误的影响,导致运行故障。因此,能耗和可靠性成为新一代嵌入式系统设计必须重点考虑的问题。本文以嵌入式系统为研究对象,结合了实时调度理论、动态电压调节技术(DVS)、动态电源管理技术(DPM)和编译器技术对嵌入式系统的能耗优化和可靠性问题展开了研究。在嵌入式实时系统任务调度方面,研究了周期任务模型的低功耗调度算法和混合任务模型下的低功耗与可靠性协同优化调度算法。在嵌入式系统应用程序方面,利用编译器技术研究了一种轻量级的软错误检测方法和一种全面的软错误容错技术。本文研究均通过实验验证了的可行性及有效性。论文主要研究内容包含以下几个方面:第一,针对嵌入式实时系统周期任务模型,提出基于最早截止时限优先(EDF)的低功耗调度算法LPABOWSA。该调度算法使用了DVS和DPM技术,在离线阶段计算回收空闲利用率降低处理器速度,运行阶段根据任务的回收动态空闲时间,并按照就绪队列中任务的WCET比例来分配空闲时间,动态调整处理器速度以降低能耗。实验结果表明所提算法分别比DRA和ASTALPSA算法平均节省了约10.7%和4.6%的能耗。此外,本研究还针对关键速度策略可能会造成能耗增大的问题,提出一种基于平衡点的周期任务低功耗调度算法LPABOBF。该算法根据周期任务集的特点,充分回收了所有静态空闲时间与动态空闲时间。由于结合了DPM技术在适当时候关闭处理器,处理器切换存在开销,因此关键速度不一定是使得系统能耗最小的速度。当处理器速度小于关键速度时,LPABOBF算法根据平衡点来判断使用DVS处理器速度或者关键速度。实验结果表明,LPABOBF比现有的DRA算法节省8.9%～26.19%的能耗,比DSTRA算法节省约2.7%～13.98%的能耗。第二,针对嵌入式实时系统混合任务模型,提出低功耗与可靠性协同优化调度算法RLPMABC。使用DVS技术缩放的电源电压使得处理器更容易受到软错误的攻击,因此在低功耗技术中同时兼顾可靠性是必要的。RLPMABC算法利用常带宽服务器调度将非周期任务参与到周期任务的调度中,并充分考虑了可靠性因素。在降低处理器速度前,提前利用空闲时间为所执行的任务分配好备份任务。在离线阶段,根据空闲利用率提出两种启发式的策略:小利用率优先(SUF)和大利用率优先(LUF),来选择使用DVS技术的任务,并为任务分配备份任务。在运行阶段,充分回收周期任务和常带宽服务器的空闲时间,进一步为其他任务的分配备份任务和降低能耗。实验结果表明RLPMABC算法比NODVS-CBS算法节约能耗20.8%～54.6%,同时平均故障率约为其1.5%～11.8%。第三,针对嵌入式系统软错误检测技术的需求,提出一种轻量级软错误检测技术LEDRMT。嵌入式系统的可靠性往往是设计中最重要的考虑方面。瞬时错误(软错误)的发生可能导致程序产生不确定的运行结果。然而,基于备份任务的调度技术并不能检测出无症状的结果错误(SDC),该类错误会导致错误的运行结果,而不产生任何异常的表现。程序指令级的技术可以在编译器层面灵活地实现,并可以有效检测到SDC。基于编译器实现的冗余多线程(RMT)近年来被认为是一种有效的软错误检测技术。其原理为在两个处理器核心上同时运行复制域(SOR)中的程序代码的副本,在检测点处比较两个线程的相关结果值来检测错误。现有的编译器RMT软错误技术存在着错误覆盖率不足,或运行时间开销过大的问题。其中,时间开销主要来源于主线程与冗余线程之间的同步操作。本研究完全移除了现有技术中主线程对于冗余线程的等待操作,并重新设计了线程间的结果比较机制,增加了内存读指令的线程内复制,和内存写指令的线程内读取检查。软错误注入实验结果表明,相比最严格的RMT软错误检测技术,所提LEDRMT技术在不损失SDC覆盖率的前提下,降低了45.07%的运行时间开销。第四,针对嵌入式系统容错技术的需求,提出一种全面的软错误容错技术FERNANDO。软错误检测技术并不能在运行中对错误进行纠正,给后期的调试工作带来麻烦。完整的软错误容错技术需要包括软

关键词： 气体传感器   低功耗   锡基硫化物   异质界面   掺杂  

摘要： 随着物联网和人工智能的发展,对新一代高灵敏、低功耗以及智能化的气体传感技术提出了迫切的需求。当前普遍使用的金属氧化物气体传感器性能优异但存在工作温度较高等问题。金属硫化物因其禁带宽度较窄,形貌和缺陷易于调控引起了广泛关注,其中环境友好型的锡硫化物SnS和SnS是非常有前景的室温敏感材料。本论文围绕两种锡硫化物,通过水热合成、异质复合与掺杂调控等方法,设计并制备出高灵敏、长期稳定的室温NO气体传感器。采用水热法通过改变合成条件分别制备了SnS量子点、SnS纳米片和SnS量子点/SnS纳米片复合材料。基于自主搭建的动态配气系统对三种材料气敏性能进行测试,结果表明,在室温与50%相对湿度条件下,SnS量子点传感器对20 ppm NO表现出p型响应且响应值为1.8,而SnS和SnS/SnS复合物对1 ppm NO表现出n型响应且响应值分别为5.7和11.6。对比分析认为,SnS/SnS复合材料中p-n结异质界面的存在有助于提升室温气敏效应。以上述制备的SnS/SnS复合材料为研究重点,通过Ce掺杂进一步优化室温气敏性能,研究了Ce掺杂量对复合材料结构与形貌的影响规律及其与气敏性能的构效关系。对不同浓度Ce掺杂的SnS/SnS材料进行多种表征手段分析,结果表明,通过改变Ce掺杂量可以调控复合材料中SnS量子点晶粒尺寸和数量;动态气敏测试结果表明,随着铈掺杂量增加,SnS/SnS复合材料对NO的灵敏度先增大再减小,当掺杂量为1%时表现出最佳性能,对1 ppm NO响应值提升到22.1,响应/恢复时间为30 s/45 s,能检测浓度低至1 ppb的NO气体,并且具有良好的长期稳定性。通过第一性原理计算结合扫描透射电子显微镜、紫外光电子能谱等表征手段研究Ce掺杂对SnS/SnS复合材料气敏性能的调控机理。分析认为,Ce掺杂在SnS量子点表面晶格中形成Sn-S-Ce键对SnS量子点成核与生长具有抑制作用,通过调控Ce掺杂比例可在SnS纳米片气敏材料表面形成尺寸与数量合适的SnS量子点,优化复合材料的固-固异质界面,增进固-气界面电荷转移与载流子传输,并提高空气稳定性。

关键词： Hi3516D   AR0230CS   H.265   Adaptive Voltage Scaling(AVS)   低功耗  

摘要： 本文在分析日益小型化、集成化的航天图像设备功耗紧张的基础上,依托“某图像采集装置的研制”项目,设计了以国产视频处理芯片Hi3516D为核心的接口方案,使设备能应用该接口实现低功耗图像采集传输功能。这些实际测试的数据对于飞行器飞行姿态的设计和校准都具有关键意义,可以直观的、有效的帮助飞行器进一步研发。本文具体分析了低功耗器件选型、CMOS接口电路、电源功耗硬件适配、动态调压硬件电路及数据收发流程;给出了动态调压硬件电路参数计算,图像采集、图像压缩、低功耗模块软件设计流程、UDP数据传输流程及uboot寄存器、内核模块的信息配置;测试了不同AVS支持下的功耗、图像质量、图像压缩比以及实时码率情况。经设计分析及测试验证,本图像采集装置工作在1Mbps码率以内时,整机功耗不超2.5W,且优化后降低功耗8～16%,图像质量PSNR优于36d B,压缩比大于150:1,实时码率控制在900k～1Mbps平稳输出,性能指标满足设计要求,且该设备已成功应用于某飞行器中。相较于其他平台的视频监控设备,本图像采集装置具有较小的体积,在此体积基础上具备较低的功耗、较高的压缩比、较低的码率,同时也能保证图像质量,且各种环境实验证明该装置在恶劣环境下依然可以稳定运行。目前该装置已经完成飞行实验,并且在硬回收存储器中成功回收数据,清晰拍摄了某部位在飞行过程中的变化状态,为飞行器的改进与研制提供了直观、形象、有效的数据来源。

关键词： 舰船   动力系统   低功率电子电路   故障检测  

摘要： 当前,在舰船动力系统运行中使用大量低功耗电子电路替代传统的导线传输电路,起到降低电能损耗的作用。由于低功耗电子电路在使用中会出现隐性故障,所以需要实现对电子电路设备状态的检测,及时采集故障信息,做好故障排除工作。本文分析舰船动力系统低功耗电子电路故障检测需求,并从功能设计、软件设计和硬件设计3个方面入手,提出电路故障检测系统设计方法,以及小波分析在电路故障检测中的应用,通过对比实验研究表明,基于小波分析的电路故障检测能够保证数据获取的精确度。

关键词： 电荷共享   单粒子翻转   单粒子双节点翻转   单粒子三节点翻转   低功耗  

摘要： 随着集成电路(IC)制造技术向深纳米技术时代发展,电路的集成度和性能得到了显著改善。然而,随着电路节点的临界电荷随着电路集成规模的增加而不断降低,尤其对于特殊环境下的关键应用,辐射引起的可靠性问题也变得越来越严重。即使是陆地环境中的辐射粒子也可能导致软错误。软错误包括单粒子翻转、单粒子瞬态、单粒子多节点翻转等。由于近年来先进工艺的特征尺寸急剧减小以及电荷共享效应,单粒子撞击的也可能导致多个节点同时发生翻转。如果这些翻转发生在时序电路中,它们可能会导致数据损坏、执行错误,甚至系统崩溃。这促使我们设计高度可靠的容软错误电路,尤其是在恶劣辐射环境下的航空航天应用中。本文针对纳米工艺下集成电路易遭受高能粒子轰击产生软错误,造成三节点翻转和由于容错而产生高阻态的问题,在分析和总结前人加固方案的基础之上,设计并提出了两种锁存器设计加固方案:(1)基于三模冗余的完全容忍三节点翻转的加固锁存器(HRPDNUL);(2)新型低开销的完全容忍三节点翻转的锁存器(LCOTNUTRL)。HRPDNUL锁存器由3个HRPUL单元,三个反相器和一个钟控反相器构成。每个HRPUL由四个互锁的C单元组成,HRPUL单元能提供良好的单节点翻转自恢复能力,并且利用传统的三模冗余思想,将单节点翻转自恢复单元进行组合优化,使锁存器能够完全容忍三节点翻转。通过HSPICE仿真分析表明,该锁存器以牺牲20.65%的面积开销为代价,延迟降低了 25.97%,功耗降低了 42.41%,功耗延迟积降低了 67.57%。LOCTNUTRL锁存器由两个单节点翻转自恢复单元构成,并在输出端使用四个反相器,利用电流竞争来阻止软错误的传播,就避免了因使用C单元产生的高阻态,使得电路的稳定性加以提升。HSPICE仿真实验表明,LOCTNUTRL能完全容忍三节点翻转,并且延迟降低了 57.74%,功耗降低了 7.7%,面积开销降低了11.74%,功耗延迟积降低了 63.59%,锁存器对工艺、电压和温度变化不敏感,所以该锁存器可以更可靠的适用于航空航天等一些关键应用中。图[38]表[8]参[73]