安全计算机系统是指在发生故障的情况下,能够实现故障导向安全的系统,即系统的输出在故障状态下导向安全侧,比如关闭信号、输出制动等,从而避免造成重大的生命财产损失。安全计算机广泛应用在航空航天、化工、轨道交通、核电等安全苛求领域,要求计算机系统具有长时间稳定可靠运行的能力和避免发生重大灾害的故障处理能力。目前轨道交通控制用的安全计算机多为引进国外厂商的成熟产品,开发具有完全自主知识产权的安全计算机非常重要而紧迫。本文分析了三种典型安全计算机结构的工作策略、各结构的优缺点,阐述了安全计算机的相关概念和安全设计原理,分别从软硬件上研究了故障检测、同步机制、主备切换、表决与安全输出等安全计算机技术。为进一步提高安全计算机系统安全性和可靠性,本文将传统二乘二取二的工作策略和三取二的工作策略相融合,取长补短,提出了一种二乘二取二新降级工作策略,并阐述了新降级二乘二取二系统的总体架构,设计了新降级策略下同步方式和表决方式的软硬件实现方式。为分析验证新降级二乘二取二系统的安全性和可靠性,分别对传统工作策略和新降级工作策略进行状态划分,研究各工作状态之间的转换原理,分别建立了马尔科夫状态转移模型,并在MATLAB上进行仿真,研究分析了两种策略下的安全性和可靠性。分析结果表明新降级工作策略下的二乘二取二具有更高的可靠性。本文提出的二乘二取二新降级工作策略从软硬件上具备实现条件,为广大开发设计人员提供了很好的设计参考。本文基于ARM微处理器设计并实现了二乘二取二安全计算机结构的计轴系统,给出了其硬件框架和板卡的引脚定义,并从软件功能和通信方式角度阐述了系统的设计。完成了安全计算机的系内系间同步工作、计轴点采集和主备切换等功能的设计及测试。