嵌入式應用系統的可靠性設計初探

“安全性因子”是指系統出錯時(shí)產(chǎn)生威脅安全的因素。通用計算機死機后不會(huì )出現重大安全問(wèn)題;自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上機器人出現失控后會(huì )產(chǎn)生破壞因素;宇宙火箭星箭分離控制機構出現故障后會(huì )造成極其嚴重的后果。

我們還可以列出一些可靠性因子。

(2) 可靠性因子的順序量化

將所有可靠性因子，按照對系統可靠性設計要求的程度高低，統一量化成“上、中上、中、中下、下”5級，或“上、中、下”3級的標準級別。把這些量化標準的內容具體化，形成量化等級表，作為企業(yè)的標準，以界定不同應用系統可靠性設計要求的相對難易程度。

(3) 用量化積分確定可靠性等級

制定好可靠性因子的順序量化標準后，確定一個(gè)具體應用系統的可靠性等級時(shí)，只需將應用系統具體運行環(huán)境、運行條件，在可靠性因子的量化等級表中對號入座，將量化值相加后得出系統的可靠性等級。例如，5個(gè)可靠性因子，按5個(gè)等級劃分時(shí)，可靠性等級(要求)最高者為25級，最低者為5級。

3 建立系統可靠性設計模型

3.1 軟件介入下的激勵響應系統

傳統的電子系統是實(shí)時(shí)的激勵響應系統，嵌入式應用系統則是一個(gè)軟件廣泛介入下的激勵響應系統。由于軟件的介入，在激勵響應進(jìn)程中增加了軟件運行時(shí)間，造成了嵌入式應用系統的兩個(gè)新問(wèn)題，即實(shí)時(shí)性與軟件可靠性問(wèn)題。

由于軟件介入，一方面出現軟件可靠性問(wèn)題，另一方面為系統增加了可靠性的控制技術(shù)，即利用軟件技術(shù)來(lái)提高系統的可靠性。

3.2 嵌入式應用系統的可靠性模型

與傳統的電子的激勵響應系統相比，嵌入式應用系統在軟件介入下，增加了一個(gè)在激勵響應中的時(shí)空過(guò)程。激勵端、過(guò)程空間、響應端，構成了嵌入式應用系統的可靠性模型。如圖1所示。

圖1 嵌入式應用系統的可靠性模型

在嵌入式應用系統的可靠性模型中，系統可靠性取決于從激勵端到響應端的唯一性管道原則。即保證在激勵端有唯一的正常激勵輸入，在運行空間有正常激勵下唯一的運行路徑，在響應端有唯一的正常響應輸出。所有破壞唯一性管道原則的因素，都會(huì )造成系統的不可靠運行。系統可靠性設計就是要保證在一切不可靠因素侵害下，都能保證唯一性管道的通暢性與穩定性。

3.3 應用系統的可靠性設計原則

在實(shí)際應用環(huán)境中，應用系統會(huì )被眾多的不可靠因素侵害。在眾多的不可靠因素侵害下，應該遵循哪些原則來(lái)保證系統的可靠性?圖2所示為可靠性設計的一些基本原則。

圖2 嵌入式應用系統的可靠性設計原則

按照唯一性管道原則，保證正常激勵輸入下有唯一的正常響應輸出，在全部路徑上都應有相應的可靠性保障措施。

在激勵端，除了正常激勵外，還會(huì )有許多非正常激勵。在保證唯一的正常激勵輸入時(shí)，必須對非正常激勵采取屏蔽措施，或容錯技術(shù)。

在軟件的運行空間上，要在保證軟件的唯一運行路徑的同時(shí)，盡量減少軟件漏洞，防止程序飛跑。當程序飛跑跡能迅速發(fā)現并使之進(jìn)入安全管道。在與程序運行相關(guān)的物理空間上，不斷進(jìn)行自檢與修補。

在響應端，能及時(shí)判斷異常狀態(tài)下的非正常響應，并即時(shí)剔除。對于無(wú)法避免的非正常響應輸出，應采取安全性包容措施，以免造成不可挽回的損失。

在所有數據流的路徑上，都會(huì )有許多通道干擾，應實(shí)施管道化的屏蔽措施。按照電磁兼容性原則，不僅要屏蔽入侵的電磁干擾，也要防止本機電磁輻射外泄。在某些狀況下，防電磁輻射外泄是出于信息安全的考慮。

建立可靠性模型，有利于制定可靠性設計的技術(shù)標準。在可靠性模型基礎上，總結、歸納出系統可靠性設計的原則、方法、措施，形成企業(yè)的可靠性設計標準。使企業(yè)的可靠性設計科學(xué)化與規范化。

4 嵌入式應用系統的可靠性設計

可靠性設計是應用系統設計的常規內容，應貫徹到項目開(kāi)發(fā)的始終，并突出在項目的前期管理中。嵌入式應用系統的可靠性設計包括本質(zhì)可靠性設計與可靠性控制設計。

本質(zhì)可靠性設計是保證系統可靠性品質(zhì)的先天性設計;可靠性控制設計是軟件介入下提升系統可靠性的后天性設計。

在進(jìn)行可靠性設計時(shí)，必須對系統的可靠性等級、可靠性因子有充分了解，防止陷入盲目性。

4.1 應用系統的本質(zhì)可靠性設計

本質(zhì)可靠性設計是系統可靠性品質(zhì)的先天性設計內容，是系統可靠性設計的基礎。本質(zhì)可靠性設計主要體現在項目的前期論證與總體設計中。例如，應用系統的體系結構、操作系統選擇，廠(chǎng)家平臺、應用平臺、產(chǎn)品平臺的技術(shù)支持，以及可靠性設計規范等。

拒絕“從零開(kāi)始”，是本質(zhì)可靠性設計的基本信條，“成熟度”與“繼承性”是*定應用系統本質(zhì)可靠性設計的兩個(gè)重要指標。

“成熟度”是指在項目開(kāi)發(fā)中，所使用的技術(shù)是否都經(jīng)過(guò)實(shí)踐考驗，證明其安全可靠。“繼承性”是指本項目是否有原型系統或參照系統，通常用原型系統或參照系統在本項目所占比例來(lái)確定“繼承性”的高低。

“繼承性”越高，系統的本質(zhì)可靠性越好。

在項目總體設計中，不妨將“成熟度”與“繼承性”進(jìn)一步量化，規定為總體設計中可靠性設計的一項重要指標。

4.2 應用系統的可靠性控制設計

可靠性控制設計是一種軟件介入的可靠性設計技術(shù)。例如，選擇最少出錯的運行路徑;最小的操作時(shí)空占空比，可使出錯概率最小;信息流的管道控制，防止邊界泄漏與入侵;數據的邊界管理，邊界的設定與出錯判定;重要數據的保護，校驗、糾錯、備份與重建等。

還可以舉出許多在實(shí)際使用中行之有效的可靠性設計技術(shù)，如，噪聲失敏控制、時(shí)空邊界管理、系統容錯、冗余設計、系統自檢與自修復、出錯后的安全性包容等。

結語(yǔ)

① 由于計算機軟件及智能化控制的介入，嵌入式應用系統與傳統電子系統有本質(zhì)區別。因此嵌入式應用系統的可靠性設計應有全新的觀(guān)念、方法和技術(shù)。