軍用嵌入式系統的可靠性分析

1 可靠性是軍用嵌入式系統的重要因素

嵌入式系統往往工作環(huán)境惡劣、受電噪聲干擾較大，而且隨著(zhù)軟件越來(lái)越復雜，系統運行不穩定的現象愈來(lái)愈嚴重，因此，可靠性已經(jīng)成為衡量嵌人式系統優(yōu)劣的重要因素；軍用嵌入式系統更應高度重視其可靠性設計、測試和評估技術(shù)，應把可靠性作為嵌入式系統最重要的指標優(yōu)先考慮。這一方面是因為嵌入式系統是軟硬一體的混合系統，軟件和硬件要共用大量的接口。因此要特別注意系統的穩定性、信號串擾、電磁干擾與靜電防護等方面的可靠性設計問(wèn)題。

另一方面，嵌入式系統的開(kāi)發(fā)應用也為可靠性設計提供了有效手段(如軟件抗干擾、仿真測試等可靠性技術(shù))。然而，由于主要的處理器芯片和操作系統的核心技術(shù)掌握于國外廠(chǎng)商手中，我國的嵌入式技術(shù)大都集中在嵌入式應用領(lǐng)域，市場(chǎng)上的嵌入式基礎技術(shù)與開(kāi)發(fā)平臺大部分為國外品牌所控制，所以，我們應充分掌握嵌入式技術(shù)的最新發(fā)展，并積極慎重地加之利用。

2 軍用嵌入式系統的可靠性考慮

2.1 架構的可靠性

目前，我國自行研制的常規兵器及檢測器材中的嵌入式系統以加固型微機和專(zhuān)用計算機組件較為多見(jiàn)。前者是將通用 微型計算機經(jīng)機械加固和電氣加固，并配置各種外圍接口電路，從而構成各種作戰指揮系統或檢測系統；后者則以自行設計多個(gè)插件的形式構成計算機系統?？傊?，采用芯片級或板級嵌入式模塊的還不多，并且較多采用的是MC51系列／X86系列處理器體系結構，這與近些年來(lái)嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展和軍事裝備更復雜的功能需求已不相適應，并在較大程度上制約了武器裝備性能的進(jìn)一步發(fā)揮與系統可靠性的提高。

為此，設計時(shí)首先要選擇合適的高性能嵌入式處理器。這對于提高系統可靠性起著(zhù)至關(guān)重要的作用。國內外的工程實(shí)踐證明，在許多時(shí)候，電子元器件的失效并不是因為電子元器件的固有可靠性不高，而是由于系統設計者的選擇和使用不當造成的。資料顯示，由于使用不當而造成的電子元器件失效約占整個(gè)電子元器件失效的50％左右。因此，設計者應首先對要選用的處理器以及相關(guān)元器件進(jìn)行充分地了解和選擇，并在使用過(guò)程中采取適當的措施，打好系統可靠性的基礎。例如不同類(lèi)型處理器的抗干擾能力和接口驅動(dòng)能力是不一樣的，因此在選用時(shí)應避免選擇能力弱的型號。就發(fā)展趨勢而言，今天的廠(chǎng)家為我們提供的片上系統SOC(System On Chip))是較好的解決方案，可以在一塊芯片上集成多核(例如ARM+DSP、甚至更多個(gè)CPU)、集成更大容量的RAM和閃存、集成CRT／LCD接口、數據I／O接口、A／D、D／A、定時(shí)器、通信接口、存儲器管理單元及允許用戶(hù)編程的功能區域等一系列的功能部件，從而形成功能更加強大的嵌入式處理器。由于集成度高、構成系統所用的分立元器件少，因而必然增加系統的可靠性。同時(shí)，我們也應認識到，轉用32位架構不僅能提升性能，還能降低制造成本和系統功耗，縮短研制時(shí)間，并可提供不斷擴展和更新的方案，從而使裝備具有持續升級的能力，延長(cháng)裝備的壽命周期。

所眾周知，20世紀90年代后，商用計算機在技術(shù)上已超過(guò)了軍用計算機。為了引進(jìn)更先進(jìn)的計算機技術(shù)，縮短研制周期，降低訂購價(jià)格，軍用嵌入式系統應由過(guò)去“一切自行設計”逐步采用商用成熟技術(shù)和開(kāi)放系統結構標準。比如引入實(shí)時(shí)操作系統RTOS(Real-Time Operaing Sys-tem)可有效解決嵌入式軟件開(kāi)發(fā)標準化的難題，促進(jìn)軍用嵌入式軟件的可互操作性、可重復利用性和可移植性。

2.2 網(wǎng)絡(luò )可靠性

隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )中心戰概念的提出，武器裝備發(fā)展的中心將有所轉移，更加依賴(lài)戰場(chǎng)感知能力、指揮控制能力和多種武器平臺之間的互通能力。眼下新武器系統的開(kāi)發(fā)已很重視以衛星、無(wú)線(xiàn)電臺、光纖等通信網(wǎng)絡(luò )為中心來(lái)規劃武器平臺的任務(wù)與作戰需求。而設計武器系統和平臺配置、制訂武器系統的戰技指標、積極為傳統武器平臺裝備先進(jìn)的傳感器與通信設備并加以改造，這些都對當前網(wǎng)絡(luò )化軍用嵌入式系統的體系結構與軟硬件平臺提出了較高的要求。

將嵌入式系統與網(wǎng)絡(luò )設備結合起來(lái)的一個(gè)主要技術(shù)障礙在于網(wǎng)絡(luò )上面的各種通信協(xié)議對于計算機存儲器、運算速度等的要求比較高，而目前軍用嵌入式系統中除部分32位處理器以外，大量的也就是8位和16位MCU，這些MCM支持TCP／IP等標準網(wǎng)絡(luò )協(xié)議將占用大量的系統資源，由此將嚴重制約著(zhù)指揮作戰效能和網(wǎng)絡(luò )的可靠性。

其實(shí)影響網(wǎng)絡(luò )兼容性、實(shí)時(shí)性和可靠性的因素很多(如硬件資源的存儲和計算能力、RTOS的實(shí)時(shí)性、TCP／lP的運行效率等)，故在構建基于嵌入式系統的控制和通信網(wǎng)絡(luò )時(shí)應特別注意。

2.3 數據的可靠性

軍用嵌入式系統在復雜多變的環(huán)境中應用時(shí)，這對數據存儲的可靠性有更高的要求。為此，除了加強電源穩定性和提供掉電故障出現的軟件保護外，還應引入文件系統來(lái)完成數據的存儲和管理功能，以進(jìn)一步增強系統可靠性。

傳統嵌入式系統主要應用于控制領(lǐng)域，對數據存儲要求不高，因此，嵌入式操作系統中的文件系統沒(méi)有得到充分的重視。但隨著(zhù)嵌入式技術(shù)應用領(lǐng)域的拓展，對數據操作的靈活性和數據存儲的可靠性都提出了越來(lái)越高的要求，需要開(kāi)發(fā)相應的文件系統，并應在文件格式、外存管理等方面做出相應改進(jìn)以適應硬件特點(diǎn)。

Flash存儲芯片，電子盤(pán)DOC (Disk On Chip)等存儲器件具有成本低廉、存儲容量大、體積小、功耗低等特性，在嵌入系統中與磁盤(pán)相比具有明顯的優(yōu)勢，已經(jīng)成為使用最廣泛的嵌入式系統外部存儲器。然而，任何硬件都有壽命的限制，存儲器件也不例外。一般的NOR型Flash每個(gè)扇區的擦寫(xiě)壽命在100 000～1 000 000萬(wàn)次之間，如果頻繁擦除某一個(gè)扇區就容易造成該扇區損壞，從而導致整個(gè)存儲芯片都不可用。眾所周知，文件系統使用了一段時(shí)間以后就會(huì )產(chǎn)生大量的“存儲碎片”，如果存儲算法不合理，就有可能使某些扇區被頻繁的擦除，從而使該扇區損壞。所以，文件系統的設計應使Flash上各個(gè)扇區的擦除次數趨于平均，這對提高系統的可靠性非常必要。

2.4 人員的可靠性

嵌入式計算機系統起源于微型機，但有過(guò)很長(cháng)一段單片機的獨立發(fā)展道路。國內熟悉8位MCU開(kāi)發(fā)的設計人員以電子

工程和其他機電專(zhuān)業(yè)工程師為主體，這意味著(zhù)精通嵌入式系統的開(kāi)發(fā)人才在軍內比較短缺，而且裝備研制單位和軍工行業(yè)更為突出。

過(guò)去設計人員往往以自己習慣性的電子技術(shù)應用模式來(lái)從事單片機的應用開(kāi)發(fā)。這種模式的重要特點(diǎn)是缺少計算機工程設計方法，具有軟、硬件的底層性和隨意性。隨著(zhù)軟、硬件技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式系統的開(kāi)發(fā)難度和復雜程度大大增加，且開(kāi)發(fā)形式、開(kāi)發(fā)平臺與開(kāi)發(fā)語(yǔ)言也與以往有很大的不同，應用模式也越來(lái)越多地帶有以計算機工程應用為主，同時(shí)具有網(wǎng)絡(luò )、通信、自動(dòng)化等多學(xué)科多專(zhuān)業(yè)交叉的特點(diǎn)。因而人員因素對于嵌入式系統的可靠性有著(zhù)不可忽視的影響。

在嵌入式系統的工程應用中，C／C++和匯編語(yǔ)言是不可缺少的程序設計語(yǔ)言，而Java和Linux技術(shù)也越來(lái)越多地應用于嵌入式系統。這就要求原有設計人員除了要具有基于嵌入式CPU、DSP等處理芯片的電路設計和調試技能外，還應具備較好的數據結構及程序設計知識，方能勝任嵌入式系統的可靠性設計工作。

3 結束語(yǔ)

如今，新型武器裝備的研制以及現有武器的改造都會(huì )涉及到嵌入式系統的開(kāi)發(fā)與升級，軍用嵌入式系統也正在向著(zhù)更加智能化和網(wǎng)絡(luò )化的趨勢快速發(fā)展，由此，軍事科技專(zhuān)家預言： “嵌入式系統將會(huì )成為振興我國武器裝備的突破口”，而可靠性又是嵌入式系統的生命線(xiàn)，同時(shí)也是取得突破的重要保證。