軍用嵌入式系統的可靠性設計

0 引言

目前用于機電一體化和工業(yè)自動(dòng)控制的嵌入式系統，最早出現在20世紀60年代的武器控制系統之中，后來(lái)逐步用于軍事指揮和通信。到了上世紀80年代，美軍先進(jìn)的武器系統基本都裝備了嵌入式計算機。之后又經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，如今的嵌入式系統已廣泛應用在各國軍隊的武器控制、指揮控制以及各種通信裝備、野戰指揮作戰等專(zhuān)用設備上。

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。