嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)初探

摘要 嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)是一個(gè)有計(jì)算機(jī)內(nèi)核的智能化電子系統(tǒng)。集成電路的超長(zhǎng)壽命、計(jì)算機(jī)的軟件介入與智能化的控制能力，決定了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)全新的可靠性設(shè)計(jì)觀念。這些新觀念是：基于出錯(cuò)概率的多值可靠性、確定應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性等級(jí)、建立應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性模型、應(yīng)用系統(tǒng)的本質(zhì)可靠性設(shè)計(jì)與可靠性控制設(shè)計(jì)。

嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)是一個(gè)有計(jì)算機(jī)內(nèi)核，軟、硬件整合的智能化電子系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的激勵(lì)響應(yīng)型電子系統(tǒng)的本質(zhì)差異，是它的智力嵌入，從而形成嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)全新的可靠性設(shè)計(jì)觀念、方法與技術(shù)。這些全新的可靠性設(shè)計(jì)觀念是：從二值可靠性到多值可靠性、建立系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)模型、確定系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)等級(jí)、應(yīng)用系統(tǒng)的本質(zhì)可靠性設(shè)計(jì)與可靠性控制設(shè)計(jì)。支持可靠性設(shè)計(jì)觀念的基礎(chǔ)是LSIC支持下硬件結(jié)構(gòu)的超?？煽啃?、會(huì)出錯(cuò)的軟件體系、智力內(nèi)核的可靠性控制。

1 創(chuàng)建可靠性設(shè)計(jì)新觀念

1.1 嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)背景

嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)背景是集成電路的超長(zhǎng)壽命、計(jì)算機(jī)軟件介入與計(jì)算機(jī)內(nèi)核的可靠性控制能力。

① 集成電路的超長(zhǎng)壽命。經(jīng)歷半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，集成電路從電路集成、功能集成、技術(shù)集成到知識(shí)集成。依靠頂級(jí)電子學(xué)專家的可靠性設(shè)計(jì)，大規(guī)模集成電路的可靠性迅速增長(zhǎng)。與電子產(chǎn)品的更新周期相比，集成電路具有超長(zhǎng)壽命與超?？煽啃?，器件失效周期遠(yuǎn)大于產(chǎn)品的更新周期。

② 計(jì)算機(jī)軟件介入。與傳統(tǒng)電子系統(tǒng)相比，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)有軟件介入，系統(tǒng)在軟件介入下運(yùn)行。因而系統(tǒng)的可靠性基礎(chǔ)是軟件的可靠性。軟件的可靠性決定了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性特征。

③ 計(jì)算機(jī)內(nèi)核的智能化管理能力。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)內(nèi)核，決定了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)是一個(gè)智能化系統(tǒng)。這個(gè)智能化的計(jì)算機(jī)內(nèi)核可以實(shí)現(xiàn)可靠性的主動(dòng)控制，如噪聲失敏、動(dòng)態(tài)冗余、出錯(cuò)控制、容錯(cuò)管理和系統(tǒng)測(cè)試等。

1.2 嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的新觀念

嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的新觀念是多值可靠性、可靠性等級(jí)、可靠性模型與可靠性控制。

(1) 多值可靠性

傳統(tǒng)電子系統(tǒng)是二值可靠性系統(tǒng)，是一個(gè)非好即壞的電子系統(tǒng)。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)則經(jīng)常表現(xiàn)為不好不壞，是一個(gè)多值可靠性的電子系統(tǒng)，這是由軟件不斷出錯(cuò)引發(fā)出系統(tǒng)的不可靠性。當(dāng)軟件運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)系統(tǒng)無(wú)法正常工作，軟件運(yùn)行恢復(fù)正常時(shí)系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，這是介于“好”、“壞”之間的多值可靠性。這種多值可靠性可以用出錯(cuò)概率的統(tǒng)計(jì)方法來(lái)界定系統(tǒng)的可靠性品質(zhì)。

硬件系統(tǒng)的超長(zhǎng)壽命、超常可靠性的器件保證，使軟件“出錯(cuò)”成為系統(tǒng)可靠性的主要因素。

(2) 可靠性等級(jí)

在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中客觀存在一個(gè)可靠性等級(jí)要求。相似的功能要求、相似的軟硬件，在不同的運(yùn)行環(huán)境下，會(huì)有不同的可靠性設(shè)計(jì)要求。例如，運(yùn)載火箭中星箭分離的爆炸螺栓控制系統(tǒng)，由于是空間應(yīng)用環(huán)境、無(wú)人監(jiān)管、強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)條件、出錯(cuò)后果嚴(yán)重，可靠性等級(jí)要求極高;對(duì)比實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用環(huán)境中的萬(wàn)用表，可靠性等級(jí)要求很低。

建立應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性等級(jí)概念，有助于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的論證階段，對(duì)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的技術(shù)投入做到心中有底，在確保系統(tǒng)可靠的前提下有最佳的技術(shù)投入。

(3) 可靠性模型

傳統(tǒng)電子系統(tǒng)是一個(gè)激勵(lì)響應(yīng)型電子系統(tǒng)，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)則是一個(gè)軟件基礎(chǔ)上的激勵(lì)處理響應(yīng)型智能化電子系統(tǒng)。從而建立起嵌入式系統(tǒng)激勵(lì)輸入、信息處理、響應(yīng)輸出三元素的可靠性模型，在可靠性模型基礎(chǔ)上可以建立系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的一些原則與方法。

(4) 可靠性控制

嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)是一個(gè)有計(jì)算機(jī)內(nèi)核的智能化電子系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)內(nèi)核的存在決定了系統(tǒng)具有可靠性控制能力。因此，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，基于系統(tǒng)智能化特征的可靠性控制設(shè)計(jì)、功耗管理的最小功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)與功能性設(shè)計(jì)并列為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的三大常規(guī)設(shè)計(jì)內(nèi)容。

2 *定系統(tǒng)的可靠性等級(jí)

2.1 *定可靠性等級(jí)的重要性

在測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，首先有一個(gè)數(shù)據(jù)采集精度要求。如果沒(méi)有數(shù)據(jù)采集精度指標(biāo)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研發(fā)工作便無(wú)法啟動(dòng)。任何一個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)都工作在一個(gè)特定環(huán)境中，如果不了解特定環(huán)境對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行影響的可能后果，應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)工作便陷入盲目性。

一個(gè)合格的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)該在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中可靠地工作。研發(fā)環(huán)境與實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的巨大差異，是可靠性設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn);可靠性等級(jí)*定應(yīng)該是應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)前期，甚至項(xiàng)目立項(xiàng)時(shí)必不可少的一項(xiàng)任務(wù)。如果前期缺乏應(yīng)有的重視，導(dǎo)致可靠性設(shè)計(jì)投入欠缺，會(huì)使后續(xù)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)工作陷入無(wú)止境的軟、硬件修補(bǔ)工作之中。許多事例證明，在項(xiàng)目收尾工作中陷入可靠性問(wèn)題者居大多數(shù)。

2.2 可靠性等級(jí)*定方法

研發(fā)環(huán)境與實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的巨大差異也是可靠性等級(jí)*定的出發(fā)點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的因子化是可靠性等級(jí)*定的基本方法。與準(zhǔn)確的精度概念相比，可靠性等級(jí)是一個(gè)模糊量。

確定系統(tǒng)可靠性等級(jí)的方法是：確定可靠性*定因子、可靠性因子的順序量化、統(tǒng)計(jì)出系統(tǒng)的可靠性等級(jí)。

充分考慮到實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下，所有影響系統(tǒng)可靠性的因素，將這些因素確定為可靠性*定因子。為了保證不同的應(yīng)用系統(tǒng)之間有可比性，應(yīng)建立相對(duì)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，并將它作為本單位的可靠性等級(jí)*定標(biāo)準(zhǔn)。

(1) 可靠性*定因子

最常用的可靠性*定因子有環(huán)境因子、人機(jī)耦合因子、系統(tǒng)集成因子、知識(shí)平臺(tái)因子和安全性因子。

“環(huán)境因子”是指系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境對(duì)可靠性的影響因素，如電氣環(huán)境、機(jī)械環(huán)境、氣氛環(huán)境。電氣環(huán)境中的電磁兼容性、機(jī)械環(huán)境中的抗震性、氣氛環(huán)境中的抗鹽霧、抗粉塵、防潮等。

“人機(jī)耦合因子”是指系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)有無(wú)操作者介入，或操作者的可介入深度。操作者的可介入度大，有利于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)早期的出錯(cuò)征兆，并實(shí)施可靠性介入。

“系統(tǒng)集成因子”是指應(yīng)用系統(tǒng)的最大芯片集成度?？紤]到當(dāng)前集成電路的超長(zhǎng)可靠性，系統(tǒng)集成度越大，可靠性越高。

“基礎(chǔ)平臺(tái)因子”是指應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)時(shí)，基礎(chǔ)平臺(tái)占據(jù)的比例。基礎(chǔ)平臺(tái)包括半導(dǎo)體廠家提供的廠家平臺(tái)、企業(yè)內(nèi)部的產(chǎn)品平臺(tái)、應(yīng)用平臺(tái)，這些平臺(tái)都經(jīng)歷過(guò)實(shí)踐考驗(yàn)。顯然，基礎(chǔ)平臺(tái)占據(jù)的比例越大，可靠性越高。