雙機(jī)容錯實(shí)時嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

摘要：為滿足對安全關(guān)鍵領(lǐng)域日益增長的可靠性需求，提出一種基于松耦合多處理器體系結(jié)構(gòu)的雙機(jī)容錯實(shí)時嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案無縫整合了計(jì)算機(jī)硬件級、操作系統(tǒng)級、應(yīng)用級的容錯技術(shù)，以達(dá)到從整體上提高系統(tǒng)可靠性的目的。


關(guān)鍵詞：容錯 雙機(jī)熱備份 可靠性 實(shí)時嵌入式系統(tǒng)

引 言

　　實(shí)時系統(tǒng)的基本特性是任務(wù)響應(yīng)時間的確定和系統(tǒng)處理任務(wù)的高吞吐量。相對于其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言，實(shí)時系統(tǒng)對可靠性和防危要求十分嚴(yán)格。特別是所謂的安全關(guān)鍵系統(tǒng)SCS(Safety Critical Systems)，這類系統(tǒng)失效，將帶來災(zāi)難性的后果。在實(shí)時嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，容錯是最重要的可靠性保障手段。

　　容錯實(shí)時系統(tǒng)的研究主要集中在兩個方面[1]：① 改進(jìn)實(shí)時調(diào)度算法，使之確保實(shí)時任務(wù)在正常運(yùn)行和遇到錯誤時，均能在規(guī)定時限到來以前獲得正確的輸出。② 將過去應(yīng)用于普通計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的冗余容錯策略移植到實(shí)時系統(tǒng)中。

　　在具有硬件容錯能力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，其失效65％來自軟件[2]，僅有8％來自于硬件。因此，軟件容錯能力成為決定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。為了在出現(xiàn)硬件或軟件的暫時或永久故障的情況下，保證關(guān)鍵任務(wù)仍能在規(guī)定的時限范圍內(nèi)完成運(yùn)算，并輸出正確的結(jié)果，提出一種雙處理器實(shí)時嵌入式容錯系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用多處理器體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的通信，并無縫整合了計(jì)算機(jī)硬件、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件級的軟件容錯設(shè)計(jì)，達(dá)到從整體上提高系統(tǒng)可靠性的目的。

1 雙機(jī)容錯實(shí)時系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)采用圖1所示的雙機(jī)容錯系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)模型。該系統(tǒng)在雙機(jī)比較系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合多處理機(jī)的松耦合與緊耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在不同的處理機(jī)間通過通道互連實(shí)現(xiàn)通信，為在硬件容錯中結(jié)合軟件容錯提供可能。

　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 雙機(jī)容錯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

　　A機(jī)和B機(jī)各有獨(dú)自的外圍控制邏輯和外設(shè)，這樣不會引起系統(tǒng)資源的競爭，增加整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)然，這樣是以花費(fèi)更多的硬件設(shè)施為代價的。比較器及不一致檢測用專門設(shè)計(jì)的仲裁檢測電路來實(shí)現(xiàn)，其根據(jù)A機(jī)與B機(jī)周期向其發(fā)送的自檢測信號來判斷A機(jī)系統(tǒng)和B機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的狀況。

　　雙機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)如下：
　?、?如果A機(jī)與B機(jī)均正常運(yùn)行，則將計(jì)算機(jī)A作為主系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)B作為備份使用，A機(jī)的運(yùn)行結(jié)果作為系統(tǒng)輸出，A機(jī)運(yùn)行到檢測點(diǎn)，向B機(jī)發(fā)送日志，B機(jī)更新日志列表。
　?、?如果A機(jī)正常而B機(jī)故障，亦將A機(jī)的運(yùn)行結(jié)果作為系統(tǒng)輸出，同時將B機(jī)的運(yùn)行故障狀態(tài)報(bào)告給A機(jī)，并向B機(jī)進(jìn)行復(fù)位控制操作。
　?、?如果A機(jī)故障，B機(jī)正常，則進(jìn)行開關(guān)切換操作，B機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)備份任務(wù)重調(diào)度，B機(jī)運(yùn)行結(jié)果作為系統(tǒng)輸出，并向A機(jī)進(jìn)行復(fù)位控制操作，在檢測點(diǎn)更新A機(jī)日志，保持需要備份的任務(wù)狀態(tài)一致。

2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　圖2所示模型結(jié)合嵌入式實(shí)時系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，采用層次結(jié)構(gòu)和模塊結(jié)構(gòu)相結(jié)合，無縫整合了計(jì)算機(jī)硬件、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件級的軟件容錯設(shè)計(jì)。在整體上采用分層的結(jié)構(gòu)模型，克服了軟、硬件分離和脫節(jié)的問題，提高系統(tǒng)的靈活性和可移植性。模型的每一層均可以看作是一個相對獨(dú)立的系統(tǒng)。在每一層中按照系統(tǒng)功能，劃分不同的功能模塊。

　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 雙機(jī)容錯系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)采用對稱結(jié)構(gòu)，為支持容錯處理，每個節(jié)點(diǎn)從下到上分為3個主要部分，即MCFT（Multiprocessor Communication for Fault?Tolerance）、RTOS系統(tǒng)級容錯組件、任務(wù)級動態(tài)冗余組件。

　　2.1 多機(jī)容錯通信模塊MCFT

　　在操作系統(tǒng)與硬件之間加入MCFT層，MCFT作為BSP（Board Support Package）的一部分，作為硬件平臺的抽象層，為操作系統(tǒng)提供統(tǒng)一的界面，提高系統(tǒng)的可移植性。有容錯需求的任務(wù)，通過MCFT所提供的功能傳遞日志，保持主系統(tǒng)和備份系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)一致。MCFT屏蔽了底層通信的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，使系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與連接介質(zhì)無關(guān)。

　　MPFT管理著一些數(shù)據(jù)包，并且在各個節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送和接收這些數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)如下：
　　typedef struct{?
　　　　MP_packet_Classes the_class;?
　　　　Ob jects_Id id;?
　　　　Ob jects_Id source_tid;?
　　　　Priority_Control source_priority;?
　　　　unsigned32 return_code;?
　　　　unsigned32 length;?
　　　　unsigned32 to_convert;?
　　　　Watchdog_Interval timeout;?
　　　　}MP_packet_Prefix;?

　　2.2 RTOS系統(tǒng)級容錯組件

　　RTOS系統(tǒng)級容錯組件，包括系統(tǒng)內(nèi)核級容錯支持組件、系統(tǒng)自診斷組件和主/備用機(jī)切換支持組件。

　　(1) 內(nèi)核級容錯支持組件

　　為支持操作系統(tǒng)級和應(yīng)用級通信，在該系統(tǒng)中，每個節(jié)點(diǎn)上保存兩個對象表，一個本地任務(wù)表，一個容錯任務(wù)表。本地任務(wù)表在每個節(jié)點(diǎn)上都是不同的，它包含在此節(jié)點(diǎn)上創(chuàng)建的所有任務(wù)。容錯對象表包含系統(tǒng)中所有的容錯任務(wù)，在所有節(jié)點(diǎn)上是一樣的。為保持在所有節(jié)點(diǎn)上容錯任務(wù)表的一致性，每個節(jié)點(diǎn)對容錯對象的創(chuàng)建、刪除等都必須通知給備份節(jié)點(diǎn)。利用檢查點(diǎn)技術(shù)和傳遞日志法，保持主系統(tǒng)和備份系統(tǒng)的備份任務(wù)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)一致。一旦主機(jī)發(fā)生故障，系統(tǒng)程序自動進(jìn)行主/備用機(jī)切換，備用機(jī)系統(tǒng)使備份任務(wù)就緒，利用實(shí)時任務(wù)的調(diào)度策略，使備份任務(wù)在備份機(jī)上發(fā)生重調(diào)度，成為主機(jī)。

　　(2) 系統(tǒng)自診斷組件

　　如圖3所示，系統(tǒng)中采用自診斷的方法來診斷系統(tǒng)級的故障，用任務(wù)級的檢測來診斷應(yīng)用級的故障。

　　自診斷劃分為幾個不同的測試階段，系統(tǒng)啟動自檢測階段和周期自檢測階段。自動啟動診斷的因素有：主/備用機(jī)定時切換和主機(jī)發(fā)生故障。周期自檢測階段根據(jù)系統(tǒng)需求，周期性檢測外設(shè)和通信口。每個階段對應(yīng)設(shè)備的幾種功能塊，包括CPU的自診斷、中斷響應(yīng)自診斷、串口自診斷、定時器自診斷、離散量自診斷、RAM自診斷等。

　　由于結(jié)果比較是實(shí)時系統(tǒng)中任何事務(wù)處理都需要經(jīng)歷的步驟，因此把任務(wù)級的故障檢測放到結(jié)果判別部分進(jìn)行。

　　(3) 主/備用機(jī)切換支持組件

　　仲裁檢測電路中對主/備用機(jī)設(shè)置了“看門狗”監(jiān)視器。當(dāng)主/備用機(jī)處于正常工作狀態(tài)時，運(yùn)行于CPU上的某一任務(wù)周期性地對“看門狗”施加復(fù)位信號，這樣，“看門狗”計(jì)數(shù)器就不可能產(chǎn)生溢出觸發(fā)信號；當(dāng)CPU出現(xiàn)故障時，“看門狗”會輸出一個離散觸發(fā)信號并發(fā)出報(bào)警，此時，系統(tǒng)進(jìn)行自動切換，讓備用的系統(tǒng)機(jī)工作。


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 主控流程

　　2.3 任務(wù)級動態(tài)冗余

　　在實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)中，采用另一種軟件冗余方法――任務(wù)級動態(tài)冗余[3]。任務(wù)級動態(tài)冗余方法是實(shí)時系統(tǒng)中瞬間故障的恢復(fù)方法之一。

　　在實(shí)時多任務(wù)的環(huán)境下，充分利用操作系統(tǒng)提供的功能，對各個基本任務(wù)建立后備任務(wù)作為冗余，并對后備任務(wù)進(jìn)行容錯調(diào)度，從而起到類似于重試或卷回恢復(fù)的作用。利用檢查點(diǎn)技術(shù)和傳遞日志法保持主系統(tǒng)和備份系統(tǒng)的狀態(tài)的一致性，實(shí)現(xiàn)錯誤恢復(fù)，有較高的性價比。
　　
　　根據(jù)應(yīng)用程序，結(jié)合實(shí)時性要求，采用以下的措施：

　?、?把應(yīng)用程序分解成多個任務(wù)，任務(wù)以過程的形式出現(xiàn)，各個任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行的順序是從1到?n，并在每個任務(wù)的最后設(shè)置檢查點(diǎn)，傳遞日志。
　?、?根據(jù)應(yīng)用程序的要求事先給各個任務(wù)安排優(yōu)先級，使得任務(wù)可以根據(jù)要求及時占有處理器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時處理。
　?、?為各基本任務(wù)準(zhǔn)備一個后備任務(wù)存放在內(nèi)存中，平時后備任務(wù)不建立，不占有系統(tǒng)資源，僅在需要時才激活使用，后備任務(wù)的優(yōu)先級比相應(yīng)的優(yōu)先級要高。馬上建立就搶占執(zhí)行，是某種意義上的重試或程序卷回。
　?、?為實(shí)現(xiàn)恢復(fù)功能的后備任務(wù),可以和原有任務(wù)完全一樣，也可以是替換算法。

　　下面的算法能為各個任務(wù)產(chǎn)生容錯調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)冗余：

　　Step1: 建立任務(wù) T1，T2，…，Tn；??
　　Step2: while N=1；N=Nmax；?
?　　　N=N+1; ?
　　　　運(yùn)行任務(wù)Ti； ?
　　　　檢測Ti的結(jié)果； ?
　　　　IF結(jié)果通過THEN輸出結(jié)果，刪除任務(wù)Ti； ?
　　　　ELSE激活任務(wù)Ti
　　　　；break； ?
　　　　END
　　Step3:N>Nmax 系統(tǒng)報(bào)警

　　當(dāng)后備任務(wù)執(zhí)行了Nmax次之后還通不過檢測，就認(rèn)為系統(tǒng)出現(xiàn)永久故障，系統(tǒng)報(bào)警。Nmax是個閥門值，是由實(shí)時要求所決定的。

3 可靠性分析

　　在考慮了雙機(jī)的切換問題（包括切入成功率，與此相關(guān)的切入時間和再次切入的時間及其故障判別問題）后，完整的雙機(jī)容錯系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)可用度為[4]

　　　　　　　　

　　其中:λ為平均失效率，β為故障診斷率，是平均診斷時間的倒數(shù)；μ為平均維修率，是平均維修時間的倒數(shù)；α為加入失效率，是平均切入時間的倒數(shù)；C為故障判別率；α′為再次切入失效率,是再次切入時間的倒數(shù)（重啟雙工時間的倒數(shù)）；D為切入成功率。

　　采用對稱雙機(jī)系統(tǒng)，在典型值的計(jì)算中可以獲得99.999 95％的可用度。

4 結(jié)論?

　　隨著實(shí)時系統(tǒng)在安全領(lǐng)域內(nèi)越來越多的應(yīng)用，可靠性已經(jīng)成為衡量系統(tǒng)優(yōu)劣的重要因素之一。傳統(tǒng)的實(shí)時系統(tǒng)容錯只滿足了系統(tǒng)某一方面的容錯需求。為了在出現(xiàn)硬件或軟件的暫時或永久故障的情況下，系統(tǒng)仍能在規(guī)定的時限范圍內(nèi)完成運(yùn)算，并輸出正確的結(jié)果，本文提出一個軟、硬件結(jié)合的完整的解決方案，能滿足系統(tǒng)的強(qiáng)實(shí)時性、高可靠性、服務(wù)不斷流的要求。此方案應(yīng)用于RTEMS中，具有很高的可靠性。

　　　　　　　　　　　　　　　　參考文獻(xiàn)

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2 Kim K. The Distrubuted Recovery Block Scheme, in Software Fault Tolerance, M.R.Lyu, ed. Wiley,1995：189～2104?
3 KrishnaC, Shin K. On Scheduling Tasks with a Quick Recovery from Failure. IEEE Trans. Computer.May,1986, C-35:448～454?
4 金士堯，胡華平，李宏亮. 具有容錯結(jié)構(gòu)的高可用計(jì)算機(jī)雙系統(tǒng)研究.中國工程科學(xué)，1999，1 (3) : 46~50


陳筠：碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧蕉嗵幚砥鞑僮飨到y(tǒng)、嵌入式可靠性技術(shù)。桑楠：副教授，主要研究方向?yàn)榭尚判杂?jì)算理論與應(yīng)用。熊光澤：教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閷?shí)時計(jì)算系統(tǒng)與應(yīng)用。