嵌入式系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)是一個有計(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、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?、會出錯的軟件體系、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 集成電路的超長壽命。經(jīng)歷半個世紀(jì)的發(fā)展，集成電路從電路集成、功能集成、技術(shù)集成到知識集成。依靠頂級電子學(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。與電子產(chǎn)品的更新周期相比，集成電路具有超長壽命與超?？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)是一個智能化系統(tǒng)。這個智能化的計(jì)算機(jī)內(nèi)核可以實(shí)現(xiàn)可靠性的主動控制，如噪聲失敏、動態(tài)冗余、出錯控制、容錯管理和系統(tǒng)測試等。

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、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，是一個多值可靠性的電子系統(tǒng)，這是由軟件不斷出錯引發(fā)出系統(tǒng)的不可靠性。當(dāng)軟件運(yùn)行出錯時(shí)系統(tǒng)無法正常工作，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概率的統(tǒng)計(jì)方法來界定系統(tǒng)的可靠性品質(zhì)。

硬件系統(tǒng)的超長壽命、超?？煽啃缘钠骷ＷC，使軟件“出錯”成為系統(tǒng)可靠性的主要因素。

(2) 可靠性等級

在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中客觀存在一個可靠性等級要求。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、無人監(jiān)管、強(qiáng)烈的機(jī)械振動條件、出錯后果嚴(yán)重，可靠性等級要求極高;對比實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用環(huán)境中的萬用表，可靠性等級要求很低。

建立應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性等級概念，有助于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的論證階段，對系統(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)是一個激勵響應(yīng)型電子系統(tǒng)，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)則是一個軟件基礎(chǔ)上的激勵處理響應(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

2.1 *定可靠性等級的重要性

在測試技術(shù)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，首先有一個數(shù)據(jù)采集精度要求。如果沒有數(shù)據(jù)采集精度指標(biāo)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研發(fā)工作便無法啟動。任何一個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)都工作在一個特定環(huán)境中，如果不了解特定環(huán)境對系統(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*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，會使后續(xù)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)工作陷入無止境的軟、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題者居大多數(shù)。

2.2 可靠性等級*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*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*定的基本方法。與準(zhǔn)確的精度概念相比，可靠性等級是一個模糊量。
確定系統(tǒng)可靠性等級的方法是：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。

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)建立相對統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，并將它作為本單位的可靠性等級*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、知識平臺因子和安全性因子。

“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。考慮到當(dāng)前集成電路的超長可靠性，系統(tǒng)集成度越大，可靠性越高。

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

“安全性因子”是指系統(tǒng)出錯時(shí)產(chǎn)生威脅安全的因素。通用計(jì)算機(jī)死機(jī)后不會出現(xiàn)重大安全問題;自動生產(chǎn)線上機(jī)器人出現(xiàn)失控后會產(chǎn)生破壞因素;宇宙火箭星箭分離控制機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障后會造成極其嚴(yán)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(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)要求的程度高低，統(tǒng)一量化成“上、中上、中、中下、下”5級，或“上、中、下”3級的標(biāo)準(zhǔn)級別。把這些量化標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容具體化，形成量化等級表，作為企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，以界定不同應(yīng)用系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)后，確定一個具體應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性等級時(shí)，只需將應(yīng)用系統(tǒng)具體運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)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(tǒng)的可靠性等級。例如，5個可靠性因子，按5個等級劃分時(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(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)模型

3.1 軟件介入下的激勵響應(yīng)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)是實(shí)時(shí)的激勵響應(yīng)系統(tǒng)，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)則是一個軟件廣泛介入下的激勵響應(yīng)系統(tǒng)。由于軟件的介入，在激勵響應(yīng)進(jìn)程中增加了軟件運(yùn)行時(shí)間，造成了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的兩個新問題，即實(shí)時(shí)性與軟件可靠性問題。

由于軟件介入，一方面出現(xiàn)軟件可靠性問題，另一方面為系統(tǒng)增加了可靠性的控制技術(shù)，即利用軟件技術(shù)來提高系統(tǒng)的可靠性。

3.2 嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性模型

與傳統(tǒng)的電子的激勵響應(yīng)系統(tǒng)相比，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)在軟件介入下，增加了一個在激勵響應(yīng)中的時(shí)空過程。激勵端、過程空間、響應(yīng)端，構(gòu)成了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性模型。如圖1所示。

圖1 嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性模型

在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性模型中，系統(tǒng)可靠性取決于從激勵端到響應(yīng)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(yùn)行空間有正常激勵下唯一的運(yùn)行路徑，在響應(yīng)端有唯一的正常響應(yīng)輸出。所有破壞唯一性管道原則的因素，都會造成系統(tǒng)的不可靠運(yùn)行。系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)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(wěn)定性。

3.3 應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)原則

在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，應(yīng)用系統(tǒng)會被眾多的不可靠因素侵害。在眾多的不可靠因素侵害下，應(yīng)該遵循哪些原則來保證系統(tǒng)的可靠性?圖2所示為可靠性設(shè)計(jì)的一些基本原則。

圖2 嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)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(yīng)輸出，在全部路徑上都應(yīng)有相應(yīng)的可靠性保障措施。

在激勵端，除了正常激勵外，還會有許多非正常激勵。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(yùn)行空間上，要在保證軟件的唯一運(yùn)行路徑的同時(shí)，盡量減少軟件漏洞，防止程序飛跑。當(dāng)程序飛跑吋，能迅速發(fā)現(xiàn)并使之進(jìn)入安全管道。在與程序運(yùn)行相關(guān)的物理空間上，不斷進(jìn)行自檢與修補(bǔ)。

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

在所有數(shù)據(jù)流的路徑上，都會有許多通道干擾，應(yīng)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(jī)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(shè)計(jì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在可靠性模型基礎(chǔ)上，總結(jié)、歸納出系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的原則、方法、措施，形成企業(yè)的可靠性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。使企業(yè)的可靠性設(shè)計(jì)科學(xué)化與規(guī)范化。

4 嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

可靠性設(shè)計(jì)是應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的常規(guī)內(nèi)容，應(yīng)貫徹到項(xiàng)目開發(fā)的始終，并突出在項(xiàng)目的前期管理中。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)包括本質(zhì)可靠性設(shè)計(jì)與可靠性控制設(shè)計(jì)。

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

在進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，必須對系統(tǒng)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(yīng)用系統(tǒng)的本質(zhì)可靠性設(shè)計(jì)

本質(zhì)可靠性設(shè)計(jì)是系統(tǒng)可靠性品質(zhì)的先天性設(shè)計(jì)內(nèi)容，是系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本質(zhì)可靠性設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在項(xiàng)目的前期論證與總體設(shè)計(jì)中。例如，應(yīng)用系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)選擇，廠家平臺、應(yīng)用平臺、產(chǎn)品平臺的技術(shù)支持，以及可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范等。

拒絕“從零開始”，是本質(zhì)可靠性設(shè)計(jì)的基本信條，“成熟度”與“繼承性”是*定應(yīng)用系統(tǒng)本質(zhì)可靠性設(shè)計(jì)的兩個重要指標(biāo)。

“成熟度”是指在項(xiàng)目開發(fā)中，所使用的技術(shù)是否都經(jīng)過實(shí)踐考驗(yàn)，證明其安全可靠。“繼承性”是指本項(xiàng)目是否有原型系統(tǒng)或參照系統(tǒng)，通常用原型系統(tǒng)或參照系統(tǒng)在本項(xiàng)目所占比例來確定“繼承性”的高低。

“繼承性”越高，系統(tǒng)的本質(zhì)可靠性越好。

在項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)中，不妨將“成熟度”與“繼承性”進(jìn)一步量化，規(guī)定為總體設(shè)計(jì)中可靠性設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

4.2 應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性控制設(shè)計(jì)

可靠性控制設(shè)計(jì)是一種軟件介入的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)。例如，選擇最少出錯的運(yùn)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(shù)據(jù)的邊界管理，邊界的設(shè)定與出錯判定;重要數(shù)據(jù)的保護(hù)，校驗(yàn)、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(shè)計(jì)技術(shù)，如，噪聲失敏控制、時(shí)空邊界管理、系統(tǒng)容錯、冗余設(shè)計(jì)、系統(tǒng)自檢與自修復(fù)、出錯后的安全性包容等。

結(jié)語

① 由于計(jì)算機(jī)軟件及智能化控制的介入，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)與傳統(tǒng)電子系統(tǒng)有本質(zhì)區(qū)別。因此嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)有全新的觀念、方法和技術(shù)。

② 隨著器件可靠性的保證、系統(tǒng)的SoC化，產(chǎn)品使用周期縮短，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性將突出表現(xiàn)在系統(tǒng)的出錯概率上。

③ 應(yīng)建立可靠性等級概念。不同的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)對可靠性的要求不同。建立可靠性等級就會減少可靠性設(shè)計(jì)的盲目性。呼吁建立可靠性等級的國家標(biāo)準(zhǔn)。

④ 應(yīng)建立可靠性模型，可靠性模型可給出嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的一般規(guī)律和方法。

⑤ 嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，決不是單純的功能性設(shè)計(jì)，應(yīng)把功能性設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、最小功耗設(shè)計(jì)列為常規(guī)設(shè)計(jì)內(nèi)容。

⑥ 應(yīng)不斷地把具體項(xiàng)目實(shí)踐中的一些可靠性設(shè)計(jì)方法、技術(shù)進(jìn)行綜合、歸納，不斷完善嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)原理與方法。