一種基于差異放大的數據一致性比較方法

徐笑然（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

鐵路信號設備對其功能安全性有很高的要求。應答器傳輸單元（Balise Transm ission M odu le， BTM）是列車自動防護系統（ATP）的關鍵設備，在BTM的設計中，其軟件多采用雙套具有差異性設計的代碼來實現安全的“二取二”功能。BTM解碼單元的系統框圖如圖1所示。

BTM的解碼單元為單CPU、雙套差異軟件設計。CPU從“FPGA通道1”和“FPGA通道2”分別讀取由FPGA解碼的兩路獨立報文，然后通過兩套具有差異設計的代碼進行取二比較。如果兩組報文完全一致，則輸出；若不一致，則將所有報文的比特位置1，作為異常報文，向ATP報告錯誤。

報文共830 bit，占用104 By te。按照一般的代碼設計，多字節比較流程如圖2所示。

比較過程是一個循環體，循環次數是需要比較的字節個數。首先讀取兩份報文各自的第1字節，然后比較是否一致。如果一致，則再取下一字節繼續比較，直到循環結束條件滿足；如果不一致，則退出循環，將報文所有字節置為0x FF。

而基于“差異放大”的比較方法的原則是，將最微小的差異放大到最大的狀態。也就是說，如果兩組數據即使只有1個比特位的不同，經過差異放大，最終的比較結果是全部字節完全不同。這種方法非常適合用于非常嚴格的數據比較，只允許完全一致，不允許任何偏差。而BTM的報文比較就是這種情況。

“差異放大”比較方法在編碼實現時，完全采用數學運算的方式，沒有如圖2所示的條件分支語句。其運算過程如圖1、3所示。

[A]和[B]是待比較的兩組數據，分別有N個字節。首先將兩個數組的對應字節，進行“按位異或”操作，得到等長的N字節結果數組[R]。[R]能夠表示

徐笑然，男，碩士畢業于清華大學，工程師。主要研究方向包括嵌入式軟硬件設計、軟硬件安全功能設計等，曾參與ATP研發、BTM研發等項目。兩個數組的一致性程度，如果[A]和[B]內容完全一致，則[R]的所有字節均為0；否則，[R]中必定存在不為0的字節。第二步，將數組[R]的每個字節相互進行“按位或”操作，共N-1步位或操作，最終得到一個字節r。r是[R]的縮影，如果[R]的所有字節均為0，則r=0；否則r≠0。第三步，將字節r進行“差異放大”，得到rF。所謂“差異放大”，即如果r中存在等于1的比特位（r≠0），則在放大操作后，rF的所有字節全為1（rF=0x FF）；如果r中不存在等于1的比特位（r=0），則在放大操作后，rF的值仍為0，因為無論對0如何進行放大，結果還是0。這一步就是“差異放大”的關鍵步驟，即使r僅有一個比特為1，在操作后就放大為所有字節全為1；有且只有r=0，則rF=0，即0對于放大操作是無效的。最后一步，將rF復制N次，形成數組[RF]，使[RF]的每個字節等于rF，然后將[RF]與原始數據[A]或[B]進行對應字節的位或操作。由于[RF]的取值只有兩種情況：全0或全1，因此最后的輸出結果數組[C]=[A]，或[C]=[RF]。至此，通過一系列算法實現了與圖2傳統流程設計等效的結果。

差異放大過程是：通過兩次循環，將r逐位右移、左移，在此過程中再與r自身進行“位或”操作。由于“位或”操作會最大限度地保留比特“1”，因此就將r中等于1的比特位擴散到所有的比特位；如果r的全部比特位均為0，則此操作之后r仍等于0。

與傳統的比較算法相比，基于“差異放大”的數據一致性比較算法具有如下優點。

1）它是一個純數學運算的過程，代碼實現時無邏輯分支語句，極大降低了代碼白盒測試時MC/DC覆蓋率的復雜度。

2）由于完全采用了數學運算，因此可以很容易進行數學建模，通過Sim u lin k等工具自動生成代碼，降低了人為編寫代碼而引入b ug的可能；同時，易于使用可編程邏輯器件來實現比較功能，增加了功能實現的手段。

3）算法執行時間固定，代碼的行為具有確定性。

在使用差異放大比較算法時，需要注意的內容如下。

1）如果不使用形如Sim u link等工具自動生成代碼，則需要詳細的設計文檔來說明代碼的意圖，因為代碼本身很難明確地顯示出整個運算的目的和功能。

2）在大部分情況下，代碼的執行時間比傳統比較方法要長。

在實際應用中，差異放大比較算法與傳統的比較算法可以分別用于雙套差異軟件的A、B代碼設計里，使雙套代碼在算法設計階段就產生較大的差異性，能夠很好地保證雙套代碼對共因故障的檢出率。

[1] EN50128-2011 ：Railway applications —Communication, signaling and processing systems—Software for railway control and protection systems[S].

[2] IEC61508-2010：Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems-Part 6: Guidelines on the application of IEC 61508-2 and IEC 61508-3[S].

[3] DO-178B：Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification.