淺析嵌入式系統的可靠性設計

陽妮

摘 要：嵌入式應用系統是一個有計算機內核，軟、硬件整合的智能化電子系統。它的智力嵌入，從而形成嵌入式應用系統全新的可靠性設計觀念、方法與技術。這些全新的可靠性設計觀念是：從二值可靠性到多值可靠性、建立系統的可靠性設計模型、確定系統的可靠性設計等級、應用系統的本質可靠性設計與可靠性控制設計。

關鍵詞：嵌入式；可靠性；電子系統

1嵌入式系統可靠性設計的基本概念

1.1軟件介入的多值可靠性

傳統電子系統的可靠性是一種非好即壞的二值可靠性。智能電子系統由于大規模集成電路的高本質可靠性保證，軟件出錯成為系統可靠性的主要問題。通常，軟件出錯不會導致系統損壞，軟件出錯概率便成為系統是否可靠的重要標志。根據系統出錯概率來界定系統的可靠性，這是一種非好、非壞的多值可靠性。例如，我們常常用易死機、易出錯、不好用等現象來判斷手機的可靠性。

1.2軟件介入的實時性問題

智能電子系統是一個由軟件驅動的電子系統。軟件介入后，嵌入式系統在激勵、響應之間增加了一個程序運行環節。由于有了程序運行時間，導致響應的時間滯后，有可能給系統帶來非實時響應的可靠性、安全性問題。因此，實時性要求是嵌入式應用系統可靠性設計中必不可少的內容。

1.3嵌入式系統的安全性包容設計

智能電子系統的安全性設計寄希望于精心的可靠性管理設計，然而精心的可靠性管理仍然不能避免軟件出錯。安全性包容設計是智能電子系統安全設計的重要一環。安全性包容設計是指系統出錯后的無害化處理，例如，給機器人設定空間安全路徑，越過規定空間時系統死機或返回。高機密武器落入敵人手中自動引爆也是一種安全性包容設計。大眾汽車公司機器人傷人事件已經表明機器人安全性包容設計上的失誤。

1.4嵌入式系統的可靠性等級

可靠性等級用以區別不同電子系統對可靠性的不同要求。具體應用中的電子系統對系統的可靠性要求千差萬別、大相徑庭。例如，人們在用計算機辦公時，對計算機死機、出錯熟視無睹，而將計算機用于工控時須機械加固、電氣加固，要嚴防死機與出錯；使用自動洗衣機不必擔心安全事故，而航天火箭發射中一個簡單的爆炸螺栓引爆系統的任何失誤都會造成致命的安全事故。因此，在嵌入式系統的具體應用中，應根據各種安全因子來估算系統可靠性要求等級，然后根據可靠性等級要求，制定可靠性、安全性設計的資金、技術、精力投入強度。

1.5嵌入式系統的可靠性模型

可靠性模型用來描述嵌入式系統的運行體系與影響運行體系中的各種非可靠性因素。眾所周知，傳統電子系統是一個激勵—響應型的應用系統。軟件介入后，在激勵—響應之間加入了軟件運行環節，因此，嵌入式系統是一個激勵—軟件運行—響應的智能電子系統。為了弄清軟件介入后對系統可靠性的影響，應建立起嵌入式系統的可靠性模型，用可靠性模型來指導系統的可靠性、安全性設計。

2建立系統可靠性設計模型

2.1軟件介入下的激勵—響應系統

傳統的電子系統是實時的激勵—響應系統，嵌入式應用系統則是一個軟件廣泛介入下的激勵—響應系統。由于軟件的介入，在激勵—響應進程中增加了軟件運行時間，造成了嵌入式應用系統的兩個新問題，即實時性與軟件可靠性問題。由于軟件介入，一方面出現軟件可靠性問題，另一方面為系統增加了可靠性的控制技術，即利用軟件技術來提高系統的可靠性。

2.2嵌入式應用系統的可靠性模型

在嵌入式應用系統的可靠性模型中，系統可靠性取決于從激勵端到響應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，在運行空間有正常激勵下唯一的運行路徑，在響應端有唯一的正常響應輸出。所有破壞唯一性管道原則的因素，都會造成系統的不可靠運行。系統可靠性設計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定性。

2.3應用系統的可靠性設計原則

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輸出，在全部路徑上都應有相應的可靠性保障措施。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，必須對非正常激勵采取屏蔽措施，或容錯技術。在軟件的運行空間上，要在保證軟件的唯一運行路徑的同時，盡量減少軟件漏洞，防止程序飛跑。當程序飛跑吋，能迅速發現并使之進入安全管道。在與程序運行相關的物理空間上，不斷進行自檢與修補。在響應端，能及時判斷異常狀態下的非正常響應，并即時剔除。對于無法避免的非正常響應輸出，應采取安全性包容措施，以免造成不可挽回的損失。在所有數據流的路徑上，都會有許多通道干擾，應實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計的技術標準。在可靠性模型基礎上，總結、歸納出系統可靠性設計的原則、方法、措施，形成企業的可靠性設計標準。使企業的可靠性設計科學化與規范化。

參考文獻：

[1]王田苗，魏洪興.嵌入式系統設計與實例開發[M].清華大學出版社，2008.

[2]佚名.嵌入式系統[M].機械工業出版社，2015.