實時操作系統(tǒng)CPU使用率監(jiān)測的軟件容錯研究

王余偉，曹 東,施書成

(1.南京航空航天大學自動化學院，江蘇 南京 211106;2.南京航空航天大學飛行控制研究所，江蘇 南京 211106)

1 引言

系統(tǒng)的CPU使用率是實時系統(tǒng)運行正常與否的重要指標，可以表征系統(tǒng)的時間特性和任務(wù)狀態(tài)。在嵌入式系統(tǒng)中，CPU使用異常是經(jīng)常出現(xiàn)的情況，CPU使用率的異常會使某個任務(wù)或者多個任務(wù)運行異常，導致系統(tǒng)癱瘓[1]。所以，在設(shè)計軟件時要把CPU使用率監(jiān)測任務(wù)的等級放在最高，在監(jiān)測到異常時，必須及時進行處置，消除系統(tǒng)故障或抵消故障帶來的影響，提高系統(tǒng)對于時間相關(guān)的故障容錯能力，保證系統(tǒng)正常運行[2]。

2 CPU使用率的監(jiān)測

系統(tǒng)在一段時間內(nèi)，一個任務(wù)的CPU使用率是指系統(tǒng)運行該任務(wù)所花費時間長度與該段時間長度的比值，計算方法如式(1)所示。

Pcpu=(ttask/ttotal)×100%

(1)

其中，ttotal是統(tǒng)計CPU使用率時間段的時間長度，ttask是在該段時間內(nèi)，該任務(wù)運行所耗費的CPU時間。

2.1 CPU使用率監(jiān)測周期

在設(shè)計嵌入式實時軟件中，CPU使用率監(jiān)測周期選取得是否合理是監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵，如果CPU使用率監(jiān)測周期選取過短，則會對系統(tǒng)資源造成浪費；如果CPU使用率監(jiān)測周期選取過長，則可能無法獲取準確的數(shù)據(jù)。如圖1所示,CPU空閑狀態(tài)以白色的部分表示，CPU正在使用狀態(tài)以黑色的部分表示。假設(shè)CPU的監(jiān)測周期為0.5 s，在前一個0.5 s內(nèi)，CPU空閑狀態(tài)僅為10%，而CPU的使用率則達到了90%；在后一個0.5 s內(nèi)，CPU空閑狀態(tài)達到70%，而CPU的使用率僅為30%。兩個同等的時間段內(nèi)CPU的使用情況相差比較大。若以1 s為系統(tǒng)CPU的監(jiān)測周期，那么CPU的使用率為60%，這樣就無法監(jiān)測出CPU使用異常的情況。所以，為了得到可靠的CPU利用率，系統(tǒng)中正在被監(jiān)測任務(wù)的頻率應(yīng)大于或等于系統(tǒng)中其它任務(wù)運行頻率的最大值[2]，如式(2)所示。

fmonitor≥max(f1,f2,…,fi,…,fn),i∈[1,n]

(2)

其中，n為系統(tǒng)中任務(wù)的個數(shù)，fi為系統(tǒng)中各個任務(wù)的運行頻率。

Figure 1 Impact of CPU utilization ratio monitoring cycles圖1 CPU使用率監(jiān)測周期的影響

2.2 嵌入式操作系統(tǒng)CPU使用率監(jiān)測方法

μC/OS-II和VxWorks操作系統(tǒng)是比較常用的嵌入式實時操作系統(tǒng)，用戶可根據(jù)兩種操作系統(tǒng)提供的計算CPU使用率的步驟和方法來實現(xiàn)系統(tǒng)CPU使用率的監(jiān)測。本文重點介紹在μC/OS-II操作系統(tǒng)中CPU使用率的計算原理和步驟。μC/OS-II操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)器械、醫(yī)療設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域。μC/OS-II操作系統(tǒng)有一個統(tǒng)計時間的任務(wù)，叫做OSTaskStat()。如果將系統(tǒng)配置常數(shù)OS_TASK_STAT_EN設(shè)為1，這個任務(wù)就會被建立。一旦得到允許，OSTaskStat()運行1次/秒，計算當前的CPU使用率。具體流程如下：首先，系統(tǒng)中TaskStart()調(diào)用統(tǒng)計初始化函數(shù)OSStatInit()。統(tǒng)計初始化函數(shù)OSStatInit()測定在沒有其他應(yīng)用任務(wù)運行時，空閑計數(shù)器osidlectr的計算速率。其次，系統(tǒng)統(tǒng)計初始化函數(shù)OSStatInit()調(diào)用時間延時函數(shù)OSTimeDly()，將自身延時2個時鐘節(jié)拍，以停止自身的運行。然后，系統(tǒng)執(zhí)行優(yōu)先級最高的統(tǒng)計任務(wù)OSTaskStat()。此時CPU處于空閑任務(wù)OSTaskIdle中而osidlectr不停地加1，1 s后，空閑計數(shù)器將1 s內(nèi)計數(shù)的值存入空閑計數(shù)器最大值osidlectrMax中。而2個時鐘節(jié)拍后，空閑計數(shù)器osidlectr被清0，同時OSTaskStat()開始計算CPU的使用率。這個任務(wù)運行的周期是1 s，精確度是1%。計算如式(3)所示：

Pcpu(%)=100-osidlectr/(osidlectrMax/100)

(3)

其中，osidlectr為系統(tǒng)2個時鐘節(jié)拍內(nèi)空閑計數(shù)器計數(shù)的值，osidlectrMax為系統(tǒng)保存的空閑計數(shù)器最大值[3]。

3 CPU使用率異常故障診斷算法設(shè)計

本文采用的CPU使用率異常故障診斷算法是基于殘差的閾值——改進序貫概率比測試SPRT(Sequential Probability Ratio Test)聯(lián)合算法，該算法能夠有效地改進閾值分析法中對小值緩變性故障診斷不夠靈敏的缺點，也能有效地改進序貫概率比測試算法(SPRT)中不能實時判決階躍性故障和對故障診斷時間不能準確判斷的缺點[4]。

3.1 閾值分析法

閾值分析法是一種在規(guī)定的范圍內(nèi)設(shè)定殘差閾值的方法。閾值分析法能夠快速診斷出超出其閾值范圍的大值階躍性故障，對于超出其閾值范圍的小值階躍性故障則響應(yīng)緩慢。同時，閾值分析法中合理地設(shè)定殘差閾值是檢測出故障的重要因素，通過系統(tǒng)給出的殘差值與設(shè)定的殘差閾值進行比較，若殘差閾值設(shè)定過大，系統(tǒng)故障發(fā)生時，若閾系統(tǒng)給出的殘差值小于設(shè)定殘差閾值，會造成系統(tǒng)故障診斷不夠?qū)崟r或發(fā)生漏檢；若殘差閾值設(shè)定過小，系統(tǒng)故障發(fā)生時，若閾系統(tǒng)給出的殘差值大于設(shè)定殘差閾值，會讓系統(tǒng)發(fā)生錯誤的判斷，造成虛警。

3.2 改進SPRT算法

改進SPRT算法是一種基于概率比假設(shè)檢驗，在給定虛警率和漏檢率的情況下，以最短的時間檢測出CPU使用率異常故障的方法。

假設(shè)由H0和H1分別表示系統(tǒng)運行時的正常狀態(tài)和發(fā)生故障的狀態(tài)，根據(jù)最大后驗概率準則可知：

1

(4)

式(4)可以轉(zhuǎn)換為：

1

(5)

其中，P(H0)和P(H1)分別為狀態(tài)H0和狀態(tài)H1的先驗概率。系統(tǒng)運行時，采集殘差的N次值，得到采樣序列XN=[x1x2…xN],計算似然比LN(X)：

(6)

從而計算可得對數(shù)似然比lnLN(X)：

lnLN-1(X)+lnL(xN)

(7)

從公式中知，當對數(shù)似然比lnLN(X)小于T(H1)時，系統(tǒng)處于正常狀態(tài)。而當系統(tǒng)處于故障狀態(tài)時對數(shù)似然比的值一直變大并且達到或者大于T(H1)。

假設(shè)給定虛警率α和漏檢率β，由Wald公式可得：

(8)

由式(8)可得：當系統(tǒng)狀態(tài)正常時，對數(shù)似然比逐漸在變小并變成負值，如果此時系統(tǒng)出現(xiàn)故障，對數(shù)似然比將逐漸變大，但對數(shù)似然比需要經(jīng)過幾步才能增加到判決門限。這種情況嚴重影響了故障檢測的實時性。在此基礎(chǔ)上引入補償環(huán)節(jié)，在其起作用時可以消除系統(tǒng)運行時帶來的延時，同時在系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，系統(tǒng)能夠更加快速地檢測到故障[4]。

3.3 閾值-改進SPRT聯(lián)合算法

本文通過對比和分析閾值分析法和改進SPRT算法的優(yōu)缺點，設(shè)計出一種閾值-改進SPRT聯(lián)合算法。該算法不僅結(jié)合了上述兩種算法各自的優(yōu)點，而且通過決策手段克服了兩種算法各自的缺點。閾值-改進SPRT聯(lián)合算法示意圖如圖2所示。

Figure 2 Schematic diagram for threshold-improved SPRT united algorithm圖2 閾值-改進SPRT聯(lián)合算法示意圖

該算法將所得殘差的值分別輸入到閾值分析法和改進SPRT算法，由兩種算法分別對輸入的殘差值進行計算和比較，將閾值分析法和改進SPRT算法分析的結(jié)果同時交給故障診斷機進行分析和判決。當對數(shù)似然比為負值時，系統(tǒng)中傳感器給的殘差的值正在變小，可能出現(xiàn)大值階躍性故障，采用閾值分析法的結(jié)果更能夠檢測出故障結(jié)果。當對數(shù)似然比為正增量時，系統(tǒng)輸出的殘差可能出現(xiàn)小值緩變故障，則采用改進SPRT算法檢測出結(jié)果[5]。

本文將任務(wù)運行時占用的CPU使用率曲線的峰值點作為診斷算法中的殘差，通過設(shè)計的閾值-改進SPRT聯(lián)合算法給出故障診斷結(jié)果。根據(jù)故障診斷結(jié)果判斷出任務(wù)的CPU使用率是否異常。

4 CPU使用率異常處置

對于任何一個系統(tǒng)，CPU使用率正常是系統(tǒng)正常運行的重要因素。在嵌入式實時操作系統(tǒng)中，有很多種原因能夠造成系統(tǒng)的CPU使用率異常。從硬件層面來說，硬件運行的性能和環(huán)境不同，可能造成CPU使用率不同。如果外部電源給硬件供電不足可能直接造成CPU停止工作。從軟件層面來說，系統(tǒng)中任務(wù)的異常調(diào)度或者任務(wù)進入無限循環(huán)可能直接完全占用CPU，造成很嚴重的后果[5]。

本文給出兩種處置CPU使用率異常的方式：單機CPU自檢測和雙機CPU互檢測。單機CPU自檢測處置CPU使用率異常主要是處理關(guān)于某個任務(wù)CPU使用率的異常，其處置方式有運行備份任務(wù)和任務(wù)降低運行頻率等。這兩種方式的處置類型都是被動容錯。當系統(tǒng)監(jiān)測到CPU使用率出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)只定位故障的具體位置，不分析故障的具體原因。對故障發(fā)生的部分進行異常處置，為了保證系統(tǒng)正常運行，盡量減少或者將故障控制在可控范圍之內(nèi)。

雙機CPU互檢測的處置方式是利用余度的思想以主從備份的方式實現(xiàn)兩個CPU之間的切換。主要思想是：兩個相同的硬件平臺，假設(shè)雙機分別標為CPU_A和CPU_B，并且假設(shè)CPU_A的優(yōu)先級高于CPU_B，系統(tǒng)運行時，CPU_A占據(jù)主控位置，同時CPU_B也在備份運行，雙機之間利用Flexray總線進行數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏敗．擟PU_A的CPU使用率異常且根據(jù)判決條件需要系統(tǒng)重啟才能重新恢復時，系統(tǒng)通過Flexray總線將CPU_A的CPU異常信息傳給CPU_B，同時系統(tǒng)將主控權(quán)交給CPU_B。這種CPU異常處置方法是主動糾錯。當系統(tǒng)監(jiān)測到CPU使用率出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)能夠主動分析故障的嚴重程度，從而進行判決。針對這一方式有兩種CPU使用率異常處置方式：異常任務(wù)重啟和系統(tǒng)重啟。當系統(tǒng)中任務(wù)或者系統(tǒng)需要重新啟動時，為了避免給系統(tǒng)運行帶來嚴重的后果，將CPU使用率異常的硬件作為備份，進行故障恢復，而CPU使用率正常的系統(tǒng)將繼續(xù)工作運行。

上述四種處置方式能夠達到系統(tǒng)所需要的容錯目的[6]，如表1所示。

Table 1 CPU utilization ratio exception handling

4.1 運行備份任務(wù)

運行備份任務(wù)是單機處置CPU使用率異常的一種常用方法。由于每個任務(wù)運行時占用系統(tǒng)不同的運行資源，采用運行備份的處置方式可以合理地分配CPU資源。系統(tǒng)中適合創(chuàng)建的備份任務(wù)有以下幾類：

(1)計算類任務(wù)。計算類任務(wù)是指需要進行高精度運算和計算量很大的任務(wù)。運算精度越高，計算得到的結(jié)果越精確，此類任務(wù)可用備份任務(wù)來代替原有的任務(wù)進行計算。如飛行控制系統(tǒng)中計算傳感器信息的任務(wù)、計算導航信息的任務(wù)以及控制律解算的任務(wù)等。

(2)功能可精簡類任務(wù)。嵌入式系統(tǒng)中有很多任務(wù)是用來傳輸大量數(shù)據(jù)的，在時間一定的前提下，數(shù)據(jù)量越少，對系統(tǒng)的CPU使用率就越低。此類任務(wù)可以對原有的數(shù)據(jù)或計算等信息進行簡化，并且在CPU使用率較高的情況下能夠切換到備用任務(wù)，使CPU的峰值出現(xiàn)率減少，保證系統(tǒng)運行正常[7]。如在飛行控制系統(tǒng)中傳感器的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)、遙控遙測數(shù)據(jù)接收和發(fā)送任務(wù)、執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送任務(wù)，以及故障注入的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送任務(wù)等。

4.2 任務(wù)降頻運行

在嵌入式系統(tǒng)中，不僅任務(wù)的調(diào)度周期和任務(wù)的調(diào)度方式與CPU的使用率有關(guān)，任務(wù)運行的頻率也是占用CPU資源的一個重要因素。某些任務(wù)運行的頻率越高，其運行效果越好。若系統(tǒng)的CPU資源被這些任務(wù)占用得過多，適當?shù)亟档皖l率,降低CPU資源使用率，有助于系統(tǒng)運行。如以下幾類任務(wù)：

(1)監(jiān)測類任務(wù)。在設(shè)計軟件時，監(jiān)測類任務(wù)的運行頻率一般都很高，若系統(tǒng)出現(xiàn)故障，監(jiān)測得越快，越能及時發(fā)現(xiàn)故障，說明系統(tǒng)運行的效果越好。此類任務(wù)對于系統(tǒng)的要求較高，占用CPU資源較多。如在飛行控制系統(tǒng)中，傳感器故障監(jiān)測任務(wù)、遙控遙測監(jiān)測任務(wù)以及執(zhí)行機構(gòu)監(jiān)測任務(wù)等。

(2)通信類任務(wù)。通信類任務(wù)一般是與外界的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)量大，通信速度越快，系統(tǒng)運行的效果越好。這類任務(wù)更容易加大系統(tǒng)的負擔，在設(shè)計軟件時，在滿足系統(tǒng)正常功能的情況下，盡量降低頻率，從而降低CPU資源使用率[8]。如飛行控制系統(tǒng)中的遙控遙測通信、傳感器數(shù)據(jù)通信以及Flexray總線數(shù)據(jù)通信等。

4.3 異常任務(wù)重啟

異常任務(wù)重啟是指系統(tǒng)檢測到一個或者多個任務(wù)運行異常，并且CPU的使用率嚴重超過了系統(tǒng)能夠承受的最大值。這時系統(tǒng)重新將任務(wù)初始化，直到所有任務(wù)恢復正常。其過程是：系統(tǒng)在任務(wù)重啟之前首先將系統(tǒng)的狀態(tài)保存到系統(tǒng)的內(nèi)存中，然后屏蔽非系統(tǒng)任務(wù)，最后將系統(tǒng)的任務(wù)重新初始化，重新分配每個任務(wù)的堆棧情況，從而使系統(tǒng)任務(wù)恢復正常[9]。

上述計算類任務(wù)、功能可精簡類任務(wù)、監(jiān)測類任務(wù)以及通信類任務(wù)都可以進行任務(wù)異常重啟，進而恢復CPU的使用率。

4.4 系統(tǒng)重啟

看門狗是實現(xiàn)系統(tǒng)重啟的手段之一，其作用也是防止程序“跑飛”。利用看門狗實現(xiàn)系統(tǒng)的重啟是比較便捷和有效的。當系統(tǒng)的CPU使用率過高時，在一定時間段內(nèi)若系統(tǒng)的CPU使用還未恢復正常情況，系統(tǒng)通過軟件設(shè)定不對看門狗定時進行“喂狗”，系統(tǒng)將自動重新啟動，系統(tǒng)重新給任務(wù)劃分堆棧，程序?qū)⒅匦逻\行。系統(tǒng)重啟后，首先會調(diào)用系統(tǒng)重啟前保存狀態(tài)的任務(wù)，將之前保存的關(guān)鍵狀態(tài)從系統(tǒng)的內(nèi)存中讀取出來，保證系統(tǒng)能夠接著系統(tǒng)重啟前的狀態(tài)繼續(xù)運行[10]。

Figure 3 Flow chart of CPU utilization radio exception handling 圖3 CPU使用率異常處理流程圖

CPU使用率異常處理流程如圖3所示。程序運行開始時，主控為CPU_A，從控為CPU_B。根據(jù)造成單機CPU使用率異常的情況選取兩種不同的CPU處置方式。單機用運行備份模式和任務(wù)降頻模式進行處置，如若無法有效地降低CPU的使用率，系統(tǒng)將主控變?yōu)镃PU_B，同時將CPU_A進行任務(wù)重啟或者系統(tǒng)重啟。當CPU_A系統(tǒng)重啟后任務(wù)運行恢復正常時，主控將重新變?yōu)镃PU_A，從控變?yōu)镃PU_B。若系統(tǒng)重啟失敗，則主控CPU_B繼續(xù)運行。

在實際工程運用中，系統(tǒng)重啟或者任務(wù)重啟比其它降低系統(tǒng)CPU使用率方法的風險要大得多，一旦系統(tǒng)重啟失敗，可能會造成嚴重的后果。本文設(shè)計的CPU使用率處置方法加入了余度的思想，使系統(tǒng)運行更加安全、可靠。

5 CPU使用率異常處置的仿真驗證

本文在某飛行控制系統(tǒng)環(huán)境中進行仿真驗證。飛行控制軟件是典型的嵌入式軟件，實時操作系統(tǒng)是μC/OS-II系統(tǒng)。仿真驗證環(huán)境包含四個部分：飛行控制系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)、遙控遙測系統(tǒng)和故障注入系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)是由飛行控制計算機和機載飛行控制軟件組成；仿真控制系統(tǒng)是由仿真機和仿真軟件組成；遙控遙測系統(tǒng)是由遙控遙測計算機和相應(yīng)的遙控遙測軟件組成；故障注入系統(tǒng)是由故障注入界面和相應(yīng)的故障注入軟件組成。其中飛行控制計算機是基于MPC5674開發(fā)的嵌入式計算機；飛行控制軟件是基于μC/OS-II操作系統(tǒng)開發(fā)的軟件[2]。飛行控制軟件是主要的驗證對象，周期調(diào)度的任務(wù)有20個(最大可建立63個任務(wù))，最小調(diào)用的周期任務(wù)是10 ms。CPU監(jiān)測任務(wù)作為最高級優(yōu)先級，選取監(jiān)測周期為20 ms。由于本文的篇幅有限，仿真僅給出部分驗證曲線。仿真系統(tǒng)、遙控遙測系統(tǒng)和故障注入系統(tǒng)作為輔助手段，為驗證的信息提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)，對應(yīng)的軟件均為VC6.0環(huán)境下開發(fā)的WinForm軟件。

5.1 單機CPU使用率異常運行仿真驗證

減少CPU使用率曲線中的峰值和繁忙點是單機CPU任務(wù)備份和任務(wù)降頻運行的關(guān)鍵。以傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)為樣例任務(wù)，通過對數(shù)據(jù)發(fā)送頻率的降低和減少數(shù)據(jù)幀中不需要的數(shù)據(jù)作為備份模塊功能進行仿真驗證。同時，為了更具一般性，軟件測試中僅有基本任務(wù)和傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)。得到的CPU使用率曲線如圖4所示。圖4中，縱軸為CPU使用率百分比，橫軸為時間，單位為ms。

Figure 4 Exception handling of CPU utilization ratio—backup tasks and task frequency down圖4 CPU使用率異常處置—備份任務(wù)和任務(wù)降頻

圖4所示，實線表示傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是每幀39 B，虛線表示將傳感器的數(shù)據(jù)幀降為每幀20 B。通過閾值分析法可知,數(shù)據(jù)幀長的CPU使用率的峰值超過給定的閾值。根據(jù)圖2中的故障診斷機制診斷出系統(tǒng)故障的嚴重程度進行故障處置[8]。

縱向進行比較，在運行備份任務(wù)時，CPU使用率的峰值由約2.82%降低到約1.78%，由于系統(tǒng)調(diào)度任務(wù)時是將任務(wù)從睡眠態(tài)轉(zhuǎn)至運行狀態(tài)，會消耗系統(tǒng)的CPU資源，其消耗約為0.6%。在調(diào)用了備份任務(wù)后CPU的使用率峰值降低了1.04%，最多減少了約49%。從橫向比較，在降低任務(wù)運行頻率后，系統(tǒng)峰值出現(xiàn)的次數(shù)減少了一倍。由仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)的備份任務(wù)和降低任務(wù)運行頻率能夠有效降低任務(wù)對CPU資源的占用率。備份模塊保留的功能越少，對降低CPU使用率的峰值效果越好。任務(wù)的頻率下降得越多，對降低CPU使用率的峰值效果越好。

5.2 異常任務(wù)重啟仿真驗證

以飛行控制軟件為例，飛行控制軟件需要多任務(wù)協(xié)調(diào)運行。并且μC/OS-II實時操作系統(tǒng)是基于任務(wù)搶占優(yōu)先級的方式運行的,任務(wù)進入死循環(huán)是常見的錯誤，該錯誤明顯的標志是CPU使用率較高。異常任務(wù)的重啟是有效處理這一問題的方法之一。仿真過程中，通過故障注入軟件向飛行控制軟件中注入任務(wù)無限循環(huán)指令，當飛行控制軟件響應(yīng)這一指令時，CPU的使用率在t=400 ms時發(fā)生突變,此時飛行控制系統(tǒng)響應(yīng)故障處置邏輯將任務(wù)重新啟動，此時主CPU的主控權(quán)切換給從CPU。

從圖5中可知，針對系統(tǒng)的某一個任務(wù)進行仿真驗證，在時間t=400 ms時注入任務(wù)異常的故障指令，在時間t從400 ms 到1 200 ms，CPU使用率峰值超過20%的監(jiān)測點有15個，根據(jù)CPU使用率的判決條件得出該任務(wù)運行異常，嚴重占用了CPU資源，系統(tǒng)響應(yīng)故障處置，進行任務(wù)重新啟動，從而使任務(wù)運行恢復正常，這種方法能夠使系統(tǒng)恢復正常[11]。

Figure 5 Exception handling of CPU utilization ratio-exception task restart圖5 CPU使用率異常處置-異常任務(wù)重啟

5.3 系統(tǒng)重啟仿真驗證

系統(tǒng)重啟是指多個任務(wù)出現(xiàn)異常運行情況，系統(tǒng)進行重新啟動。其故障注入的方法與單個任務(wù)異常重啟相同。仿真過程中，通過故障注入軟件向飛行控制軟件中注入任務(wù)無限循環(huán)指令，當飛行控制軟件響應(yīng)這一指令時，CPU的使用率在t=400 ms時發(fā)生突變,此時飛行控制系統(tǒng)響應(yīng)故障處置邏輯，將任務(wù)重新啟動,雙機主控CPU將會切換為從控CPU。

從圖6可知，針對系統(tǒng)的多個任務(wù)進行仿真驗證，在時間t=400 ms時注入任務(wù)異常的故障指令，在時間t從400 ms 到1 200 ms，CPU使用率峰值超過20%的監(jiān)測點有15個，根據(jù)CPU使用率的判決條件得出系統(tǒng)運行異常，嚴重占用了CPU資源，系統(tǒng)響應(yīng)故障處置，進行系統(tǒng)重新啟動，從而使任務(wù)運行恢復正常，這種方法能夠使系統(tǒng)恢復正常。

Figure 6 Exception handling of CPU utilization ratio-system restart圖6 CPU使用率異常處置-系統(tǒng)重啟

6 結(jié)束語

本文結(jié)合嵌入式系統(tǒng)CPU使用率的特點，在能夠合理監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)的情況下，提出雙機切換處置系統(tǒng)CPU使用率異常的方法。這種方法在保證系統(tǒng)正常運行的情況下，根據(jù)引發(fā)CPU異常的原因不同，能夠有效地降低CPU的使用率，提高系統(tǒng)的容錯能力，對于保證嵌入式系統(tǒng)的正常運行有著重要的作用[12]。