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军用嵌入式系统的可靠性设计
  2008年04月25日

   引言
   
    目前用于机电一体化和工业自动控制的嵌入式系统,最早出现在20世纪60年代的武器控制系统之中,后来逐步用于军事指挥和通信。到了上世纪80年代,美军先进的武器系统基本都装备了嵌入式计算机。之后又经过几十年的发展,如今的嵌入式系统已广泛应用在各国军队的武器控制、指挥控制以及各种通信装备、野战指挥作战等专用设备上。
   
    1、可靠性是军用嵌入式系统的重要因素
   
    嵌入式系统往往工作环境恶劣、受电噪声干扰较大,而且随着软件越来越复杂,系统运行不稳定的现象愈来愈严重,因此,可靠性已经成为衡量嵌人式系统优劣的重要因素;军用嵌入式系统更应高度重视其可靠性设计、测试和评估技术,应把可靠性作为嵌入式系统最重要的指标优先考虑。这一方面是因为嵌入式系统是软硬一体的混合系统,软件和硬件要共用大量的接口。因此要特别注意系统的稳定性、信号串扰、电磁干扰与静电防护等方面的可靠性设计问题。
   
    另一方面,嵌入式系统的开发应用也为可靠性设计提供了有效手段(如软件抗干扰、仿真测试等可靠性技术)。然而,由于主要的处理器芯片和操作系统的核心技术掌握于国外厂商手中,我国的嵌入式技术大都集中在嵌入式应用领域,市场上的嵌入式基础技术与开发平台大部分为国外品牌所控制,所以,我们应充分掌握嵌入式技术的最新发展,并积极慎重地加之利用。
   
    2、军用嵌入式系统的可靠性考虑
   
    2.1 架构的可靠性
   
    目前,我国自行研制的常规兵器及检测器材中的嵌入式系统以加固型微机和专用计算机组件较为多见。前者是将通用微型计算机经机械加固和电气加固,并配置各种外围接口电路,从而构成各种作战指挥系统或检测系统;后者则以自行设计多个插件的形式构成计算机系统。总之,采用芯片级或板级嵌入式模块的还不多,并且较多采用的是MC51系列/X86系列处理器体系结构,这与近些年来嵌入式技术的快速发展和军事装备更复杂的功能需求已不相适应,并在较大程度上制约了武器装备性能的进一步发挥与系统可靠性的提高。
   
    为此,设计时首先要选择合适的高性能嵌入式处理器。这对于提高系统可靠性起着至关重要的作用。国内外的工程实践证明,在许多时候,电子元器件的失效并不是因为电子元器件的固有可靠性不高,而是由于系统设计者的选择和使用不当造成的。资料显示,由于使用不当而造成的电子元器件失效约占整个电子元器件失效的50%左右。因此,设计者应首先对要选用的处理器以及相关元器件进行充分地了解和选择,并在使用过程中采取适当的措施,打好系统可靠性的基础。例如不同类型处理器的抗干扰能力和接口驱动能力是不一样的,因此在选用时应避免选择能力弱的型号。就发展趋势而言,今天的厂家为我们提供的片上系统SOC(System On Chip))是较好的解决方案,可以在一块芯片上集成多核(例如ARM+DSP、甚至更多个CPU)、集成更大容量的RAM和闪存、集成CRT/LCD接口、数据I/O接口、A/D、D/A、定时器、通信接口、存储器管理单元及允许用户编程的功能区域等一系列的功能部件,从而形成功能更加强大的嵌入式处理器。由于集成度高、构成系统所用的分立元器件少,因而必然增加系统的可靠性。同时,我们也应认识到,转用32位架构不仅能提升性能,还能降低制造成本和系统功耗,缩短研制时间,并可提供不断扩展和更新的方案,从而使装备具有持续升级的能力,延长装备的寿命周期。
   
    所众周知,20世纪90年代后,商用计算机在技术上已超过了军用计算机。为了引进更先进的计算机技术,缩短研制周期,降低订购价格,军用嵌入式系统应由过去“一切自行设计”逐步采用商用成熟技术和开放系统结构标准。比如引入实时操作系统RTOS(Real-Time Operaing Sys-tem)可有效解决嵌入式软件开发标准化的难题,促进军用嵌入式软件的可互操作性、可重复利用性和可移植性。
   
    2.2 网络可靠性
   
    随着网络中心战概念的提出,武器装备发展的中心将有所转移,更加依赖战场感知能力、指挥控制能力和多种武器平台之间的互通能力。眼下新武器系统的开发已很重视以卫星、无线电台、光纤等通信网络为中心来规划武器平台的任务与作战需求。而设计武器系统和平台配置、制订武器系统的战技指标、积极为传统武器平台装备先进的传感器与通信设备并加以改造,这些都对当前网络化军用嵌入式系统的体系结构与软硬件平台提出了较高的要求。
   
    将嵌入式系统与网络设备结合起来的一个主要技术障碍在于网络上面的各种通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较高,而目前军用嵌入式系统中除部分32位处理器以外,大量的也就是8位和16位MCU,这些MCM支持TCP/IP等标准网络协议将占用大量的系统资源,由此将严重制约着指挥作战效能和网络的可靠性。
   
    其实影响网络兼容性、实时性和可靠性的因素很多(如硬件资源的存储和计算能力、RTOS的实时性、TCP/lP的运行效率等),故在构建基于嵌入式系统的控制和通信网络时应特别注意。
   
   
    2.3 数据的可靠性
   
    军用嵌入式系统在复杂多变的环境中应用时,这对数据存储的可靠性有更高的要求。为此,除了加强电源稳定性和提供掉电故障出现的软件保护外,还应引入文件系统来完成数据的存储和管理功能,以进一步增强系统可靠性。
   
    传统嵌入式系统主要应用于控制领域,对数据存储要求不高,因此,嵌入式操作系统中的文件系统没有得到充分的重视。但随着嵌入式技术应用领域的拓展,对数据操作的灵活性和数据存储的可靠性都提出了越来越高的要求,需要开发相应的文件系统,并应在文件格式、外存管理等方面做出相应改进以适应硬件特点。
   
    Flash存储芯片,电子盘DOC (Disk On Chip)等存储器件具有成本低廉、存储容量大、体积小、功耗低等特性,在嵌入系统中与磁盘相比具有明显的优势,已经成为使用最广泛的嵌入式系统外部存储器。然而,任何硬件都有寿命的限制,存储器件也不例外。一般的NOR型Flash每个扇区的擦写寿命在100 000~1 000 000万次之间,如果频繁擦除某一个扇区就容易造成该扇区损坏,从而导致整个存储芯片都不可用。众所周知,文件系统使用了一段时间以后就会产生大量的“存储碎片”,如果存储算法不合理,就有可能使某些扇区被频繁的擦除,从而使该扇区损坏。所以,文件系统的设计应使Flash上各个扇区的擦除次数趋于平均,这对提高系统的可靠性非常必要。
   
    2.4 人员的可靠性
   
    嵌入式计算机系统起源于微型机,但有过很长一段单片机的独立发展道路。国内熟悉8位MCU开发的设计人员以电子 
    工程和其他机电专业工程师为主体,这意味着精通嵌入式系统的开发人才在军内比较短缺,而且装备研制单位和军工行业更为突出。
   
    过去设计人员往往以自己习惯性的电子技术应用模式来从事单片机的应用开发。这种模式的重要特点是缺少计算机工程设计方法,具有软、硬件的底层性和随意性。随着软、硬件技术的快速发展,嵌入式系统的开发难度和复杂程度大大增加,且开发形式、开发平台与开发语言也与以往有很大的不同,应用模式也越来越多地带有以计算机工程应用为主,同时具有网络、通信、自动化等多学科多专业交叉的特点。因而人员因素对于嵌入式系统的可靠性有着不可忽视的影响。
   
    在嵌入式系统的工程应用中,C/C++和汇编语言是不可缺少的程序设计语言,而Java和Linux技术也越来越多地应用于嵌入式系统。这就要求原有设计人员除了要具有基于嵌入式CPU、DSP等处理芯片的电路设计和调试技能外,还应具备较好的数据结构及程序设计知识,方能胜任嵌入式系统的可靠性设计工作。
   
    3、结束语
   
    如今,新型武器装备的研制以及现有武器的改造都会涉及到嵌入式系统的开发与升级,军用嵌入式系统也正在向着更加智能化和网络化的趋势快速发展,由此,军事科技专家预言: “嵌入式系统将会成为振兴我国武器装备的突破口”,而可靠性又是嵌入式系统的生命线,同时也是取得突破的重要保证。
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