助力醫(yī)療設(shè)備向多核設(shè)計轉(zhuǎn)移的操作系統(tǒng)特點

醫(yī)療設(shè)備制造商在將產(chǎn)品推向市場所面臨的諸多挑戰(zhàn)中，獲得監(jiān)管部門的批準(zhǔn)是必過一關(guān)，只有獲得相應(yīng)核準(zhǔn)，制造商才能出售其設(shè)備。為此，許多醫(yī)療設(shè)備制造商在采用多核系統(tǒng)設(shè)計時倍加小心，他們擔(dān)心多核的復(fù)雜性會妨礙其產(chǎn)品順利通過監(jiān)管機構(gòu)的審核。

的確，多核處理使軟件系統(tǒng)更趨復(fù)雜。但是無論系統(tǒng)運行在一個、兩個或16個處理器之上，當(dāng)今的系統(tǒng)都已太過復(fù)雜，以致無法通過單獨測試來進(jìn)行驗證。因此，設(shè)備制造商應(yīng)該熟悉針對多核系統(tǒng)開發(fā)他們所需的驗證技術(shù)。

本文討論基于多核處理器的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)的安全要求驗證問題，并分析可助力醫(yī)療設(shè)備向多核設(shè)計轉(zhuǎn)移的操作系統(tǒng)具有哪些特點。

醫(yī)療設(shè)備對日益復(fù)雜的用戶界面和高清成像(兩者都對計算能力有巨大需求)等特性的需求不斷攀升，這使得對多核處理的需求水漲船高。即便醫(yī)療系統(tǒng)支持越來越豐富的先進(jìn)功能，它們通常也還必須滿足輕便、低功耗和低發(fā)熱的要求。

單核難以滿足上述這些要求，因為通過增加處理器時鐘速率提升計算能力的方法存在三個局限性。首先，功耗和發(fā)熱的增加速度快于時鐘速率的提升速度。其次，存儲器的速度跟不上處理器的速度。最后，資源、控制和數(shù)據(jù)間的依賴關(guān)系限制了單指令流所允許的并行程度。

關(guān)鍵的操作系統(tǒng)要求

對可靠性和可用性都是必要條件的醫(yī)療設(shè)備來說，可能會需要實時操作系統(tǒng)(RTOS)，而這種RTOS需要支持對稱多處理。推薦使用一款可將進(jìn)程分配給多個內(nèi)核處理的單一操作系統(tǒng)，因為這種方法會比支持異步處理、且在每個處理器上采用不同操作系統(tǒng)，甚至是在不同核上采用不同操作系統(tǒng)等情況更容易。

選定的RTOS必須能防范由系統(tǒng)引發(fā)的故障，而且必須在出現(xiàn)故障時能夠重啟相應(yīng)組件。在大多數(shù)情況下，最優(yōu)選擇是一個微核架構(gòu)。其中，應(yīng)用、設(shè)備驅(qū)程、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧都駐留在核外的獨立地址空間，因而它們彼此之間，以及它們與核之間都是隔離的。

多核系統(tǒng)存在大量的進(jìn)程和線程，因此具有軟件看門狗至關(guān)重要。看門狗是一個用戶空間的故障恢復(fù)過程，它可以檢測出故障，并立即將系統(tǒng)恢復(fù)到安全狀態(tài)，或在不犧牲安全性的前提下，重啟失敗的進(jìn)程。

為確保系統(tǒng)的可靠性，RTOS還應(yīng)支持：1. 時間分割(最好自適應(yīng))，以確保關(guān)鍵流程不會因CPU周期不夠用而無法完成；2. 優(yōu)先級繼承，以防止優(yōu)先級倒置；3. 處理器親和性，它允許設(shè)計師將特定的父進(jìn)程和子進(jìn)程僅指派給特定內(nèi)核。

設(shè)計者可以確切地決定他們要如何使用系統(tǒng)內(nèi)可用的多個核。例如，他們可將非關(guān)鍵的、但計算密集的進(jìn)程交由任何可用的內(nèi)核處理，或是僅分配給一個有限的內(nèi)核子集，同時將關(guān)鍵部分交由一個固定核處理，從而簡化設(shè)計、調(diào)試和驗證。

開發(fā)工具

開發(fā)人員需要為支持多核開發(fā)、調(diào)試和優(yōu)化而專門設(shè)計的工具。一個工具集應(yīng)支持多核RTOS，該RTOS允許開發(fā)者評估負(fù)載平衡、識別瓶頸、確定并發(fā)可能性、表征和調(diào)試運行于多個CPU上的線程間的相互作用；在內(nèi)核間移動線程或進(jìn)程，并測度其對系統(tǒng)造成的影響。時序和阻塞是棘手的問題，所以工具集應(yīng)為設(shè)計師提供一種探究處理器和線程正在做什么的手段。

滿足認(rèn)證要求

符合要求是醫(yī)療設(shè)備準(zhǔn)入市場的必要條件——是投資可以轉(zhuǎn)化成收入前必須滿足的必要條件。因此，除了合適的OS特性和工具集功能外，醫(yī)療設(shè)備需要一個精心策劃的審批策略。

多核系統(tǒng)的復(fù)雜性可能會妨礙最終產(chǎn)品的認(rèn)證，因而一些醫(yī)療制造商對采用多核處理猶豫不決。但值得注意的是，單核系統(tǒng)也存在固有的復(fù)雜性，這意味著，在實踐中，即便是單核系統(tǒng)也不可能僅借助測試就可對其進(jìn)行驗證。多核和單核系統(tǒng)都是如此復(fù)雜，要展示它們的功能安全就需要技術(shù)組合，相同的技術(shù)能夠且應(yīng)該同時用于驗證單核和多核系統(tǒng)。

為驗證軟件系統(tǒng)，無論其是運行在單核或多核之上，測試、統(tǒng)計分析和設(shè)計驗證要互為補充、統(tǒng)籌考慮。對于經(jīng)歷過系統(tǒng)通過認(rèn)證或批準(zhǔn)過程的人來說，他們應(yīng)該熟知所需的必要技術(shù)。這些技術(shù)包括：

測試。雖然測試只能證明缺陷的存在，而無法證明不存在缺陷，但在任何系統(tǒng)驗證策略中，測試仍是關(guān)鍵要素。

統(tǒng)計分析。對于現(xiàn)場用過的設(shè)備或部件的使用數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析可被用作支持可靠性要求。在驗證時，它也可與故障注入一起使用，用以評估系統(tǒng)中殘留的故障。

故障樹分析。以潛在或?qū)嶋H的故障開始，故障樹分析可用于推斷出可能的故障原因。

設(shè)計驗證。通過在開發(fā)過程中應(yīng)用并借助Spin和NuSMV等工具進(jìn)行回顧性分析，設(shè)計驗證可為系統(tǒng)的可靠性聲明提供強有力的證據(jù)支持。

設(shè)計構(gòu)件。一個具有所有相關(guān)設(shè)計構(gòu)件(從項目計劃到可追溯性矩陣)的成熟軟件生命周期，是任何認(rèn)證案例的標(biāo)準(zhǔn)及必要組成部分。

除了最簡單的醫(yī)療設(shè)備之外，多核處理很可能是未來醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展方向。仔細(xì)選擇操作系統(tǒng)，尤其要關(guān)注體系結(jié)構(gòu)、處理器對線程親和性的支持以及工具集，可以減輕這些挑戰(zhàn)對系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)和驗證的影響。

圖1.隨著設(shè)備對計算能力要求的不斷增長，甚至一款相對小型的醫(yī)療設(shè)備可能也會受益于多核處理技術(shù)。

圖2.使用四核CPU的一種系統(tǒng)概述屏幕截圖。

圖3、測試、統(tǒng)計分析和設(shè)計驗證互為補充以共同驗證軟件系統(tǒng)，無論它是運行在單核或多核上。