軍用嵌入式系統(tǒng)的可靠性分析

1 可靠性是軍用嵌入式系統(tǒng)的重要因素

嵌入式系統(tǒng)往往工作環(huán)境惡劣、受電噪聲干擾較大，而且隨著軟件越來越復(fù)雜，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的現(xiàn)象愈來愈嚴(yán)重，因此，可靠性已經(jīng)成為衡量嵌人式系統(tǒng)優(yōu)劣的重要因素；軍用嵌入式系統(tǒng)更應(yīng)高度重視其可靠性設(shè)計(jì)、測(cè)試和評(píng)估技術(shù)，應(yīng)把可靠性作為嵌入式系統(tǒng)最重要的指標(biāo)優(yōu)先考慮。這一方面是因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)是軟硬一體的混合系統(tǒng)，軟件和硬件要共用大量的接口。因此要特別注意系統(tǒng)的穩(wěn)定性、信號(hào)串?dāng)_、電磁干擾與靜電防護(hù)等方面的可靠性設(shè)計(jì)問題。

另一方面，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用也為可靠性設(shè)計(jì)提供了有效手段(如軟件抗干擾、仿真測(cè)試等可靠性技術(shù))。然而，由于主要的處理器芯片和操作系統(tǒng)的核心技術(shù)掌握于國(guó)外廠商手中，我國(guó)的嵌入式技術(shù)大都集中在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，市場(chǎng)上的嵌入式基礎(chǔ)技術(shù)與開發(fā)平臺(tái)大部分為國(guó)外品牌所控制，所以，我們應(yīng)充分掌握嵌入式技術(shù)的最新發(fā)展，并積極慎重地加之利用。

2 軍用嵌入式系統(tǒng)的可靠性考慮

2.1 架構(gòu)的可靠性

目前，我國(guó)自行研制的常規(guī)兵器及檢測(cè)器材中的嵌入式系統(tǒng)以加固型微機(jī)和專用計(jì)算機(jī)組件較為多見。前者是將通用 微型計(jì)算機(jī)經(jīng)機(jī)械加固和電氣加固，并配置各種外圍接口電路，從而構(gòu)成各種作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)或檢測(cè)系統(tǒng)；后者則以自行設(shè)計(jì)多個(gè)插件的形式構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?？傊?，采用芯片級(jí)或板級(jí)嵌入式模塊的還不多，并且較多采用的是MC51系列／X86系列處理器體系結(jié)構(gòu)，這與近些年來嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展和軍事裝備更復(fù)雜的功能需求已不相適應(yīng)，并在較大程度上制約了武器裝備性能的進(jìn)一步發(fā)揮與系統(tǒng)可靠性的提高。

為此，設(shè)計(jì)時(shí)首先要選擇合適的高性能嵌入式處理器。這對(duì)于提高系統(tǒng)可靠性起著至關(guān)重要的作用。國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)踐證明，在許多時(shí)候，電子元器件的失效并不是因?yàn)殡娮釉骷墓逃锌煽啃圆桓撸怯捎谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)者的選擇和使用不當(dāng)造成的。資料顯示，由于使用不當(dāng)而造成的電子元器件失效約占整個(gè)電子元器件失效的50％左右。因此，設(shè)計(jì)者應(yīng)首先對(duì)要選用的處理器以及相關(guān)元器件進(jìn)行充分地了解和選擇，并在使用過程中采取適當(dāng)?shù)拇胧蚝孟到y(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)。例如不同類型處理器的抗干擾能力和接口驅(qū)動(dòng)能力是不一樣的，因此在選用時(shí)應(yīng)避免選擇能力弱的型號(hào)。就發(fā)展趨勢(shì)而言，今天的廠家為我們提供的片上系統(tǒng)SOC(System On Chip))是較好的解決方案，可以在一塊芯片上集成多核(例如ARM+DSP、甚至更多個(gè)CPU)、集成更大容量的RAM和閃存、集成CRT／LCD接口、數(shù)據(jù)I／O接口、A／D、D／A、定時(shí)器、通信接口、存儲(chǔ)器管理單元及允許用戶編程的功能區(qū)域等一系列的功能部件，從而形成功能更加強(qiáng)大的嵌入式處理器。由于集成度高、構(gòu)成系統(tǒng)所用的分立元器件少，因而必然增加系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，我們也應(yīng)認(rèn)識(shí)到，轉(zhuǎn)用32位架構(gòu)不僅能提升性能，還能降低制造成本和系統(tǒng)功耗，縮短研制時(shí)間，并可提供不斷擴(kuò)展和更新的方案，從而使裝備具有持續(xù)升級(jí)的能力，延長(zhǎng)裝備的壽命周期。

所眾周知，20世紀(jì)90年代后，商用計(jì)算機(jī)在技術(shù)上已超過了軍用計(jì)算機(jī)。為了引進(jìn)更先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，縮短研制周期，降低訂購(gòu)價(jià)格，軍用嵌入式系統(tǒng)應(yīng)由過去“一切自行設(shè)計(jì)”逐步采用商用成熟技術(shù)和開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。比如引入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS(Real-Time Operaing Sys-tem)可有效解決嵌入式軟件開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的難題，促進(jìn)軍用嵌入式軟件的可互操作性、可重復(fù)利用性和可移植性。

2.2 網(wǎng)絡(luò)可靠性

隨著網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)概念的提出，武器裝備發(fā)展的中心將有所轉(zhuǎn)移，更加依賴戰(zhàn)場(chǎng)感知能力、指揮控制能力和多種武器平臺(tái)之間的互通能力。眼下新武器系統(tǒng)的開發(fā)已很重視以衛(wèi)星、無線電臺(tái)、光纖等通信網(wǎng)絡(luò)為中心來規(guī)劃武器平臺(tái)的任務(wù)與作戰(zhàn)需求。而設(shè)計(jì)武器系統(tǒng)和平臺(tái)配置、制訂武器系統(tǒng)的戰(zhàn)技指標(biāo)、積極為傳統(tǒng)武器平臺(tái)裝備先進(jìn)的傳感器與通信設(shè)備并加以改造，這些都對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)化軍用嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與軟硬件平臺(tái)提出了較高的要求。

將嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備結(jié)合起來的一個(gè)主要技術(shù)障礙在于網(wǎng)絡(luò)上面的各種通信協(xié)議對(duì)于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器、運(yùn)算速度等的要求比較高，而目前軍用嵌入式系統(tǒng)中除部分32位處理器以外，大量的也就是8位和16位MCU，這些MCM支持TCP／IP等標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將占用大量的系統(tǒng)資源，由此將嚴(yán)重制約著指揮作戰(zhàn)效能和網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

其實(shí)影響網(wǎng)絡(luò)兼容性、實(shí)時(shí)性和可靠性的因素很多(如硬件資源的存儲(chǔ)和計(jì)算能力、RTOS的實(shí)時(shí)性、TCP／lP的運(yùn)行效率等)，故在構(gòu)建基于嵌入式系統(tǒng)的控制和通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)特別注意。

2.3 數(shù)據(jù)的可靠性

軍用嵌入式系統(tǒng)在復(fù)雜多變的環(huán)境中應(yīng)用時(shí)，這對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性有更高的要求。為此，除了加強(qiáng)電源穩(wěn)定性和提供掉電故障出現(xiàn)的軟件保護(hù)外，還應(yīng)引入文件系統(tǒng)來完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理功能，以進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用于控制領(lǐng)域，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求不高，因此，嵌入式操作系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)沒有得到充分的重視。但隨著嵌入式技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，對(duì)數(shù)據(jù)操作的靈活性和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性都提出了越來越高的要求，需要開發(fā)相應(yīng)的文件系統(tǒng)，并應(yīng)在文件格式、外存管理等方面做出相應(yīng)改進(jìn)以適應(yīng)硬件特點(diǎn)。

Flash存儲(chǔ)芯片，電子盤DOC (Disk On Chip)等存儲(chǔ)器件具有成本低廉、存儲(chǔ)容量大、體積小、功耗低等特性，在嵌入系統(tǒng)中與磁盤相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為使用最廣泛的嵌入式系統(tǒng)外部存儲(chǔ)器。然而，任何硬件都有壽命的限制，存儲(chǔ)器件也不例外。一般的NOR型Flash每個(gè)扇區(qū)的擦寫壽命在100 000～1 000 000萬次之間，如果頻繁擦除某一個(gè)扇區(qū)就容易造成該扇區(qū)損壞，從而導(dǎo)致整個(gè)存儲(chǔ)芯片都不可用。眾所周知，文件系統(tǒng)使用了一段時(shí)間以后就會(huì)產(chǎn)生大量的“存儲(chǔ)碎片”，如果存儲(chǔ)算法不合理，就有可能使某些扇區(qū)被頻繁的擦除，從而使該扇區(qū)損壞。所以，文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)使Flash上各個(gè)扇區(qū)的擦除次數(shù)趨于平均，這對(duì)提高系統(tǒng)的可靠性非常必要。

2.4 人員的可靠性

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)起源于微型機(jī)，但有過很長(zhǎng)一段單片機(jī)的獨(dú)立發(fā)展道路。國(guó)內(nèi)熟悉8位MCU開發(fā)的設(shè)計(jì)人員以電子

工程和其他機(jī)電專業(yè)工程師為主體，這意味著精通嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人才在軍內(nèi)比較短缺，而且裝備研制單位和軍工行業(yè)更為突出。

過去設(shè)計(jì)人員往往以自己習(xí)慣性的電子技術(shù)應(yīng)用模式來從事單片機(jī)的應(yīng)用開發(fā)。這種模式的重要特點(diǎn)是缺少計(jì)算機(jī)工程設(shè)計(jì)方法，具有軟、硬件的底層性和隨意性。隨著軟、硬件技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)難度和復(fù)雜程度大大增加，且開發(fā)形式、開發(fā)平臺(tái)與開發(fā)語言也與以往有很大的不同，應(yīng)用模式也越來越多地帶有以計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用為主，同時(shí)具有網(wǎng)絡(luò)、通信、自動(dòng)化等多學(xué)科多專業(yè)交叉的特點(diǎn)。因而人員因素對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的可靠性有著不可忽視的影響。

在嵌入式系統(tǒng)的工程應(yīng)用中，C／C++和匯編語言是不可缺少的程序設(shè)計(jì)語言，而Java和Linux技術(shù)也越來越多地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。這就要求原有設(shè)計(jì)人員除了要具有基于嵌入式CPU、DSP等處理芯片的電路設(shè)計(jì)和調(diào)試技能外，還應(yīng)具備較好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及程序設(shè)計(jì)知識(shí)，方能勝任嵌入式系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)工作。

3 結(jié)束語

如今，新型武器裝備的研制以及現(xiàn)有武器的改造都會(huì)涉及到嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與升級(jí)，軍用嵌入式系統(tǒng)也正在向著更加智能化和網(wǎng)絡(luò)化的趨勢(shì)快速發(fā)展，由此，軍事科技專家預(yù)言： “嵌入式系統(tǒng)將會(huì)成為振興我國(guó)武器裝備的突破口”，而可靠性又是嵌入式系統(tǒng)的生命線，同時(shí)也是取得突破的重要保證。