基于嵌入式軟件架構(gòu)的可靠性分析方法

劉玉寶 祝海英

摘 要：提出了一個基于嵌入式軟件架構(gòu)分析方法，在開發(fā)初期對系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行可靠性分析，得到可能引起軟件失效的主要因素。

關(guān)鍵詞：可靠性分析 嵌入式軟件 軟件架構(gòu) 故障樹

中圖分類號：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（b）-0001-01

在嵌入式軟件開發(fā)中，一個很重要的質(zhì)量因素是可靠性[1]。為了降低風(fēng)險，需要有合適的可靠性分析和設(shè)計技術(shù)以便于及時預(yù)測潛在的失效。目前，工程領(lǐng)域普遍認(rèn)為可靠性分析不應(yīng)該僅僅在代碼級而還應(yīng)該在系統(tǒng)開發(fā)的早期進(jìn)行。因此，在軟件架構(gòu)分析中預(yù)測系統(tǒng)的質(zhì)量和潛在的風(fēng)險也很必要。

1 故障樹集合

為了描述嵌入式軟件架構(gòu)[2]中相關(guān)的失效因素，定義如下概念：

定義1：失效場景：失效場景是潛在的失效，它在特定的背景下可由外因或者內(nèi)因引發(fā)軟件的失效。

定義2：故障樹：一個故障樹是一個模型，它表示了故障和失效的因果關(guān)系。故障樹的樹根表示失效，葉子結(jié)點表示故障。

定義3：故障樹集合：故障樹集合是一個由故障樹集合組成的圖G（V，E）。G據(jù)有如下的性質(zhì)：

（1）V=F∪A。

（2）F是失效場景的集合，其中的每個場景都是和架構(gòu)元素相關(guān)的。Fu為F的子集，它是組成失效的失效場景的集合，該失效能被用戶感知（例如系統(tǒng)失效），F(xiàn)u中的頂點構(gòu)成故障樹的根節(jié)點。

（3）A是表示邏輯連接的邏輯門集合。A=AAND∪AOR，對于任意AAND或者AOR，其出度等于1并且其入度大于等于1。

（4）E是有向邊（u，v）的集合，u，v∈A。

圖1所示即為一個故障樹集合。這里，故障樹集合有兩個故障樹組成，F(xiàn)u={F1，F(xiàn)5}。左邊的故障樹表示F1由F2或F3引起，右邊一個表示F5由F4和F6共同引起。

2 定義嚴(yán)重性級別值

本文以一個多媒體播放系統(tǒng)為例，分析的主要是對用戶的感知產(chǎn)生重大影響的失效。例如完全黑屏要比瞬間的圖像扭曲的嚴(yán)重性級別要高。在計算某個單獨的葉子結(jié)點的失效概率之前，首先根據(jù)失效對用戶的影響給根節(jié)點失效賦予一個嚴(yán)重性級別值。本例中嚴(yán)重性級別為：1-非常低；2-低；3-中等；4-高；5-非常高。

嚴(yán)重性程度級別值的范圍為1～5。值越大表示它對用戶感知的影響程度越高。根失效的嚴(yán)重性級別通常用來決定故障樹集合中低層結(jié)點的嚴(yán)重性級別值。這些值由如下所示公式計算：

（1）

（2）

公式（1）定義了根失效的嚴(yán)重性級別的分配。公式（2）定義了低層結(jié)點f的嚴(yán)重性級別值分配。在此，P（v|f）代表f發(fā)生導(dǎo)致v發(fā)生的概率。把這個值乘以v的嚴(yán)重性級別計算出f的嚴(yán)重性級別值。

3 軟件架構(gòu)的分析

架構(gòu)分析[3]主要針對架構(gòu)中與可靠性相關(guān)的關(guān)鍵元素[4]。在此，考慮兩種類型的關(guān)鍵元素：（1）不可靠元素；（2）敏感元素。在架構(gòu)層次分析中，主要從用戶感知的角度，識別出和大多數(shù)關(guān)鍵失效相關(guān)的敏感元素。之后，在架構(gòu)元素層次的分析中，故障，錯誤類型和實際的失效源被識別出來。用這種方式，就把分析的目標(biāo)定位到用戶可以直接感知到的失效的可靠性分析上了。

本文采用和元素相關(guān)的失效百分比（PF）作為衡量指標(biāo)，對于每一個元素c，其失效百分比由下式計算：

（3）

據(jù)此，WPF值高的就是主要的失效元素。

4 結(jié)論

本文提出了一個基于軟件架構(gòu)可靠性分析方法，在軟件架構(gòu)的設(shè)計階段，對敏感的失效元素進(jìn)行分析，以便在嵌入式軟件的設(shè)計階段提高其可靠性。該方法比以往僅僅在硬件級水平和軟件的代碼實現(xiàn)級別實現(xiàn)可靠性的分析的水平上更進(jìn)一步，具有一定的科學(xué)性和實用性。

參考文獻(xiàn)

[1] McAllister， D.F.， Vouk， M.A.， 1996. Handbook of software reliability engineering. In： Lyu， M.R. （Ed.）， Fault-Tolerant Software Reliability Engineering[M]. McGraw-Hill， New York， pp. 567-613， Chapter 14.

[2] Dobrica， L.， Niemela， E.， 2002. A survey on software architecture analysis methods[M]. IEEE Transactions on Software Engineering，28（7），638-654.

[3] Daniel Perovich et al. Model-driven approach to software architecture design[J].Proceedings of the 2009 ICSE Workshop on Sharing and Reusing Architectural Knowledge， 2009：1-8.

[4] Magdalena Balazinska et al. Fault-tolerance in the Borealis distributed stream processing system[J]. Journal ACM Transactions on Database Systems，Volume 33 Issue 1， Article No. 3 ，2008.