嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)策略

湖南師范大學(xué)文學(xué)院 李達(dá)清

嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)策略

湖南師范大學(xué)文學(xué)院 李達(dá)清

在信息時(shí)代快速發(fā)展的背景下，計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ睢W(xué)習(xí)與工作中的重要組成部分。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，尤其是在航空航天、工程設(shè)計(jì)、精密器件生產(chǎn)管理等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。在此過(guò)程中，計(jì)算機(jī)具有的容錯(cuò)性至關(guān)重要?；诖?，本文以嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為例，對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)工作模式與系統(tǒng)容錯(cuò)策略進(jìn)行了分析，以供參考。

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；系統(tǒng)容錯(cuò)性；系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)

引言

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不斷創(chuàng)新與發(fā)展的背景下，容錯(cuò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)整體性能得到了有效提升，并被應(yīng)用于電子通信、工業(yè)制造、航空航天、公共服務(wù)等領(lǐng)域中，為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性提供了保障。對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)策略的研究，有利于進(jìn)一步明確并掌握嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題，為嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，以便進(jìn)一步提升計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)功能的最大化發(fā)揮。

1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)相關(guān)概述

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷創(chuàng)新與普及應(yīng)用，構(gòu)建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已成為各領(lǐng)域各行業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)工作中的重點(diǎn)內(nèi)容之一。隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值的提升，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性與運(yùn)行安全性問(wèn)題的研究被提上日程。而據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，受大數(shù)據(jù)以及我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的影響，提升計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要途徑在于強(qiáng)化系統(tǒng)的容錯(cuò)性。

容錯(cuò)（Fault-tolerance），通俗的說(shuō)就是容許錯(cuò)誤、容忍故障，。以嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為例，當(dāng)系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)硬件、軟件產(chǎn)生故障與錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)與診斷，并執(zhí)行既定程度，保證系統(tǒng)規(guī)定作用的正常發(fā)揮，進(jìn)行正常運(yùn)行。

因此，明確嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)策略，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)技術(shù)的有效應(yīng)用，是提高嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的重要舉措，具有一定研究?jī)r(jià)值。

2.嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)工作模式分析

現(xiàn)階段，在計(jì)算機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)一般分為以下幾個(gè)階段，進(jìn)行系統(tǒng)故障處理。

第一，系統(tǒng)故障檢測(cè)：由于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)故障最終結(jié)果多為邏輯故障，容錯(cuò)系統(tǒng)可通過(guò)“一致性校驗(yàn)”或“奇偶校驗(yàn)”進(jìn)行具體檢測(cè)。目前，在故障檢測(cè)主要分為兩種類型，即線檢測(cè)與離線檢測(cè)。其中，在線檢測(cè)具有實(shí)際檢測(cè)功能且與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行具體協(xié)調(diào)統(tǒng)一性，因此多被應(yīng)用于衛(wèi)星控制或軍事控制系統(tǒng)中，而在進(jìn)行離線檢測(cè)時(shí)，系統(tǒng)則不能進(jìn)行維持在工作狀態(tài)中。

第二，系統(tǒng)故障限制：嵌入式計(jì)算機(jī)容錯(cuò)故障限制模式主要是指，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，將影響系正常工作的因素或故障的影響性限制在一定范圍內(nèi)，用以避免系統(tǒng)故障對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的其他區(qū)域產(chǎn)生影響。

第三，系統(tǒng)重試：在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，瞬間故障作為系統(tǒng)不穩(wěn)定故障，對(duì)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性具有重要影響作用。而通常情況下，多數(shù)計(jì)算系控制系統(tǒng)統(tǒng)一操作具有二次重啟功能，該功能對(duì)受非物理性質(zhì)破壞的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)故障具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

第四，系統(tǒng)重組與修復(fù)：當(dāng)計(jì)算機(jī)容錯(cuò)系統(tǒng)檢測(cè)并判定計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)永久性故障時(shí)，系統(tǒng)容錯(cuò)則側(cè)重于對(duì)重組系統(tǒng)元件與失效系統(tǒng)元件的替換與分離。修復(fù)則主要是指當(dāng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，對(duì)故障元件進(jìn)行替換，用以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，該操作可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在線或離線轉(zhuǎn)態(tài)的同時(shí)進(jìn)行[3]。

第五，系統(tǒng)屏蔽：系統(tǒng)屏蔽主要是指，為避免出現(xiàn)故障區(qū)域或節(jié)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，采用將多模表決冗余或邏輯屏蔽的方法將故障效應(yīng)進(jìn)行遮蓋。在此過(guò)程中，當(dāng)冗余資源被消耗殆盡時(shí)，系統(tǒng)設(shè)備將產(chǎn)生輸出錯(cuò)誤。

第六，系統(tǒng)恢復(fù)：在進(jìn)行系統(tǒng)重組、屏蔽等操作后，借助于系統(tǒng)軟件程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障轉(zhuǎn)態(tài)向系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)的恢復(fù)。

3.嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)策略分析

嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)策略，是容錯(cuò)技術(shù)與亢余技術(shù)的整合設(shè)計(jì)。為提升嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)能力，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)故障頻發(fā)單元中，適當(dāng)加入亢余計(jì)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化系統(tǒng)容錯(cuò)性。

由于嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)共同組成，因此系統(tǒng)容錯(cuò)策略可分為系統(tǒng)硬件的容錯(cuò)策略與系統(tǒng)軟件的容錯(cuò)策略。近年來(lái)隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)呈現(xiàn)智能化發(fā)展，智能化硬件系統(tǒng)容錯(cuò)策略在基于亢余技術(shù)的實(shí)現(xiàn)得到提升。其中，電路級(jí)冗余、靜態(tài)冗余、動(dòng)態(tài)冗余、靜態(tài)冗余與動(dòng)態(tài)冗余混合設(shè)計(jì)，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)容錯(cuò)策略工作模式的順利執(zhí)行，在一定程度上保證了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性。

在計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的容錯(cuò)策略中，主要采用“指令冗余”與“軟件陷阱”兩種容錯(cuò)設(shè)計(jì)進(jìn)行方法的具體體現(xiàn)：其一，指令冗余：指令冗余是提升嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)性能的重要手段，主要由“操作數(shù)”與“操作碼”共同組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中CPU所執(zhí)行并完善的所有操作多由操作碼在基于操作數(shù)的技術(shù)性進(jìn)行指明的[4]。而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，無(wú)論是操作碼，還是操作數(shù)其指令控制皆由程序計(jì)數(shù)器PC完成，因此一旦PC遇到干擾產(chǎn)生故障，將對(duì)其他指令產(chǎn)生重要影響，致使系統(tǒng)程序脫離正常運(yùn)行軌道，形成“跑飛”現(xiàn)象。在嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)中通過(guò)進(jìn)行指令冗余設(shè)計(jì)，則可有效改善上述問(wèn)題，降低跑飛程序發(fā)生機(jī)率，通過(guò)單字節(jié)指令將跑飛的程序引導(dǎo)至原有軌道。與此同時(shí)，在雙字節(jié)指令、多字節(jié)指令后面適當(dāng)?shù)牟迦隢OP單字節(jié)指令，可有效提升各指令之間的關(guān)聯(lián)性與緊密性，改善指令整體質(zhì)量。NOP指令依據(jù)自身所具有的本質(zhì)特性，可有效控制跑飛程序?qū)?duì)操作數(shù)上其他程度的影響，提升系統(tǒng)容錯(cuò)性。此外，也可利用指令冗余技術(shù)提升嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)策略中“系統(tǒng)重復(fù)”作用的最大化發(fā)揮，即在容錯(cuò)重復(fù)系統(tǒng)中設(shè)置一定量的重要重復(fù)指令，在保證指令科學(xué)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)中重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行審核，通過(guò)不斷的審核及時(shí)探尋系統(tǒng)程序中存在的問(wèn)題并給予有效的修正，提升系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)確性與可靠性。其二，軟件陷阱：據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析與資料整合發(fā)展，在嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)中，通過(guò)創(chuàng)設(shè)一定的軟件陷阱，可效提升控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，減低程序錯(cuò)誤的影響性。即，嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)中所設(shè)置的軟件陷阱，通過(guò)利用相應(yīng)的指令對(duì)跑飛程序進(jìn)行及時(shí)撲捉；其次，軟件陷阱將跑飛程序引入到復(fù)位入口，并在過(guò)程中對(duì)應(yīng)程度問(wèn)題產(chǎn)生的各項(xiàng)故障進(jìn)行實(shí)質(zhì)性處理，避免因部分程序錯(cuò)誤而影響系統(tǒng)整體程序錯(cuò)誤，用以保證計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。目前，常用的軟件陷阱方法主要有“運(yùn)行程序區(qū)”、“中斷服務(wù)區(qū)”以及“未使用的ROM空間”，在軟件陷阱設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中，需根據(jù)實(shí)際需求與軟件規(guī)模特性進(jìn)行合理設(shè)置。例如，在運(yùn)行程序區(qū)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可利用“模塊化”設(shè)計(jì)形式在用戶計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)空白程序模塊中，設(shè)置既定陷阱指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)跑飛程序的有效控制；而中斷服務(wù)程序區(qū)主要是通過(guò)在系統(tǒng)主程序運(yùn)行區(qū)域內(nèi)布設(shè)“計(jì)時(shí)器”，當(dāng)遇到跑飛程序時(shí)，執(zhí)行定時(shí)中斷，用以避免跑飛程序影響性的擴(kuò)散；對(duì)ROM空間的設(shè)計(jì)，通常情況下需保留一部分空間用以為跑飛程序的引導(dǎo)提升前提條件，保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性[5]。

4.結(jié)論

綜上所述，本文對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述、容錯(cuò)工作模式以及系統(tǒng)可靠性提升策略進(jìn)行了分析，以期進(jìn)一步明確并掌握嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)策略，提升嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，為我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的優(yōu)化發(fā)展，提供有益幫助。

[1]劉曄．計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)[J]．信息通信,2016,02:133-134．

[2]謝建洲．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)研究[J]．電腦知識(shí)與技術(shù),2016(06)．

[3]呂迅竑,姜斌,陳欣,等．無(wú)人機(jī)容錯(cuò)飛行控制計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究[J]．系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2016,11:2586-2597．