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雜，系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的現(xiàn)象愈來愈嚴重，因此，可靠性已經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)更應高度重視其可靠性設計、測試和評估技術，應把可靠性作為嵌入式系統(tǒng)最重要的指標優(yōu)先考慮。這一方面是因為嵌入式系統(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、信號串擾、電磁干擾與靜電防護等方面的可靠性設計問題。

另一方面，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)應用也為可靠性設計提供了有效手段(如軟件抗干擾、仿真測試等可靠性技術)。然而，由于主要的處理器芯片和操作系統(tǒng)的核心技術掌握于國外廠商手中，我國的嵌入式技術大都集中在嵌入式應用領域，市場上的嵌入式基礎技術與開發(fā)平臺大部分為國外品牌所控制，所以，我們應充分掌握嵌入式技術的最新發(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 架構的可靠性

目前，我國自行研制的常規(guī)兵器及檢測器材中的嵌入式系統(tǒng)以加固型微機和專用計算機組件較為多見。前者是將通用 微型計算機經機械加固和電氣加固，并配置各種外圍接口電路，從而構成各種作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)或檢測系統(tǒng)；后者則以自行設計多個插件的形式構成計算機系統(tǒng)?？傊?，采用芯片級或板級嵌入式模塊的還不多，并且較多采用的是MC51系列／X86系列處理器體系結構，這與近些年來嵌入式技術的快速發(fā)展和軍事裝備更復雜的功能需求已不相適應，并在較大程度上制約了武器裝備性能的進一步發(fā)揮與系統(tǒng)可靠性的提高。

為此，設計時首先要選擇合適的高性能嵌入式處理器。這對于提高系統(tǒng)可靠性起著至關重要的作用。國內外的工程實踐證明，在許多時候，電子元器件的失效并不是因為電子元器件的固有可靠性不高，而是由于系統(tǒng)設計者的選擇和使用不當造成的。資料顯示，由于使用不當而造成的電子元器件失效約占整個電子元器件失效的50％左右。因此，設計者應首先對要選用的處理器以及相關元器件進行充分地了解和選擇，并在使用過程中采取適當?shù)拇胧?，打好系統(tǒng)可靠性的基礎。例如不同類型處理器的抗干擾能力和接口驅動能力是不一樣的，因此在選用時應避免選擇能力弱的型號。就發(fā)展趨勢而言，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、定時器、通信接口、存儲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大的嵌入式處理器。由于集成度高、構成系統(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，我們也應認識到，轉用32位架構不僅能提升性能，還能降低制造成本和系統(tǒng)功耗，縮短研制時間，并可提供不斷擴展和更新的方案，從而使裝備具有持續(xù)升級的能力，延長裝備的壽命周期。

所眾周知，20世紀90年代后，商用計算機在技術上已超過了軍用計算機。為了引進更先進的計算機技術，縮短研制周期，降低訂購價格，軍用嵌入式系統(tǒng)應由過去“一切自行設計”逐步采用商用成熟技術和開放系統(tǒng)結構標準。比如引入實時操作系統(tǒng)RTOS(Real-Time Operaing Sys-tem)可有效解決嵌入式軟件開發(fā)標準化的難題，促進軍用嵌入式軟件的可互操作性、可重復利用性和可移植性。

2.2 網(wǎng)絡可靠性

隨著網(wǎng)絡中心戰(zhàn)概念的提出，武器裝備發(fā)展的中心將有所轉移，更加依賴戰(zhàn)場感知能力、指揮控制能力和多種武器平臺之間的互通能力。眼下新武器系統(tǒng)的開發(fā)已很重視以衛(wèi)星、無線電臺、光纖等通信網(wǎng)絡為中心來規(guī)劃武器平臺的任務與作戰(zhàn)需求。而設計武器系統(tǒng)和平臺配置、制訂武器系統(tǒng)的戰(zhàn)技指標、積極為傳統(tǒng)武器平臺裝備先進的傳感器與通信設備并加以改造，這些都對當前網(wǎng)絡化軍用嵌入式系統(tǒng)的體系結構與軟硬件平臺提出了較高的要求。

將嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡設備結合起來的一個主要技術障礙在于網(wǎng)絡上面的各種通信協(xié)議對于計算機存儲器、運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等標準網(wǎng)絡協(xié)議將占用大量的系統(tǒng)資源，由此將嚴重制約著指揮作戰(zhàn)效能和網(wǎng)絡的可靠性。

其實影響網(wǎng)絡兼容性、實時性和可靠性的因素很多(如硬件資源的存儲和計算能力、RTOS的實時性、TCP／lP的運行效率等)，故在構建基于嵌入式系統(tǒng)的控制和通信網(wǎng)絡時應特別注意。

2.3 數(shù)據(jù)的可靠性

軍用嵌入式系統(tǒng)在復雜多變的環(huán)境中應用時，這對數(shù)據(jù)存儲的可靠性有更高的要求。為此，除了加強電源穩(wěn)定性和提供掉電故障出現(xiàn)的軟件保護外，還應引入文件系統(tǒng)來完成數(shù)據(jù)的存儲和管理功能，以進一步增強系統(tǒng)可靠性。

傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)主要應用于控制領域，對數(shù)據(jù)存儲要求不高，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。但隨著嵌入式技術應用領域的拓展，對數(shù)據(jù)操作的靈活性和數(shù)據(jù)存儲的可靠性都提出了越來越高的要求，需要開發(fā)相應的文件系統(tǒng)，并應在文件格式、外存管理等方面做出相應改進以適應硬件特點。

Flash存儲芯片，電子盤DOC (Disk On Chip)等存儲器件具有成本低廉、存儲容量大、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，已經成為使用最廣泛的嵌入式系統(tǒng)外部存儲器。然而，任何硬件都有壽命的限制，存儲器件也不例外。一般的NOR型Flash每個扇區(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扇區(qū)就容易造成該扇區(qū)損壞，從而導致整個存儲芯片都不可用。眾所周知，文件系統(tǒng)使用了一段時間以后就會產生大量的“存儲碎片”，如果存儲算法不合理，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)的設計應使Flash上各個扇區(qū)的擦除次數(shù)趨于平均，這對提高系統(tǒng)的可靠性非常必要。

2.4 人員的可靠性

嵌入式計算機系統(tǒng)起源于微型機，但有過很長一段單片機的獨立發(fā)展道路。國內熟悉8位MCU開發(fā)的設計人員以電子

工程和其他機電專業(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。

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

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

3 結束語

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