嵌入式雙機容錯實時系統(tǒng)的設計

容錯實時系統(tǒng)的研究主要集中在兩個方面：① 改進實時調度算法，使之確保實時任務在正常運行和遇到錯誤時，均能在規(guī)定時限到來以前獲得正確的輸出。② 將過去應用于普通計算機系統(tǒng)中的冗余容錯策略移植到實時系統(tǒng)中。

在具有硬件容錯能力的計算機系統(tǒng)中，其失效65%來自軟件，僅有8%來自于硬件。因此，軟件容錯能力成為決定計算機系統(tǒng)可靠性的關鍵。為了在出現硬件或軟件的暫時或永久故障的情況下，保證關鍵任務仍能在規(guī)定的時限范圍內完成運算，并輸出正確的結果，提出一種雙處理器實時嵌入式容錯系統(tǒng)體系結構。該系統(tǒng)結構采用多處理器體系結構，實現計算機之間的通信，并無縫整合了計算機硬件、操作系統(tǒng)、應用軟件級的軟件容錯設計，達到從整體上提高系統(tǒng)可靠性的目的。

1 雙機容錯實時系統(tǒng)的體系結構

本系統(tǒng)采用圖1所示的雙機容錯系統(tǒng)硬件結構模型。該系統(tǒng)在雙機比較系統(tǒng)的基礎上，結合多處理機的松耦合與緊耦合系統(tǒng)結構，在不同的處理機間通過通道互連實現通信，為在硬件容錯中結合軟件容錯提供可能。

圖1 雙機容錯系統(tǒng)結構模型

A機和B機各有獨自的外圍控制邏輯和外設，這樣不會引起系統(tǒng)資源的競爭，增加整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當然，這樣是以花費更多的硬件設施為代價的。比較器及不一致檢測用專門設計的仲裁檢測電路來實現，其根據A機與B機周期向其發(fā)送的自檢測信號來判斷A機系統(tǒng)和B機系統(tǒng)運行的狀況。

雙機系統(tǒng)的運行狀態(tài)如下：

① 如果A機與B機均正常運行，則將計算機A作為主系統(tǒng)，計算機B作為備份使用，A機的運行結果作為系統(tǒng)輸出，A機運行到檢測點，向B機發(fā)送日志，B機更新日志列表。

② 如果A機正常而B機故障，亦將A機的運行結果作為系統(tǒng)輸出，同時將B機的運行故障狀態(tài)報告給A機，并向B機進行復位控制操作。

③ 如果A機故障，B機正常，則進行開關切換操作，B機進行系統(tǒng)備份任務重調度，B機運行結果作為系統(tǒng)輸出，并向A機進行復位控制操作，在檢測點更新A機日志，保持需要備份的任務狀態(tài)一致。

2 軟件設計與實現

圖2所示模型結合嵌入式實時系統(tǒng)的體系結構，采用層次結構和模塊結構相結合，無縫整合了計算機硬件、操作系統(tǒng)、應用軟件級的軟件容錯設計。在整體上采用分層的結構模型，克服了軟、硬件分離和脫節(jié)的問題，提高系統(tǒng)的靈活性和可移植性。模型的每一層均可以看作是一個相對獨立的系統(tǒng)。在每一層中按照系統(tǒng)功能，劃分不同的功能模塊。

圖2 雙機容錯系統(tǒng)軟件體系結構

該系統(tǒng)采用對稱結構，為支持容錯處理，每個節(jié)點從下到上分為3個主要部分，即MCFT(Multiprocessor CommunicatiON for Fault Tolerance)、RTOS系統(tǒng)級容錯組件、任務級動態(tài)冗余組件。

2.1 多機容錯通信模塊MCFT

在操作系統(tǒng)與硬件之間加入MCFT層，MCFT作為BSP(Board Support Package)的一部分，作為硬件平臺的抽象層，為操作系統(tǒng)提供統(tǒng)一的界面，提高系統(tǒng)的可移植性。有容錯需求的任務，通過MCFT所提供的功能傳遞日志，保持主系統(tǒng)和備份系統(tǒng)的關鍵任務的狀態(tài)和數據一致。MCFT屏蔽了底層通信的具體實現細節(jié)，使系統(tǒng)的實現與連接介質無關。

MPFT管理著一些數據包，并且在各個節(jié)點之間發(fā)送和接收這些數據包，數據包的結構如下：

2.2 RTOS系統(tǒng)級容錯組件

RTOS系統(tǒng)級容錯組件，包括系統(tǒng)內核級容錯支持組件、系統(tǒng)自診斷組件和主/備用機切換支持組件。

(1) 內核級容錯支持組件

為支持操作系統(tǒng)級和應用級通信，在該系統(tǒng)中，每個節(jié)點上保存兩個對象表，一個本地任務表，一個容錯任務表。本地任務表在每個節(jié)點上都是不同的，它包含在此節(jié)點上創(chuàng)建的所有任務。容錯對象表包含系統(tǒng)中所有的容錯任務，在所有節(jié)點上是一樣的。為保持在所有節(jié)點上容錯任務表的一致性，每個節(jié)點對容錯對象的創(chuàng)建、刪除等都必須通知給備份節(jié)點。利用檢查點技術和傳遞日志法，保持主系統(tǒng)和備份系統(tǒng)的備份任務的狀態(tài)和數據一致。一旦主機發(fā)生故障，系統(tǒng)程序自動進行主/備用機切換，備用機系統(tǒng)使備份任務就緒，利用實時任務的調度策略，使備份任務在備份機上發(fā)生重調度，成為主機。

(2) 系統(tǒng)自診斷組件

如圖3所示，系統(tǒng)中采用自診斷的方法來診斷系統(tǒng)級的故障，用任務級的檢測來診斷應用級的故障。

自診斷劃分為幾個不同的測試階段，系統(tǒng)啟動自檢測階段和周期自檢測階段。自動啟動診斷的因素有：主/備用機定時切換和主機發(fā)生故障。周期自檢測階段根據系統(tǒng)需求，周期性檢測外設和通信口。每個階段對應設備的幾種功能塊，包括CPU的自診斷、中斷響應自診斷、串口自診斷、定時器自診斷、離散量自診斷、RAM自診斷等。

由于結果比較是實時系統(tǒng)中任何事務處理都需要經歷的步驟，因此把任務級的故障檢測放到結果判別部分進行。

(3) 主/備用機切換支持組件

仲裁檢測電路中對主/備用機設置了“看門狗”監(jiān)視器。當主/備用機處于正常工作狀態(tài)時，運行于CPU上的某一任務周期性地對“看門狗”施加復位信號，這樣，“看門狗”計數器就不可能產生溢出觸發(fā)信號;當CPU出現故障時，“看門狗”會輸出一個離散觸發(fā)信號并發(fā)出報警，此時，系統(tǒng)進行自動切換，讓備用的系統(tǒng)機工作。

圖3 主控流程

2.3 任務級動態(tài)冗余

在實時多任務系統(tǒng)中，采用另一種軟件冗余方法——任務級動態(tài)冗余。任務級動態(tài)冗余方法是實時系統(tǒng)中瞬間故障的恢復方法之一。

在實時多任務的環(huán)境下，充分利用操作系統(tǒng)提供的功能，對各個基本任務建立后備任務作為冗余，并對后備任務進行容錯調度，從而起到類似于重試或卷回恢復的作用。利用檢查點技術和傳遞日志法保持主系統(tǒng)和備份系統(tǒng)的狀態(tài)的一致性，實現錯誤恢復，有較高的性價比。

根據應用程序，結合實時性要求，采用以下的措施：

① 把應用程序分解成多個任務，任務以過程的形式出現，各個任務進入運行的順序是從1到n，并在每個任務的最后設置檢查點，傳遞日志。

② 根據應用程序的要求事先給各個任務安排優(yōu)先級，使得任務可以根據要求及時占有處理器，實現實時處理。

③ 為各基本任務準備一個后備任務存放在內存中，平時后備任務不建立，不占有系統(tǒng)資源，僅在需要時才激活使用，后備任務的優(yōu)先級比相應的優(yōu)先級要高。馬上建立就搶占執(zhí)行，是某種意義上的重試或程序卷回。

④ 為實現恢復功能的后備任務,可以和原有任務完全一樣，也可以是替換算法。

下面的算法能為各個任務產生容錯調度，從而實現任務冗余：

當后備任務執(zhí)行了Nmax次之后還通不過檢測，就認為系統(tǒng)出現永久故障，系統(tǒng)報警。Nmax是個閥門值，是由實時要求所決定的。

3 可靠性分析

在考慮了雙機的切換問題(包括切入成功率，與此相關的切入時間和再次切入的時間及其故障判別問題)后，完整的雙機容錯系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)可用度為

其中:λ為平均失效率，β為故障診斷率，是平均診斷時間的倒數;μ為平均維修率，是平均維修時間的倒數;α為加入失效率，是平均切入時間的倒數;C為故障判別率;α′為再次切入失效率,是再次切入時間的倒數(重啟雙工時間的倒數);D為切入成功率。

采用對稱雙機系統(tǒng)，在典型值的計算中可以獲得99.99995%的可用度。

4 結論

隨著實時系統(tǒng)在安全領域內越來越多的應用，可靠性已經成為衡量系統(tǒng)優(yōu)劣的重要因素之一。傳統(tǒng)的實時系統(tǒng)容錯只滿足了系統(tǒng)某一方面的容錯需求。為了在出現硬件或軟件的暫時或永久故障的情況下，系統(tǒng)仍能在規(guī)定的時限范圍內完成運算，并輸出正確的結果，本文提出一個軟、硬件結合的完整的解決方案，能滿足系統(tǒng)的強實時性、高可靠性、服務不斷流的要求。此方案應用于RteMS中，具有很高的可靠性。