準(zhǔn)時的重要性:為嵌入式列車控制系統(tǒng)選擇操作系統(tǒng)

為確保安全和效率，鐵路和運輸系統(tǒng)正在實施各種保護系統(tǒng)，如列車自動保護（ATP）、積極列車控制（PTC）和基于通信的列車控制(CBTC)等。地鐵和其他軌道交通系統(tǒng)正在采用自動列車操作（ATO）系統(tǒng)并運行“無人駕駛”列車(沒有駕駛員或駕駛員只用來處理緊急情況的列車)。

這些控制系統(tǒng)與安全息息相關(guān)。它們必須滿足IEC 61508和EN 5012x標(biāo)準(zhǔn)中所設(shè)定的嚴(yán)格可靠性要求。本文側(cè)重于介紹操作系統(tǒng)中對系統(tǒng)可靠性帶來最直接影響的一些特點：確保實時性的架構(gòu)特性、故障分離和故障恢復(fù)等功能。



圖1 新西蘭的ONTRACK安裝了一個四頻道RoIP裝置，命名為ORC，作為IP網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)的VHF/IHF無線電網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁，用于促進列車安全運行和追蹤軌道工人的位置。

標(biāo)準(zhǔn)

二十年前，歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會頒發(fā)了鐵路應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)EN 50126，它定義了可靠性、可用性、可維護性和安全性的規(guī)范，同時頒布了用于鐵路控制和保護系統(tǒng)軟件的標(biāo)準(zhǔn)EN50128和用于發(fā)送信號的安全相關(guān)的電子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)EN 50129。

EN 50128:強調(diào)了軟件架構(gòu)的重要性：“軟件架構(gòu)是軟件和軟件安全完整性等級開發(fā)的基本安全策略。”規(guī)定如果要求SIL 3 或SIL 4的系統(tǒng)部署COTS（商用現(xiàn)成）軟件，“應(yīng)定義一個策略以檢測COTS軟件的故障并保護系統(tǒng)免于故障”。

可靠性和隔離性

在一個軟件系統(tǒng)中，可靠性是可用性和可靠性的組合。這些品質(zhì)主要取決于操作系統(tǒng)審計架構(gòu)。

操作系統(tǒng)架構(gòu)是整個系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)，它決定了將組件與不同的SIL要求進行分離的難度和成本。

例如，一個ATO系統(tǒng)可能包含了一個顯示非關(guān)鍵信息的多媒體組件。該組件只需要達到SIL1或甚至SIL 0（EN標(biāo)準(zhǔn)為非安全相關(guān)的軟件定義了SIL 0）就可以了，而關(guān)鍵組件（處理與軌旁基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的通信、管理減速和制動，報警等）則需要SIL 3或更高的認(rèn)證。一個有利于SIL 0組件分離的架構(gòu)不能在系統(tǒng)的安全關(guān)鍵部分上妥協(xié)：

a) 簡化設(shè)計，允許以最少的集成工作為SIL 0組件使用COTS軟件

b) eli消除了為滿足SIL 3要求而產(chǎn)生的設(shè)計、構(gòu)建和驗證非關(guān)鍵組件的成本。

c) 由于它減少了安全關(guān)鍵系統(tǒng)的范圍，側(cè)重于關(guān)鍵系統(tǒng)組件的開發(fā)和驗證，使得整體系統(tǒng)更為安全。

架構(gòu)

支持可靠性保證的操作系統(tǒng)通常被稱為實時操作系統(tǒng)（RTOS）。實時操作系統(tǒng)的架構(gòu)是不同的。最常見的架構(gòu)是實時執(zhí)行、單片式和微內(nèi)核。

實時執(zhí)行

盡管已有50年歷史，實時執(zhí)行模式依然是許多實時操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在此模式中，所有軟件組件—內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用程序均在單一的內(nèi)存地址空間里運行。

雖然有效，但該架構(gòu)有兩大弱點。首先，任何模塊中的單一指針錯誤均能破壞內(nèi)核或任何其它模塊所使用的內(nèi)存，從而可能導(dǎo)致系統(tǒng)范圍內(nèi)的故障。其次，系統(tǒng)崩潰也許沒有留下幫助識別錯誤的診斷信息。

宏內(nèi)核

宏內(nèi)核實時操作系統(tǒng)通過使用一個架構(gòu)解決了內(nèi)存錯誤所引起的系統(tǒng)崩潰的問題，在該架構(gòu)里，用戶應(yīng)用程序作為內(nèi)存保護進程而運行。

該架構(gòu)保護了內(nèi)核免于錯誤的用戶代碼，但內(nèi)核組件仍舊與文件系統(tǒng)、協(xié)議棧和驅(qū)動程序共享地址空間。因此，這些服務(wù)中的任何一個錯誤都能讓系統(tǒng)崩潰。例如，在一個Linux操作系統(tǒng)中，驅(qū)動程序組成75%的代碼，每一行顯示能達到內(nèi)核的潛在錯誤。與實時執(zhí)行操作系統(tǒng)一樣，單片式操作系統(tǒng)架構(gòu)的系統(tǒng)也許難于滿足可靠性的要求。

微內(nèi)核

在一個微內(nèi)核實時操作系統(tǒng)中，應(yīng)用程序、設(shè)備驅(qū)動程序、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧存在于內(nèi)核之外的一個獨立的地址空間；它們即與內(nèi)核分離而且彼此分離。某一個組件中的故障不會波及系統(tǒng)。此外，由于它同樣以可預(yù)見的方式運行，因此系統(tǒng)能重啟故障組件。



圖2 微內(nèi)核：組件彼此分離，一個組件的故障不會波及整個系統(tǒng)


對于安全相關(guān)的系統(tǒng)，內(nèi)核與其它組件彼此分離是有利的。不是所有的組件都需要實現(xiàn)系統(tǒng)的安全關(guān)鍵部分所需的SIL。所要求的是較低級別的SIL組件能與安全關(guān)鍵組件分離。

這種分離也能通過虛擬機實現(xiàn)（管理程序），但這種策略通常需要更強大的處理器，這限制了合適的處理器的選擇并增加了成本。它也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，并可能影響實時性能。

實時操作系統(tǒng)的關(guān)鍵特點

微內(nèi)核架構(gòu)只是實現(xiàn)操作系統(tǒng)可靠性的一個特點。其它關(guān)鍵特點包括：

• 通過搶占低優(yōu)先級的內(nèi)核調(diào)用來滿足實時性的承諾

• 由于優(yōu)先級反轉(zhuǎn)，防止不可預(yù)知的行為和系統(tǒng)故障

• 保證CPU資源調(diào)度的可用性以防止關(guān)鍵進程饑餓

• 利用軟件看門狗監(jiān)視進程，并在組件發(fā)生故障時采取糾正行動