明智的OS策略為醫(yī)療設(shè)備的多核設(shè)計(jì)鋪平道路

醫(yī)療設(shè)備制造商在將產(chǎn)品推向市場(chǎng)所面臨的諸多挑戰(zhàn)中，獲得監(jiān)管部門的批準(zhǔn)是必過一關(guān)，只有獲得相應(yīng)核準(zhǔn)，制造商才能出售其設(shè)備。為此，許多醫(yī)療設(shè)備制造商在采用多核系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)倍加小心，他們擔(dān)心多核的復(fù)雜性會(huì)妨礙其產(chǎn)品順利通過監(jiān)管機(jī)構(gòu)的審核。

的確，多核處理使軟件系統(tǒng)更趨復(fù)雜。但是無(wú)論系統(tǒng)運(yùn)行在一個(gè)、兩個(gè)或16個(gè)處理器之上，當(dāng)今的系統(tǒng)都已太過復(fù)雜，以致無(wú)法通過單獨(dú)測(cè)試來進(jìn)行驗(yàn)證。因此，設(shè)備制造商應(yīng)該熟悉針對(duì)多核系統(tǒng)開發(fā)他們所需的驗(yàn)證技術(shù)。

本文討論基于多核處理器的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)的安全要求驗(yàn)證問題，并分析可助力醫(yī)療設(shè)備向多核設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移的操作系統(tǒng)具有哪些特點(diǎn)。

醫(yī)療設(shè)備對(duì)日益復(fù)雜的用戶界面和高清成像(兩者都對(duì)計(jì)算能力有巨大需求)等特性的需求不斷攀升，這使得對(duì)多核處理的需求水漲船高。即便醫(yī)療系統(tǒng)支持越來越豐富的先進(jìn)功能，它們通常也還必須滿足輕便、低功耗和低發(fā)熱的要求。

單核難以滿足上述這些要求，因?yàn)橥ㄟ^增加處理器時(shí)鐘速率提升計(jì)算能力的方法存在三個(gè)局限性。首先，功耗和發(fā)熱的增加速度快于時(shí)鐘速率的提升速度。其次，存儲(chǔ)器的速度跟不上處理器的速度。最后，資源、控制和數(shù)據(jù)間的依賴關(guān)系限制了單指令流所允許的并行程度。

關(guān)鍵的操作系統(tǒng)要求

對(duì)可靠性和可用性都是必要條件的醫(yī)療設(shè)備來說，可能會(huì)需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，而這種RTOS需要支持對(duì)稱多處理。推薦使用一款可將進(jìn)程分配給多個(gè)內(nèi)核處理的單一操作系統(tǒng)，因?yàn)檫@種方法會(huì)比支持異步處理、且在每個(gè)處理器上采用不同操作系統(tǒng)，甚至是在不同核上采用不同操作系統(tǒng)等情況更容易。

選定的RTOS必須能防范由系統(tǒng)引發(fā)的故障，而且必須在出現(xiàn)故障時(shí)能夠重啟相應(yīng)組件。在大多數(shù)情況下，最優(yōu)選擇是一個(gè)微核架構(gòu)。其中，應(yīng)用、設(shè)備驅(qū)程、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧都駐留在核外的獨(dú)立地址空間，因而它們彼此之間，以及它們與核之間都是隔離的。

多核系統(tǒng)存在大量的進(jìn)程和線程，因此具有軟件看門狗至關(guān)重要?？撮T狗是一個(gè)用戶空間的故障恢復(fù)過程，它可以檢測(cè)出故障，并立即將系統(tǒng)恢復(fù)到安全狀態(tài)，或在不犧牲安全性的前提下，重啟失敗的進(jìn)程。

為確保系統(tǒng)的可靠性，RTOS還應(yīng)支持：1. 時(shí)間分割(最好自適應(yīng))，以確保關(guān)鍵流程不會(huì)因CPU周期不夠用而無(wú)法完成；2. 優(yōu)先級(jí)繼承，以防止優(yōu)先級(jí)倒置；3. 處理器親和性，它允許設(shè)計(jì)師將特定的父進(jìn)程和子進(jìn)程僅指派給特定內(nèi)核。

設(shè)計(jì)者可以確切地決定他們要如何使用系統(tǒng)內(nèi)可用的多個(gè)核。例如，他們可將非關(guān)鍵的、但計(jì)算密集的進(jìn)程交由任何可用的內(nèi)核處理，或是僅分配給一個(gè)有限的內(nèi)核子集，同時(shí)將關(guān)鍵部分交由一個(gè)固定核處理，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、調(diào)試和驗(yàn)證。

開發(fā)工具

開發(fā)人員需要為支持多核開發(fā)、調(diào)試和優(yōu)化而專門設(shè)計(jì)的工具。一個(gè)工具集應(yīng)支持多核RTOS，該RTOS允許開發(fā)者評(píng)估負(fù)載平衡、識(shí)別瓶頸、確定并發(fā)可能性、表征和調(diào)試運(yùn)行于多個(gè)CPU上的線程間的相互作用；在內(nèi)核間移動(dòng)線程或進(jìn)程，并測(cè)度其對(duì)系統(tǒng)造成的影響。時(shí)序和阻塞是棘手的問題，所以工具集應(yīng)為設(shè)計(jì)師提供一種探究處理器和線程正在做什么的手段。

滿足認(rèn)證要求

符合要求是醫(yī)療設(shè)備準(zhǔn)入市場(chǎng)的必要條件——是投資可以轉(zhuǎn)化成收入前必須滿足的必要條件。因此，除了合適的OS特性和工具集功能外，醫(yī)療設(shè)備需要一個(gè)精心策劃的審批策略。

多核系統(tǒng)的復(fù)雜性可能會(huì)妨礙最終產(chǎn)品的認(rèn)證，因而一些醫(yī)療制造商對(duì)采用多核處理猶豫不決。但值得注意的是，單核系統(tǒng)也存在固有的復(fù)雜性，這意味著，在實(shí)踐中，即便是單核系統(tǒng)也不可能僅借助測(cè)試就可對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。多核和單核系統(tǒng)都是如此復(fù)雜，要展示它們的功能安全就需要技術(shù)組合，相同的技術(shù)能夠且應(yīng)該同時(shí)用于驗(yàn)證單核和多核系統(tǒng)。

為驗(yàn)證軟件系統(tǒng)，無(wú)論其是運(yùn)行在單核或多核之上，測(cè)試、統(tǒng)計(jì)分析和設(shè)計(jì)驗(yàn)證要互為補(bǔ)充、統(tǒng)籌考慮。對(duì)于經(jīng)歷過系統(tǒng)通過認(rèn)證或批準(zhǔn)過程的人來說，他們應(yīng)該熟知所需的必要技術(shù)。這些技術(shù)包括：

測(cè)試。雖然測(cè)試只能證明缺陷的存在，而無(wú)法證明不存在缺陷，但在任何系統(tǒng)驗(yàn)證策略中，測(cè)試仍是關(guān)鍵要素。

統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)用過的設(shè)備或部件的使用數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析可被用作支持可靠性要求。在驗(yàn)證時(shí)，它也可與故障注入一起使用，用以評(píng)估系統(tǒng)中殘留的故障。

故障樹分析。以潛在或?qū)嶋H的故障開始，故障樹分析可用于推斷出可能的故障原因。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證。通過在開發(fā)過程中應(yīng)用并借助Spin和NuSMV等工具進(jìn)行回顧性分析，設(shè)計(jì)驗(yàn)證可為系統(tǒng)的可靠性聲明提供強(qiáng)有力的證據(jù)支持。

設(shè)計(jì)構(gòu)件。一個(gè)具有所有相關(guān)設(shè)計(jì)構(gòu)件(從項(xiàng)目計(jì)劃到可追溯性矩陣)的成熟軟件生命周期，是任何認(rèn)證案例的標(biāo)準(zhǔn)及必要組成部分。

除了最簡(jiǎn)單的醫(yī)療設(shè)備之外，多核處理很可能是未來醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展方向。仔細(xì)選擇操作系統(tǒng)，尤其要關(guān)注體系結(jié)構(gòu)、處理器對(duì)線程親和性的支持以及工具集，可以減輕這些挑戰(zhàn)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)和驗(yàn)證的影響。

圖1.隨著設(shè)備對(duì)計(jì)算能力要求的不斷增長(zhǎng)，甚至一款相對(duì)小型的醫(yī)療設(shè)備可能也會(huì)受益于多核處理技術(shù)。

圖2.使用四核CPU的一種系統(tǒng)概述屏幕截圖。

圖3、測(cè)試、統(tǒng)計(jì)分析和設(shè)計(jì)驗(yàn)證互為補(bǔ)充以共同驗(yàn)證軟件系統(tǒng)，無(wú)論它是運(yùn)行在單核或多核上。