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第4题

知识点：嵌入式系统恢复可靠性系统可靠性系统运行

看门狗（Watchdog）技术是嵌入式系统设计中保证系统可靠的常用技术。嵌入式控制系统运行时由于受到外部干扰或者内部系统错误，程序有时会出现“跑飞”现象，导致整个系统瘫痪。为了防止这一现象的发生，对系统可靠性要求较高的场合往往要加入看门狗电路。当系统“跑飞”时，看门狗电路能自动恢复系统的运行。

问题：4.1 设某嵌入式系统程序完整运行所需的周期时间是tp，看门狗的定时周期为tw，要求tw（1）tp，在程序运行过程中需要定时（2）（俗称“喂狗”），只要程序正常运行，定时器就不会溢出。若由于千扰等原因使系统不能在tp时刻修改定时器的计数值，定时器将在tw时刻（3），引发（4），使系统得以重新运行。
请填充以上叙述中空缺处的内容，将答案填写在答题纸的对应栏中。

问题：4.2 张工在某嵌入式系统中设计实现了看门狗电路，采用的芯片寄存器如表4-1、表4-2、表4-3、表4-4所示。


知识点讲解
· 嵌入式系统 · 恢复 · 可靠性 · 系统可靠性 · 系统运行

嵌入式系统

嵌入式计算机系统是与特定功能的设备集成在一起、且隐藏在这个功能系统内部为预定任务而设计的计算机系统。该计算机可对设备的状态进行采集，包括操作者的命令和受控对象的状态，按照设备所要求的、预先设定的特定规律进行计算，计算结果作为命令输出到设备的某些部件，控制某些操作，同时将人所关心的信息显示给操作者。一个典型的嵌入式系统如下图所示。

嵌入式系统组成

上述嵌入式系统的输入、处理、输出的各个部分，一般情况下都是通过软件运行完成的。因此嵌入式软件是嵌入式系统的重要组成部分，而且体现了系统的思想、方法和规律。

在当今社会中，嵌入式系统已经和我们的生活息息相关，人们每时每刻都离不了嵌入式系统，如下图所示。

嵌入式系统基本分类

嵌入式系统一般是实时系统，《牛津计算机字典》对实时系统解释是：“系统的输入对应于一个外部物理世界的运动，而系统输出对应着另外一个物理世界的运动，而这两个运动的时间差必须在可接受的足够小的范围内，实时性就体现在从输入到形成输出所需的时间。”实时系统又进一步定义为硬实时系统和软实时系统两种，如下表所示。

实时系统分类及其特性

一般认为，嵌入式计算机相对于个人计算机或超级计算机，在软件或硬件上的资源是有限的，硬件资源体现在处理速度、功耗、存储空间等方面，软件资源指有限的应用、有限的操作系统支持、应用代码量少等方面。

第一款大批量生产的嵌入式系统是美国1961年发布的民兵Ⅰ型导弹内嵌的D-17自动制导计算机。

随着20世纪60年代早期应用开始，嵌入式系统的价格迅速降低，同时处理功能和能力获得快速提高。以第一款单片机Intel 4004为例，在存储器和外围芯片的配套使用下，实现了计算器和其他小型系统。1978年，美国国家工程制造商协会发布了可编程单片机的“标准”，涵盖了几乎所有以计算机为基础的控制器，如单板计算机、数控设备以及基于事件的控制器，使得微处理器得到了快速发展。

无一例外，不断发展中的嵌入式计算功能的实现都通过用户需求驱动、顶层定义、硬件定义开始，但核心是软件的算法处理，实际上类似硬件功能通过不同软件的控制就可以实现不同用户所需要的嵌入式功能，如下图所示。

嵌入式计算机的层次化架构

当基础硬件接口、计算和存储资源、总线与网络乃至各种传感器、作动器、液压等以模块化、通用化、组合化等变得越来越成熟，他们就可以方便地组合成硬件平台。而软件却恰恰相反，基本是为满足人类某种新的设想或应用要求开始进行新的设计。这些设计从诸如领域、实现功能、性能、可靠性、安全性等方面，可以是全新理念设备、或是适应性修改升级等途径，都会导致软件有不同程度的差异。

嵌入式系统具有以下特征：

（1）嵌入式系统的时间敏感性。嵌入式实时系统对时间响应都是有要求的。例如对于一个设备的运动控制系统，从操作指令发出，嵌入式计算机根据指令和外部条件计算并输出到动作器的动作，要保证在所有的条件下、在确定的时间内产生所需的输出。这对于设计者来说，一般的实时系统都会围绕这个关键需求进行系统设计。另外为了满足时间敏感性要求，确保在最复杂行为和最大延时情况下，系统操作不发生延迟，要求处理器的利用率要有40%左右的余量。有时为满足某些强实时嵌入式系统的应答时间限定在毫秒级或更低，需要在高级语言中嵌入低级语言编程实现。

（2）嵌入式系统的可靠性和安全性。嵌入式计算机系统的失效带来的可能是个人娱乐系统故障的微小损失，可能是铁路信号失效的巨额经济损失，也可能是战略武器控制等经济损失以及重大的社会政治影响等。所以在某种设计缺陷被诱发后，对于不同的系统需要采取不同的策略，例如对具有重大影响的系统，要求计算机或计算机软件对设计缺陷、制造缺陷等失效采取“永不放弃”的安全性设计技术，将损失控制在可接受的范围内。在有人为输入情况下，嵌入式系统还需考虑最大可能地减少人为失误所引起的系统失效。这些算法或机制可以是输入有效性合理性检查、硬件容错、软件容错、错误后的系统缓慢降级、系统进入安全模式等。

（3）嵌入式软件的复杂性。软件复杂度取决于问题规模和复杂度。简单问题的软件可由个人完成，甚至可以进行软件正确性证明；即使过程中更换人员，花费少许时间就可掌握和维护。但如汽车控制、飞机控制等大型复杂软件，其需要根据复杂的外部输入、按照多变量物理规律和人们的预期，实现预定的功能。软件需要根据系统的外部事件及其组合，考虑各种处理、逻辑、时序、边界、超出边界的鲁棒性等进行详细算法和策略研究。还需要考虑如安全性、可靠性、维护性等质量要求。更困难的是大规模软件需要团队联合定义、并行开发、持续维护，同时考虑处理平台限制条件。

恢复

数据恢复有3个步骤。

（1）反向扫描文件日志，查找该事务的更新操作。

（2）对事务的更新操作执行逆操作。

（3）继续反向扫描日志文件，查找该事务的其他更新操作，并做同样的处理，直到事务的开始标志。

可靠性

（1）完备性。完备性评价指标及测量，如下表所示。

完备性评价指标及测量

（2）连续性。连续性评价指标及测量，如下表所示。

连续性评价指标及测量

（3）稳定性。稳定性评价指标及测量，如下表所示。

稳定性评价指标及测量

（4）有效性。有效性评价指标及测量，如下表所示。

有效性评价指标及测量

（5）可追溯性。可追溯性评价指标及测量，如下表所示。

可追溯性评价指标及测量

系统可靠性

系统可靠性是系统在规定的时间内及规定的环境条件下，完成规定功能的能力，也就是系统无故障运行的概率。这里的故障是系统行为与需求的不符，故障有等级之分。系统可靠性可以通过历史数据和开发数据直接测量和估算出来，与之相关的概念主要有平均无故障时间、平均故障修复时间、平均故障间隔时间、系统可用性等。

（1）平均无故障时间。可靠度为R（t）的系统的平均无故障时间（Mean Time To Failure, MTTF）定义为从t=0时到故障发生时系统的持续运行时间的期望值，计算公式如下：

如果R（t）=e^-^λt，则MTTF=1/λ。λ为失效率，是指器件或系统在单位时间内发生失效的预期次数，在此处假设为常数。例如，假设同一型号的1000台计算机，在规定的条件下工作1000小时，其中有10台出现故障。这种计算机千小时的可靠度R为（1000-10）/1000=0.99。失效率为10/（1000×1000）=1×10^-5。因为平均无故障时间与失效率的关系为MTTF=1/λ，因此，MTTF=10⁵小时。

（2）平均故障修复时间。可用度为A（t）的系统的平均故障修复时间（Mean Time ToFix, MTTR）可以用类似于求MTTF的方法求得。设A₁（t）是在风险函数Z（t）=0且系统的初始状态为1状态的条件下A（t）的特殊情况，则

此处假设修复率μ（t）=μ（常数），修复率是指单位时间内可修复系统的平均次数，则：

MTTR=1/μ

（3）平均故障间隔时间。平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure, MTBF）常常与MTTF发生混淆。因为两次故障（失败）之间必然有修复行为，因此，MTBF中应包含MTTR。对于可靠度服从指数分布的系统，从任一时刻t₀到达故障的期望时间都是相等的，因此有：

MTBF=MTTR+MTTF

在实际应用中，一般MTTR很小，所以通常认为MTBF≈MTTF。

（4）系统可用性。系统可用性是指在某个给定时间点上程序能够按照需求执行的概率，其定义为

可用性=MTTF/（MTTF+MTTR）×100%

计算机系统是一个复杂的系统，而且影响其可靠性的因素也非常繁复，很难直接对其进行可靠性分析。但通过建立适当的数学模型，把大系统分割成若干子系统，可以简化其分析过程。

串联系统

假设一个系统由n个子系统组成，当且仅当所有的子系统都能正常工作时，系统才能正常工作，这种系统称为串联系统，如下图所示。

串联系统

设系统各个子系统的可靠性分别用R₁，R₂，…，R_n表示，则系统的可靠性为：

R=R₁×R₂×…×R_n

如果系统的各个子系统的失效率分别用λ₁，λ₂，…，λ_n来表示，则系统的失效率为：

λ=λ₁+λ₂+…+λ_n

并联系统

假如一个系统由n个子系统组成，只要有一个子系统能够正常工作，系统就能正常工作，如下图所示。

并联系统

设系统各个子系统的可靠性分别用R₁，R₂，…，R_n表示，则系统的可靠性为：

R=1-（1-R₁）×（1-R₂）×…×（1-R_n）

假如所有的子系统的失效率均为λ，则系统的失效率为：

在并联系统中只有一个子系统是真正需要的，其余n-1个子系统称为冗余子系统，随着冗余子系统数量的增加，系统的平均无故障时间也增加了。

模冗余系统

m模冗余系统由m个（m=2n+1为奇数）相同的子系统和一个表决器组成，经过表决器表决后，m个子系统中占多数相同结果的输出作为系统的输出，如下图所示。

模冗余系统

在m个子系统中，只有n+1个或n+1个以上子系统能正常工作，系统就能正常工作，输出正确结果。假设表决器是完全可靠的，每个子系统的可靠性为R₀，则m模冗余系统的可靠性为：

其中

为从m个元素中取j个元素的组合数。

在实际应用系统中，往往是多种结构的混联系统。例如，某高可靠性计算机系统由下图所示的冗余部件构成。

显然，该系统为一个串并联综合系统，我们可以先计算出中间2个并联系统的可靠度，根据并联公式R=1-（1-R₁）×（1-R₂）×…×（1-R_n），可得到3个部件并联的可靠度为1-（1-R）³，2个部件并联的可靠度为1-（1-R）²。然后，再根据串联公式R=R₁×R₂×…×R_n，可得到整个系统的可靠度为：R×（1-（1-R）³）×（1-（1-R）²）×R。

某计算机系统

系统运行

系统管理分类

IT系统管理工作主要是优化IT部门的各类管理流程，并保证能够按照一定的服务级别，为业务部门（客户）高质量、低成本地提供IT服务。IT系统管理工作可以按照以下两个标准予以分类。

按系统类型分类

（1）信息系统，企业的信息处理基础平台，直接面向业务部门（客户），包括办公自动化系统、企业资源计划（ERP）、客户关系管理（CRM）、供应链管理（SCM）、数据仓库系统（Date Warehousing）、知识管理平台（KM）等。

（2）网络系统，作为企业的基础架构，是其他方面的核心支撑平台。包括企业内部网（Intranet）、IP地址管理、广域网（ISDN、虚拟专用网）、远程拨号系统等。

（3）运作系统，作为企业IT运行管理的各类系统，是IT部门的核心管理平台。包括备份／恢复系统、入侵检测、性能监控、安全管理、服务级别管理、帮助服务台、作业调度等。

（4）设施及设备，设施及设备管理是为了保证计算机处于适合其连续工作的环境中，并把灾难（人为或自然的）的影响降到最低限度。包括专门用来放置计算机设备的设施或房间。

对IT资产（计算机设备、通信设备、个人计算机和局域网设备）的恰当的环境保护；有效的环境控制机制：火灾探测和灭火系统、湿度控制系统、双层地板，隐藏的线路铺设、安全设置水管位置，使其远离敏感设备、以及不间断电源和后备电力供应等。

按流程类型分类

（1）侧重于IT部门的管理，从而保证能够高质量地为业务部门（客户）提供IT服务。这一部分主要是对公司整个IT活动的管理，包括IT财务管理、服务级别管理、IT资源管理、能力管理、系统安全管理、新系统转换、系统评价等职能。

（2）侧重于业务部门的IT支持及日常作业，从而保证业务部门（客户）IT服务的可用性和持续性。这一部分主要是业务部门IT支持服务，包括IT日常作业管理、帮助服务台管理、故障管理及用户支持、性能及可用性保障等。

（3）侧重于IT基础设施建设，主要是建设企业的局域网、广域网、Web架构、Internet连接等。

系统管理规范化

系统管理的规范化涉及到人员职责、操作流程等方面标准的制定，并进行有效的标准化。企业IT部门除了IT部门组织结构及职责之外，还应该详细制定各类运作管理规章制度，主要包括：日常作业调度手册、系统备份及恢复手册、性能监控及优化手册、输出管理手册、帮助服务台运作手册、常见故障处理方法、终端用户计算机使用制度等与用户息息相关的IT支持作业方面的规范制度。此外，还包括服务级别管理手册、安全管理制度、IT财务管理制度、IT服务计费及成本核算、IT资源及配置管理、新系统转换流程、IT能力规划管理等由IT部门执行的以提供高质量IT服务为目的的管理流程。

系统运作报告

系统运行过程中的关键操作、非正常操作、故障、性能监控、安全审计等信息，应该实时或随后形成系统运作报告，并进行分析以改进系统管理水平。

是否有流程保证对所有不属于标准操作的操作性问题给予记录（在问题管理系统内）、分析和及时处理？

系统日常操作日志

系统日志应该记录足以形成数据的信息，为关键性的运作提供审核追踪记录，并且保存合理的时间段。利用日志工具定期对日志进行检查，以便监控例外情况并发现非正常的操作、未经授权的活动、作业完成情况、存储状况、CPU、内存利用水平等。

性能／能力规划报告

企业需要了解其IT能力能否满足其业务需要，因此它需要了解系统性能、能力和成本的历史数据，定期形成月度、年度性能报告，并进行趋势分析和资源限制评估，在此基础之上增加或调整其IT能力。

性能监控工具应该主动地监控、测量和报告系统的性能，包括平均响应时间、每日交易数、平均无故障时间、CPU、存储器等的使用状况、网络性能等，从而可以有预见性地响应变化的业务需求。

故障管理报告

企业应定期产生有关问题的统计数据，这些统计数据包括：事故出现次数、受影响的客户数、解决事故所需时间和成本、业务损失成本等，可以供管理层对反复发生的问题进行根本原因的分析，并寻找改进的机会。

另外，对于每次故障处理应该进行数据记录、归类，作为基础，它应包括以下内容。

.目录，确定与故障相关联的领域，比如硬件、软件等。

.影响度，故障对业务流程的影响程度。

.紧迫性，故障需要得到解决的紧急程度。

.优先级，综合考虑影响度、紧迫性、风险和可用资源后得出的解决故障的先后顺序。

.解决方法，故障解决的流程、处理方法。

这样有利于使用知识管理系统来协助解决问题。

安全审计日志

为了能够实时监测、记录和分析网络上和用户系统中发生的各类与安全有关的事件（如网络入侵、内部资料窃取、泄密行为等），并阻断严重的违规行为，就需要安全审计跟踪机制来实现在跟踪中记录有关安全的信息。审计是记录用户使用计算机网络系统进行所有活动的过程，它是提高安全性的重要工具。

审计记录应包括以下信息：事件发生的时间和地点；引发事件的用户；事件的类型；事件成功与否。常见的审计记录可能包括：活动的用户账号和访问特权；用户的活动情况，包括可疑的行为；未授权和未成功的访问企图；敏感命令的运行等。

系统运作报告使对IT的整个运行状况的评价得以实现，IT报告应具备涵盖所有IT领域的关键业绩指标，例如风险及问题、财务状况、系统利用率、系统性能、系统故障时间、服务级别执行情况、安全审计等，这也为IT运作绩效的改进提供了基础。

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