淺析安全系統設計中的三種冗余技術

在安全系統設計中，為防護硬件隨機性故障造成的功能失效，會用到不同于一般電子產品的設計方法，這些設計方法在功能安全標準如IEC61508、ISO26262有推薦的方法列表，根據電子系統的不同組成部分，可以應用不同的設計方法。本文來談談應用比較多的冗余技術，具體有硬件冗余、信息冗余、軟件冗余。

硬件冗余：

硬件冗余是將多個硬件單元復制作為一個整體來提供功能。從組成部分來看，多個硬件單元可以是相同的，也可以是不同的，如使用相同的硬件，但是操作系統和應用不同，或者只有應用不同的。從最終輸出來看，可以沒有獨立的表決器，由其中一個處理單元準備輸出，也可以有獨立的表決器。下面介紹幾種典型的冗余架構：

主/從控制架構：以一個計算單元作為主控制輸出，另一個計算單元作為從控制。在下面的架構中，主控制單元和從控制單元都對輸入數據進行處理，并進行互相交互的校核，當從控制單元檢查主控制單元的輸出存在故障時，對主控制單元進行復位。該架構中當從控制單元的檢查存在時間上的延遲，需要對故障輸出的延遲時間影響增加分析。

雙核鎖步架構：芯片內的雙核鎖步架構冗余技術，每條CPU指令都由兩個處理器獨立地執行，每個處理器讀取、寫入數據后執行下一條指令，主處理器控制總線，從控制器控制一個監控器，當兩個處理器發生不一致時，監控器用來使芯片輸出導向安全，輸出報警給外部的監控芯片。為了防止外部瞬態的電磁干擾，兩個處理器在執行的時序上采用分時執行的方法。

NooM架構：由兩個硬件計算單元構成的2oo2架構，由2個以上的計算單元可以構成2*2oo2或2oo3架構。2oo2架構能檢查單個單元的故障，但是無法容錯。它的共因故障是需要避免的，軟件要具備硬件同樣等級的安全性水平，硬件設計避免有共用部分，對CPU、內存應引入自檢機制，以避免潛伏故障。

2oo2架構的一種近似架構是1oo2D架構，它也是由兩個處理單元組成，每個處理單元都有對應的故障檢測模塊，比如說獨立的看門狗，看門狗的輸出用來控制選擇開關，授權哪個處理單元對外輸出。

多個處理單元的NooM架構有2oo3，兼顧了安全性和可用性。對于單個處理單元的故障，通常是將其導向安全側輸出，但也有設計為故障后進行重置，分享其狀態給其它處理單元。舉Boeing 777中的飛控計算機為例，由三個處理單元PFC（Primary Flight Computer）組成，PFC之間通過獨立三個通信網絡進行通信，每個PFC內部有三個異構的處理器Intel、Motorola和AMD，從而避免處理器的共因故障。每個處理單元在三種狀態之間轉換：控制、待機和監視，執行器對處理單元的輸出進行選擇。

信息冗余：

信息冗余增加多余的信息碼，用于檢測傳輸數據的錯誤，也可用于糾錯，應用于內存，數據總線和通信網絡的數據錯誤。常用的有奇偶校驗，CRC校驗，海明碼和算術碼。奇偶校驗只能檢測單bit錯誤，無法檢測雙重bit錯誤。CRC校驗還可以應用于校驗存儲在內存中的數據或程序是否被篡改。

海明碼用于存儲或傳輸數據時檢測和糾正錯誤，通過增加額外的奇偶校驗位實現。標準漢明碼只能檢測和糾正單bit錯誤。對于雙重bit錯誤，可以添加一個額外的總體奇偶校驗位，以可靠地檢測兩位中的錯誤。這稱為單糾錯/雙糾錯檢測?（SECDED）。

算術編碼用包含兩個字段的編碼替代原來的數據：數據部分和編碼部分。能夠檢測三種類型的錯誤：

operation error（操作數錯誤）：計算機使用預期操作符處理操作數得到了錯誤的結果?。這種類型的錯誤，非常類似于傳輸錯誤，但不會給代碼設計帶來新的約束。

operator error（操作符錯誤）：計算機使用好的操作數，但有一個非預期的運算符。例如，如果一個加法運算符被替換成乘法運算符，結果是假的，即使乘法計算的結果是正確的。對這種類型的錯誤的檢測，不是數據傳輸通道存在的錯誤，需要對運算符增加編碼。

operand error（操作錯誤）：一種情況是地址錯誤，相當于用一個變量替換了另一個變量。這種類型的錯誤發生在傳輸系統中，在不同的通道之間發生了串擾。類似于傳輸過程中收到了發送到另一個接收者的數據。另一種情況是存儲錯誤，存儲的數據變化或者沒有被更新，是過時的數據。 ?

軟件冗余：

軟件在同一個處理器執行兩次，由外部設備進行表決，可以用于檢測內存錯誤。需要將軟件分別加載到不同的內存區域，因此，各種內存的故障如RAM、ROM、EPROM，都可以在運行過程中檢測出來。但軟件冗余屬于執行程序的冗余，對于共享的硬件處理器故障無法檢測。 可以在執行過程中加入指令的自測試，對不一致的數據進行比較，對處理器進行全面的功能測試。為了進行有效的檢測，測試覆蓋率必須足夠（覆蓋應用指令等），并且必須在正確的時間執行（初始化，在每個周期內，定期，在任務結束時）。這種做的缺點是增加了處理器的性能開銷。 軟件冗余相比硬件冗余更簡單，但檢測錯誤的有效性需要應用其它技術進行彌補，采用軟件的多樣化和自檢測技術可以作為很好的補充。另外，由于軟件的冗余執行，執行時間較長，適用于對時間性能要求不高的系統。

總結

以上是三種冗余技術的介紹，都是通過增加冗余的資源以實現故障的檢測，有硬件資源的冗余，數據信息的冗余和軟件執行層的冗余，通過一些簡單的示例進行了說明。在實際系統的設計中，往往不僅僅采用單一的技術，而是多種冗余技術相結合。同時，冗余技術在于它對隨機故障的檢測有效性，與異構多樣化相結合，實際使用可以提高對系統性故障的檢測能力。

編輯：黃飛

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