一種基于差異放大的數(shù)據(jù)一致性比較方法

徐笑然（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

鐵路信號設(shè)備對其功能安全性有很高的要求。應(yīng)答器傳輸單元（Balise Transm ission M odu le， BTM）是列車自動防護(hù)系統(tǒng)（ATP）的關(guān)鍵設(shè)備，在BTM的設(shè)計中，其軟件多采用雙套具有差異性設(shè)計的代碼來實現(xiàn)安全的“二取二”功能。BTM解碼單元的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

BTM的解碼單元為單CPU、雙套差異軟件設(shè)計。CPU從“FPGA通道1”和“FPGA通道2”分別讀取由FPGA解碼的兩路獨立報文，然后通過兩套具有差異設(shè)計的代碼進(jìn)行取二比較。如果兩組報文完全一致，則輸出；若不一致，則將所有報文的比特位置1，作為異常報文，向ATP報告錯誤。

報文共830 bit，占用104 By te。按照一般的代碼設(shè)計，多字節(jié)比較流程如圖2所示。

比較過程是一個循環(huán)體，循環(huán)次數(shù)是需要比較的字節(jié)個數(shù)。首先讀取兩份報文各自的第1字節(jié)，然后比較是否一致。如果一致，則再取下一字節(jié)繼續(xù)比較，直到循環(huán)結(jié)束條件滿足；如果不一致，則退出循環(huán)，將報文所有字節(jié)置為0x FF。

而基于“差異放大”的比較方法的原則是，將最微小的差異放大到最大的狀態(tài)。也就是說，如果兩組數(shù)據(jù)即使只有1個比特位的不同，經(jīng)過差異放大，最終的比較結(jié)果是全部字節(jié)完全不同。這種方法非常適合用于非常嚴(yán)格的數(shù)據(jù)比較，只允許完全一致，不允許任何偏差。而BTM的報文比較就是這種情況。

“差異放大”比較方法在編碼實現(xiàn)時，完全采用數(shù)學(xué)運算的方式，沒有如圖2所示的條件分支語句。其運算過程如圖1、3所示。

[A]和[B]是待比較的兩組數(shù)據(jù)，分別有N個字節(jié)。首先將兩個數(shù)組的對應(yīng)字節(jié)，進(jìn)行“按位異或”操作，得到等長的N字節(jié)結(jié)果數(shù)組[R]。[R]能夠表示

徐笑然，男，碩士畢業(yè)于清華大學(xué)，工程師。主要研究方向包括嵌入式軟硬件設(shè)計、軟硬件安全功能設(shè)計等，曾參與ATP研發(fā)、BTM研發(fā)等項目。兩個數(shù)組的一致性程度，如果[A]和[B]內(nèi)容完全一致，則[R]的所有字節(jié)均為0；否則，[R]中必定存在不為0的字節(jié)。第二步，將數(shù)組[R]的每個字節(jié)相互進(jìn)行“按位或”操作，共N-1步位或操作，最終得到一個字節(jié)r。r是[R]的縮影，如果[R]的所有字節(jié)均為0，則r=0；否則r≠0。第三步，將字節(jié)r進(jìn)行“差異放大”，得到rF。所謂“差異放大”，即如果r中存在等于1的比特位（r≠0），則在放大操作后，rF的所有字節(jié)全為1（rF=0x FF）；如果r中不存在等于1的比特位（r=0），則在放大操作后，rF的值仍為0，因為無論對0如何進(jìn)行放大，結(jié)果還是0。這一步就是“差異放大”的關(guān)鍵步驟，即使r僅有一個比特為1，在操作后就放大為所有字節(jié)全為1；有且只有r=0，則rF=0，即0對于放大操作是無效的。最后一步，將rF復(fù)制N次，形成數(shù)組[RF]，使[RF]的每個字節(jié)等于rF，然后將[RF]與原始數(shù)據(jù)[A]或[B]進(jìn)行對應(yīng)字節(jié)的位或操作。由于[RF]的取值只有兩種情況：全0或全1，因此最后的輸出結(jié)果數(shù)組[C]=[A]，或[C]=[RF]。至此，通過一系列算法實現(xiàn)了與圖2傳統(tǒng)流程設(shè)計等效的結(jié)果。

差異放大過程是：通過兩次循環(huán)，將r逐位右移、左移，在此過程中再與r自身進(jìn)行“位或”操作。由于“位或”操作會最大限度地保留比特“1”，因此就將r中等于1的比特位擴(kuò)散到所有的比特位；如果r的全部比特位均為0，則此操作之后r仍等于0。

與傳統(tǒng)的比較算法相比，基于“差異放大”的數(shù)據(jù)一致性比較算法具有如下優(yōu)點。

1）它是一個純數(shù)學(xué)運算的過程，代碼實現(xiàn)時無邏輯分支語句，極大降低了代碼白盒測試時MC/DC覆蓋率的復(fù)雜度。

2）由于完全采用了數(shù)學(xué)運算，因此可以很容易進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，通過Sim u lin k等工具自動生成代碼，降低了人為編寫代碼而引入b ug的可能；同時，易于使用可編程邏輯器件來實現(xiàn)比較功能，增加了功能實現(xiàn)的手段。

3）算法執(zhí)行時間固定，代碼的行為具有確定性。

在使用差異放大比較算法時，需要注意的內(nèi)容如下。

1）如果不使用形如Sim u link等工具自動生成代碼，則需要詳細(xì)的設(shè)計文檔來說明代碼的意圖，因為代碼本身很難明確地顯示出整個運算的目的和功能。

2）在大部分情況下，代碼的執(zhí)行時間比傳統(tǒng)比較方法要長。

在實際應(yīng)用中，差異放大比較算法與傳統(tǒng)的比較算法可以分別用于雙套差異軟件的A、B代碼設(shè)計里，使雙套代碼在算法設(shè)計階段就產(chǎn)生較大的差異性，能夠很好地保證雙套代碼對共因故障的檢出率。

[1] EN50128-2011 ：Railway applications —Communication, signaling and processing systems—Software for railway control and protection systems[S].

[2] IEC61508-2010：Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems-Part 6: Guidelines on the application of IEC 61508-2 and IEC 61508-3[S].

[3] DO-178B：Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification.