嵌入式電子信息系統可靠度的完善措施

摘要：文章經過對嵌入式電子信息系統工作原理的分析，建立了嵌入式電子信息系統可靠度約束模型，優化了嵌入式電子信息系統的失效率、故障密度函數、可用度及平均壽命，并算出了最佳狀態下的可靠度參數。實驗結果表明：新的可靠度優化方法具有一定的實用性，提高了嵌入式系統的可用度、建模準確度及使用壽命，優化了嵌入式系統。

關鍵詞：電子信息系統；嵌入式；優化措施；可靠度；約束模型 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP23 文章編號：1009-2374（2017）11-0102-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.052

嵌入式是單片機的升級版，同時也是目前熱門的研究領域。現如今電子設備的研發已經趨于穩定，嵌入式系統的應用范圍也進一步擴大，所以嵌入式系統的研發過程逐漸趨于復雜化，系統所依托的軟硬件技術也在飛速發展。將電子信息系統和嵌入式結合之后，其可以廣泛運用于交通控制、國防建設、航天航空以及核電能源等安全的關鍵領域，發揮出無法代替的作用。嵌入式系統的可靠度無法確保的最主要原因是系統受到系統理論、開發技術及保障技術等因素的限制。正是由于這個原因，用戶對于系統的可靠性便產生了很大的質疑，因此該領域受廣大學者關注、亟待解決的問題即是如何提高嵌入式相關電子信息系統的可靠度。以此為基礎，本文詳盡探討、分析嵌入式電子信息系統可靠度的完善措施。

1 系統可靠度問題的產生

外部需求日益增多和技術的不斷增強，使得嵌入式系統的功能也得到了逐步擴展，系統規模日漸復雜與龐大，同時系統的故障率和缺陷也不斷增多。圖1所示為嵌入式電子信息系統的組成結構。嵌入式電子信息系統的硬件是影響其可靠度的主要因素。硬件的組成具有多樣性的特點，一般的小系統僅有16kB的程序空間和1kB的數據空間；而一般的大系統其FLASHMEMORY可以達到32MB，SRAM可以達到128MB，原因是其一般都具有特定的應用目標；如果系統的實時性要求較高，則其需具備工作頻率1GHz的64位處理器；I/O端口、外設器件及圖形控制器等硬件部分的性能不同也會對系統的穩定性造成影響。計算機系統是利用硬盤來存取信息，而嵌入式電子信息系統則不同，其主要的存儲介質是EEPROM、EPROM及閃存。大多數情況下，操作系統和應用程序共同組成了嵌入式電子信息系統的計算結構，其主要的功能是：為應用程序提供統一的系統接口，對計算中硬件存在的差異進行補平，完成任務調度、內存管理的控制，然而其軟件的不穩定與硬件的不兼容均會導致可靠度降低。因為系統的應用程序需要在EOS基礎上完成特定的任務，嵌入式系統本身自帶ROM的容量有限，但是嵌入式電子信息系統本身卻沒有自舉開發功能，因此用戶就必須借助環境和一套開發工具進行二次開發，這也會降低系統的可靠度。經過上述分析可知，導致嵌入式電子信息系統可靠度不穩定的主要原因有：（1）硬件環境的不穩定。整個嵌入式電子信息系統中應用程序和操作系統的平臺即為硬件環境，不同的應用程序對硬件環境的要求不同，導致了硬件環境的多樣性，進而造成嵌入式電子信息系統可靠度的不穩定；（2）嵌入式操作系統的不穩定。操作系統可以完成嵌入式應用的控制和任務調度等核心功能，嵌入式芯片具有可配置、內核精簡、相對穩定及與高層應用緊密關聯等特點，但是芯片與系統兼容性上存在的較大問題，導致了可靠度的不穩定；（3）嵌入式應用程序的不穩定。即便操作系統提供了較為完整的嵌入式運行結構，但由于操作系統上的各個程序編程環境不相同，差異化的應用程序也會降低系統的可靠度。

2 系統可靠度優化建模

2.1 平均壽命的約束

衡量嵌入式電子信息系統可靠度的一個關鍵因素就是系統的平均使用壽命。設嵌入式電子信息系統的任意一個過程為，符合約束條件，對應的隨機變量為，狀態集為，且為正態分布，那么在狀態已知的條件下，不會影響到系統中的條件概率，其只受到所處的狀態的影響，所以可用來表示此時的平均壽

命，式中：t為系統工作時間。

2.2 失效率的約束與優化

嵌入式在某時間段內出現失效的概率就是嵌入式電子信息系統失效率的定義，失效的概率的計算方法如下：用系統工作了t時間后，單位時間段內發生失效的設備數比時刻t仍正常工作設備數，計算表達式為，式中：為失效設備數；為t時刻

仍正常工作的設備數。嵌入式系統的失效期可分為三個時期：早期失效期、偶然失效期、特定失效期。早期失效期的失效率相對較高，但可以利用內部調整的方法對其進行消除；偶然失效期是系統運行最穩定的時期，系統發生故障率較低且很穩定，該時期內系統發生的大部分失效是由于受到偶然因素（如突然過載等）的影響，且失效的概率較低；特定失效期大多是由系統的使用時間過長等因素造成的，如果能夠預測發生損耗的時間，就可以進行及時調整以降低失效率。

2.3 故障密度函數的約束與優化

故障密度函數可以作為一項約束條件，原因是故障密度可以對嵌入式系統進行有效的檢測。設為時刻t到時間段內系統發生故障的次數，為嵌入式電子信息系統的硬件總數，則式：即為嵌入式

電子信息系統的最小故障密度約束函數。為了減少系統故障次數，運用積分奇異性半解析處理方法對嵌入式電子信息系統的故障密度函數進行優化，經過優化的系統故障密度函數為。

2.4 可用度的優化

模型假設系統表示系統處于故障狀態，系統表示系統處于可使用狀態，則式表示此時系統的可用度模型，在得到可用度模型之后，利用積分對系統可用度進行優化，優化過后表示模型，對上述指標進行優化后，

可以其為基礎建立嵌入式電子信息系統可靠度模型。設嵌入式電子信息系統的壽命和發生故障后的維修時間均呈現指數分布，則維修后的系統壽命分布不發生變化。因此式即為整個系統的可靠度數學模型，式中：k為非故障模塊數量；B為系統的故障概率。

3 實驗結果分析

3.1 可用度分析

由實驗可知，在0～45min時間段內可用度一直呈現升高趨勢，但在45min后突然開始下落，而且無法再次升高，導致其平均可用度約為32%；運用上述提出的可用度優化方法進行處理后，在0～35min時間段內，可用度的升高雖然較為緩慢，但在35min后卻快速升高，而且沒有二次下落，平均可用度提升到了57%，平均可用度提高了25%。

3.2 平均壽命

在系統消耗功率相同的前提條件下，使用上述的可靠度優化方法進行處理之后，其平均壽命一直處于波動狀態，且總體平均壽命呈現下滑趨勢。

3.3 故障率

在系統運行硬件配置相同的前提條件下，使用改進可靠度優化方法對實驗進行分析，其故障率隨著使用時間的增加而增加；使用上述所提出的方法時，雖然故障率也是隨使用時間的增加而增加，但是其故障率增加有限。

3.4 失效率

運用改進的系統可靠度優化方法對失效率進行對比分析，其失效率一直處于波動狀態，穩定性較差；使用上述的改進方法時，其失效率一直處于波動下落的狀態，而且在70min之后再無升高，使其最終失效率降低到14%，因此此方法具有一定的優勢。

4 結語

本文提出了一種有效的優化嵌入式電子信息系統可靠度的方法，經過對嵌入式電子信息系統的工作原理的分析，分別對嵌入式電子信息系統故障密度函數、可用度、平均壽命及失效率4個指標進行了優化。與傳統方法相比，本文提出的可靠度優化方法具有一定的借鑒價值。

參考文獻

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[2] 何炎祥，喻濤，陳勇，等.面向嵌入式系統綠色需求的數據分配方法[J].計算機研究與發展，2015，（1）.

作者簡介：陳良（1986-），男，湖北黃岡人，供職于廣東九聯科技股份有限公司，研究方向：軟件測試及管理。

（責任編輯：蔣建華）