針對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的高可靠嵌入式軟件設(shè)計(jì)

孫梧雨，龔 俊，袁 霞，陳栩睿

（中國(guó)兵器裝備集團(tuán)自動(dòng)化研究所有限公司，四川綿陽(yáng) 621000）

數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)可以對(duì)嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、傳輸和處理，支持建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)維護(hù)管理體系，可以有效降低維護(hù)成本[1-4]。在近兩年自主國(guó)產(chǎn)化浪潮的背景下，對(duì)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化率、存儲(chǔ)容量、處理速度、可靠性提出了更高的要求[5-6]。

eMMC 作為一種非易失性存儲(chǔ)器件，在其內(nèi)部集成存儲(chǔ)控制器，可以完成存儲(chǔ)塊的自我管理，其由于較高的讀寫速率、處理效率，在航空航天、金融電子行業(yè)有著廣泛應(yīng)用[7-9]。

文中針對(duì)基于eMMC 的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)提出一種高可靠性的嵌入式軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該軟件的可靠性，滿足國(guó)產(chǎn)高可靠數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

1 系統(tǒng)介紹

基于國(guó)產(chǎn)eMMC 芯片的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)可以為其他系統(tǒng)提供運(yùn)行過程的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，并支持上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)采用ARM+eMMC 架構(gòu)，數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。微控制器負(fù)責(zé)主控模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)、存儲(chǔ)控制、接口控制等功能，eMMC 存儲(chǔ)芯片選用容量為128 GB 的國(guó)產(chǎn)芯片TEE12833TW0，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，整個(gè)系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化率超過95%。

圖1 數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 軟件體系架構(gòu)

數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)嵌入式軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要功能模塊包括系統(tǒng)初始化模塊、系統(tǒng)功能調(diào)度任務(wù)、數(shù)據(jù)接收任務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)、數(shù)據(jù)讀取任務(wù)、系統(tǒng)自診斷任務(wù)和錯(cuò)誤處理任務(wù)。軟件體系架構(gòu)如圖2 所示。利用FreeRTOS 的多任務(wù)并行處理技術(shù)，通過消息隊(duì)列和信號(hào)量的同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的同步協(xié)作。

圖2 軟件體系架構(gòu)

3 軟件功能模塊設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)初始化模塊

系統(tǒng)初始化模塊流程如圖3 所示，首先開啟并檢查系統(tǒng)功能硬件，再開啟FreeRTOS 運(yùn)行周期進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。需要特別注意的是，eMMC 上電時(shí)需要先讀取eMMC 存儲(chǔ)卡，判斷是否已經(jīng)存在數(shù)據(jù)文件，如存在數(shù)據(jù)文件，則跳過eMMC 初始化流程，避免系統(tǒng)重新上電后誤擦除已有數(shù)據(jù)。

圖3 系統(tǒng)初始化流程圖

3.2 系統(tǒng)功能調(diào)度任務(wù)

系統(tǒng)功能調(diào)度任務(wù)負(fù)責(zé)根據(jù)從其他任務(wù)中傳來的事件消息開啟相應(yīng)的功能任務(wù)，系統(tǒng)功能調(diào)度任務(wù)流程圖如圖4 所示。由于系統(tǒng)運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)接收的時(shí)間可能是隨機(jī)的，為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的高效性和避免不必要的系統(tǒng)開支，在系統(tǒng)功能調(diào)度任務(wù)中建立一個(gè)消息指針隊(duì)列，用于等待事件消息。只有當(dāng)接收到數(shù)據(jù)接收成功消息時(shí)才開啟數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)，接收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)時(shí)打開錯(cuò)誤處理任務(wù)，接收到讀取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)指令時(shí)打開相應(yīng)的數(shù)據(jù)讀取任務(wù)，這些任務(wù)都在各自的處理函數(shù)中進(jìn)行關(guān)閉和資源回收。另外，系統(tǒng)功能調(diào)度任務(wù)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源由外部設(shè)備周期性地輸入，若超過一定時(shí)間沒有接收到數(shù)據(jù)正確讀取的事件消息，則開啟錯(cuò)誤處理任務(wù)提示操作員。最后，系統(tǒng)功能調(diào)度任務(wù)負(fù)責(zé)周期性地喂看門狗，防止 系統(tǒng)程序跑飛。

圖4 系統(tǒng)功能調(diào)度任務(wù)流程圖

3.3 數(shù)據(jù)存取任務(wù)

數(shù)據(jù)存取任務(wù)的關(guān)鍵在于對(duì)數(shù)據(jù)的可靠寫入和讀取，F(xiàn)reeRTOS 的內(nèi)核不帶文件系統(tǒng)，為提升開發(fā)效率，在設(shè)計(jì)中加入高效、資源占用率低、專為小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的文件管理系統(tǒng)FATFS[10-13]。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程中，對(duì)文件系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)寫入的文件進(jìn)行重讀校驗(yàn)檢查，確保每幀數(shù)據(jù)的完整性，一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則打開相應(yīng)的錯(cuò)誤處理任務(wù)。

3.4 系統(tǒng)自診斷任務(wù)

為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行周期性檢查，若出現(xiàn)電壓和芯片溫度超限的情況，則打開錯(cuò)誤處理任務(wù)，打開對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤指示燈并記錄錯(cuò)誤信息。圖5 表示系統(tǒng)自診斷任務(wù)流程。

圖5 系統(tǒng)自診斷任務(wù)流程圖

3.5 錯(cuò)誤處理任務(wù)

從系統(tǒng)安全的角度分析，最佳的錯(cuò)誤處理策略是盡可能地避錯(cuò)，如果無法避錯(cuò)，應(yīng)該有相應(yīng)的報(bào)警措施[14-16]。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，根據(jù)不同錯(cuò)誤對(duì)系統(tǒng)功能的影響程度對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行分級(jí)處理，錯(cuò)誤處理任務(wù)流程圖如圖6 所示。當(dāng)有錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，首先在存儲(chǔ)芯片中建立的特定錯(cuò)誤日志文件中進(jìn)行記錄，記錄下錯(cuò)誤發(fā)生的時(shí)間戳信息。對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)錯(cuò)誤，系統(tǒng)點(diǎn)亮有特定占空比和顏色的指示燈，此時(shí)必須由操作員重啟系統(tǒng)才能關(guān)閉錯(cuò)誤指示燈提示；對(duì)于中風(fēng)險(xiǎn)錯(cuò)誤，規(guī)定報(bào)警運(yùn)行時(shí)間不得低于1 小時(shí)；對(duì)于不影響系統(tǒng)運(yùn)行和文件數(shù)據(jù)讀寫的低風(fēng)險(xiǎn)錯(cuò)誤，則點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)指示燈10 s，當(dāng)完成記錄和點(diǎn)亮指示燈后，關(guān)閉這個(gè)錯(cuò)誤處理任務(wù)進(jìn)程，數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的錯(cuò)誤分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如圖7 所示。

圖6 錯(cuò)誤處理任務(wù)流程圖

圖7 錯(cuò)誤分類標(biāo)準(zhǔn)

4 系統(tǒng)功能與性能測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)軟件的有效性和可靠性，將數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)放置于高低溫試驗(yàn)箱，兩路數(shù)據(jù)接收接口通過UART 分別與兩個(gè)專用測(cè)試設(shè)備相連接，測(cè)試設(shè)備周期性地發(fā)送模擬數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)另一側(cè)通過以太網(wǎng)接口連接至上位機(jī)，用于接收數(shù)據(jù)讀取指令，并根據(jù)讀取指令返回特定的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)過程中改變系統(tǒng)環(huán)境溫度，檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)溫度的適應(yīng)性。系統(tǒng)測(cè)試時(shí)設(shè)備連接示意圖如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)測(cè)試連接示意圖

在測(cè)試設(shè)備的發(fā)送數(shù)據(jù)中按照0.001%的概率隨機(jī)加入錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，最后通過查驗(yàn)比對(duì)測(cè)試設(shè)備的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)信息和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)錯(cuò)誤信息日志，確定系統(tǒng)對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的檢測(cè)概率。

測(cè)得的系統(tǒng)性能參數(shù)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)性能參數(shù)

5 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前武器系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄單元國(guó)產(chǎn)化和可靠性提出的更高需求，文中采用ARM+eMMC 架構(gòu)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種針對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄單元的高可靠嵌入式軟件，文中對(duì)軟件系統(tǒng)架構(gòu)和各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳實(shí)的說明。為保證系統(tǒng)的可靠性，在各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)中加入防錯(cuò)及報(bào)警措施，并利用事件消息隊(duì)列和系統(tǒng)調(diào)度節(jié)省了軟件資源。文中提供了一種可行的針對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄單元的高可靠軟件方案，經(jīng)過測(cè)試證明了該方案的有效性。同時(shí)該軟件已經(jīng)在某武器系統(tǒng)中得到應(yīng)用，大量的測(cè)試也證明了該方案的有效性和魯棒性。