嵌入式电子信息系统可靠度的完善措施

摘要：文章经过对嵌入式电子信息系统工作原理的分析，建立了嵌入式电子信息系统可靠度约束模型，优化了嵌入式电子信息系统的失效率、故障密度函数、可用度及平均寿命，并算出了最佳状态下的可靠度参数。实验结果表明：新的可靠度优化方法具有一定的实用性，提高了嵌入式系统的可用度、建模准确度及使用寿命，优化了嵌入式系统。

关键词：电子信息系统；嵌入式；优化措施；可靠度；约束模型 文献标识码：A

中图分类号：TP23 文章编号：1009-2374（2017）11-0102-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.052

嵌入式是单片机的升级版，同时也是目前热门的研究领域。现如今电子设备的研发已经趋于稳定，嵌入式系统的应用范围也进一步扩大，所以嵌入式系统的研发过程逐渐趋于复杂化，系统所依托的软硬件技术也在飞速发展。将电子信息系统和嵌入式结合之后，其可以广泛运用于交通控制、国防建设、航天航空以及核电能源等安全的关键领域，发挥出无法代替的作用。嵌入式系统的可靠度无法确保的最主要原因是系统受到系统理论、开发技术及保障技术等因素的限制。正是由于这个原因，用户对于系统的可靠性便产生了很大的质疑，因此该领域受广大学者关注、亟待解决的问题即是如何提高嵌入式相关电子信息系统的可靠度。以此为基础，本文详尽探讨、分析嵌入式电子信息系统可靠度的完善措施。

1 系统可靠度问题的产生

外部需求日益增多和技术的不断增强，使得嵌入式系统的功能也得到了逐步扩展，系统规模日渐复杂与庞大，同时系统的故障率和缺陷也不断增多。图1所示为嵌入式电子信息系统的组成结构。嵌入式电子信息系统的硬件是影响其可靠度的主要因素。硬件的组成具有多样性的特点，一般的小系统仅有16kB的程序空间和1kB的数据空间；而一般的大系统其FLASHMEMORY可以达到32MB，SRAM可以达到128MB，原因是其一般都具有特定的应用目标；如果系统的实时性要求较高，则其需具备工作频率1GHz的64位处理器；I/O端口、外设器件及图形控制器等硬件部分的性能不同也会对系统的稳定性造成影响。计算机系统是利用硬盘来存取信息，而嵌入式电子信息系统则不同，其主要的存储介质是EEPROM、EPROM及闪存。大多数情况下，操作系统和应用程序共同组成了嵌入式电子信息系统的计算结构，其主要的功能是：为应用程序提供统一的系统接口，对计算中硬件存在的差异进行补平，完成任务调度、内存管理的控制，然而其软件的不稳定与硬件的不兼容均会导致可靠度降低。因为系统的应用程序需要在EOS基础上完成特定的任务，嵌入式系统本身自带ROM的容量有限，但是嵌入式电子信息系统本身却没有自举开发功能，因此用户就必须借助环境和一套开发工具进行二次开发，这也会降低系统的可靠度。经过上述分析可知，导致嵌入式电子信息系统可靠度不稳定的主要原因有：（1）硬件环境的不稳定。整个嵌入式电子信息系统中应用程序和操作系统的平台即为硬件环境，不同的应用程序对硬件环境的要求不同，导致了硬件环境的多样性，进而造成嵌入式电子信息系统可靠度的不稳定；（2）嵌入式操作系统的不稳定。操作系统可以完成嵌入式应用的控制和任务调度等核心功能，嵌入式芯片具有可配置、内核精简、相对稳定及与高层应用紧密关联等特点，但是芯片与系统兼容性上存在的较大问题，导致了可靠度的不稳定；（3）嵌入式应用程序的不稳定。即便操作系统提供了较为完整的嵌入式运行结构，但由于操作系统上的各个程序编程环境不相同，差异化的应用程序也会降低系统的可靠度。

2 系统可靠度优化建模

2.1 平均寿命的约束

衡量嵌入式电子信息系统可靠度的一个关键因素就是系统的平均使用寿命。设嵌入式电子信息系统的任意一个过程为，符合约束条件，对应的随机变量为，状态集为，且为正态分布，那么在状态已知的条件下，不会影响到系统中的条件概率，其只受到所处的状态的影响，所以可用来表示此时的平均寿

命，式中：t为系统工作时间。

2.2 失效率的约束与优化

嵌入式在某时间段内出现失效的概率就是嵌入式电子信息系统失效率的定义，失效的概率的计算方法如下：用系统工作了t时间后，单位时间段内发生失效的设备数比时刻t仍正常工作设备数，计算表达式为，式中：为失效设备数；为t时刻

仍正常工作的设备数。嵌入式系统的失效期可分为三个时期：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对较高，但可以利用内部调整的方法对其进行消除；偶然失效期是系统运行最稳定的时期，系统发生故障率较低且很稳定，该时期内系统发生的大部分失效是由于受到偶然因素（如突然过载等）的影响，且失效的概率较低；特定失效期大多是由系统的使用时间过长等因素造成的，如果能够预测发生损耗的时间，就可以进行及时调整以降低失效率。

2.3 故障密度函數的约束与优化

故障密度函数可以作为一项约束条件，原因是故障密度可以对嵌入式系统进行有效的检测。设为时刻t到时间段内系统发生故障的次数，为嵌入式电子信息系统的硬件总数，则式：即为嵌入式

电子信息系统的最小故障密度约束函数。为了减少系统故障次数，运用积分奇异性半解析处理方法对嵌入式电子信息系统的故障密度函数进行优化，经过优化的系统故障密度函数为。

2.4 可用度的优化

模型假设系统表示系统处于故障状态，系统表示系统处于可使用状态，则式表示此时系统的可用度模型，在得到可用度模型之后，利用积分对系统可用度进行优化，优化过后表示模型，对上述指标进行优化后，

可以其为基础建立嵌入式电子信息系统可靠度模型。设嵌入式电子信息系统的寿命和发生故障后的维修时间均呈现指数分布，则维修后的系统寿命分布不发生变化。因此式即为整个系统的可靠度数学模型，式中：k为非故障模块数量；B为系统的故障概率。

3 实验结果分析

3.1 可用度分析

由实验可知，在0～45min时间段内可用度一直呈现升高趋势，但在45min后突然开始下落，而且无法再次升高，导致其平均可用度约为32%；运用上述提出的可用度优化方法进行处理后，在0～35min时间段内，可用度的升高虽然较为缓慢，但在35min后却快速升高，而且没有二次下落，平均可用度提升到了57%，平均可用度提高了25%。

3.2 平均寿命

在系统消耗功率相同的前提条件下，使用上述的可靠度优化方法进行处理之后，其平均寿命一直处于波动状态，且总体平均寿命呈现下滑趋势。

3.3 故障率

在系统运行硬件配置相同的前提条件下，使用改进可靠度优化方法对实验进行分析，其故障率随着使用时间的增加而增加；使用上述所提出的方法时，虽然故障率也是随使用时间的增加而增加，但是其故障率增加有限。

3.4 失效率

运用改进的系统可靠度优化方法对失效率进行对比分析，其失效率一直处于波动状态，稳定性较差；使用上述的改进方法时，其失效率一直处于波动下落的状态，而且在70min之后再无升高，使其最终失效率降低到14%，因此此方法具有一定的优势。

4 结语

本文提出了一种有效的优化嵌入式电子信息系统可靠度的方法，经过对嵌入式电子信息系统的工作原理的分析，分别对嵌入式电子信息系统故障密度函数、可用度、平均寿命及失效率4个指标进行了优化。与传统方法相比，本文提出的可靠度优化方法具有一定的借鉴价值。

参考文献

[1] 庞斯棉.嵌入式电子时钟系统的设计与实现[J].电子测试，2015，（6）.

[2] 何炎祥，喻涛，陈勇，等.面向嵌入式系统绿色需求的数据分配方法[J].计算机研究与发展，2015，（1）.

作者简介：陈良（1986-），男，湖北黄冈人，供职于广东九联科技股份有限公司，研究方向：软件测试及管理。

（责任编辑：蒋建华）