摘要：文章經(jīng)過對嵌入式電子信息系統(tǒng)工作原理的分析，建立了嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度約束模型，優(yōu)化了嵌入式電子信息系統(tǒng)的失效率、故障密度函數(shù)、可用度及平均壽命，并算出了最佳狀態(tài)下的可靠度參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：新的可靠度優(yōu)化方法具有一定的實(shí)用性，提高了嵌入式系統(tǒng)的可用度、建模準(zhǔn)確度及使用壽命，優(yōu)化了嵌入式系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：電子信息系統(tǒng)；嵌入式；優(yōu)化措施；可靠度；約束模型 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

嵌入式是單片機(jī)的升級(jí)版，同時(shí)也是目前熱門的研究領(lǐng)域?，F(xiàn)如今電子設(shè)備的研發(fā)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大，所以嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)過程逐漸趨于復(fù)雜化，系統(tǒng)所依托的軟硬件技術(shù)也在飛速發(fā)展。將電子信息系統(tǒng)和嵌入式結(jié)合之后，其可以廣泛運(yùn)用于交通控制、國防建設(shè)、航天航空以及核電能源等安全的關(guān)鍵領(lǐng)域，發(fā)揮出無法代替的作用。嵌入式系統(tǒng)的可靠度無法確保的最主要原因是系統(tǒng)受到系統(tǒng)理論、開發(fā)技術(shù)及保障技術(shù)等因素的限制。正是由于這個(gè)原因，用戶對于系統(tǒng)的可靠性便產(chǎn)生了很大的質(zhì)疑，因此該領(lǐng)域受廣大學(xué)者關(guān)注、亟待解決的問題即是如何提高嵌入式相關(guān)電子信息系統(tǒng)的可靠度。以此為基礎(chǔ)，本文詳盡探討、分析嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度的完善措施。

1 系統(tǒng)可靠度問題的產(chǎn)生

外部需求日益增多和技術(shù)的不斷增強(qiáng)，使得嵌入式系統(tǒng)的功能也得到了逐步擴(kuò)展，系統(tǒng)規(guī)模日漸復(fù)雜與龐大，同時(shí)系統(tǒng)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(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。嵌入式電子信息系統(tǒng)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(diǎn)，一般的小系統(tǒng)僅有16kB的程序空間和1kB的數(shù)據(jù)空間；而一般的大系統(tǒng)其FLASHMEMORY可以達(dá)到32MB，SRAM可以達(dá)到128MB，原因是其一般都具有特定的應(yīng)用目標(biāo)；如果系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(shè)器件及圖形控制器等硬件部分的性能不同也會(huì)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是利用硬盤來存取信息，而嵌入式電子信息系統(tǒng)則不同，其主要的存儲(chǔ)介質(zhì)是EEPROM、EPROM及閃存。大多數(shù)情況下，操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序共同組成了嵌入式電子信息系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)構(gòu)，其主要的功能是：為應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的系統(tǒng)接口，對計(jì)算中硬件存在的差異進(jìn)行補(bǔ)平，完成任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理的控制，然而其軟件的不穩(wěn)定與硬件的不兼容均會(huì)導(dǎo)致可靠度降低。因?yàn)橄到y(tǒng)的應(yīng)用程序需要在EOS基礎(chǔ)上完成特定的任務(wù)，嵌入式系統(tǒng)本身自帶ROM的容量有限，但是嵌入式電子信息系統(tǒng)本身卻沒有自舉開發(fā)功能，因此用戶就必須借助環(huán)境和一套開發(fā)工具進(jìn)行二次開發(fā)，這也會(huì)降低系統(tǒng)的可靠度。經(jīng)過上述分析可知，導(dǎo)致嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度不穩(wěn)定的主要原因有：（1）硬件環(huán)境的不穩(wěn)定。整個(gè)嵌入式電子信息系統(tǒng)中應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)的平臺(tái)即為硬件環(huán)境，不同的應(yīng)用程序?qū)τ布h(huán)境的要求不同，導(dǎo)致了硬件環(huán)境的多樣性，進(jìn)而造成嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度的不穩(wěn)定；（2）嵌入式操作系統(tǒng)的不穩(wěn)定。操作系統(tǒng)可以完成嵌入式應(yīng)用的控制和任務(wù)調(diào)度等核心功能，嵌入式芯片具有可配置、內(nèi)核精簡、相對穩(wěn)定及與高層應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)等特點(diǎn)，但是芯片與系統(tǒng)兼容性上存在的較大問題，導(dǎo)致了可靠度的不穩(wěn)定；（3）嵌入式應(yīng)用程序的不穩(wěn)定。即便操作系統(tǒng)提供了較為完整的嵌入式運(yùn)行結(jié)構(gòu)，但由于操作系統(tǒng)上的各個(gè)程序編程環(huán)境不相同，差異化的應(yīng)用程序也會(huì)降低系統(tǒng)的可靠度。

2 系統(tǒng)可靠度優(yōu)化建模

2.1 平均壽命的約束

衡量嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度的一個(gè)關(guān)鍵因素就是系統(tǒng)的平均使用壽命。設(shè)嵌入式電子信息系統(tǒng)的任意一個(gè)過程為，符合約束條件，對應(yīng)的隨機(jī)變量為，狀態(tài)集為，且為正態(tài)分布，那么在狀態(tài)已知的條件下，不會(huì)影響到系統(tǒng)中的條件概率，其只受到所處的狀態(tài)的影響，所以可用來表示此時(shí)的平均壽

命，式中：t為系統(tǒng)工作時(shí)間。

2.2 失效率的約束與優(yōu)化

嵌入式在某時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)失效的概率就是嵌入式電子信息系統(tǒng)失效率的定義，失效的概率的計(jì)算方法如下：用系統(tǒng)工作了t時(shí)間后，單位時(shí)間段內(nèi)發(fā)生失效的設(shè)備數(shù)比時(shí)刻t仍正常工作設(shè)備數(shù)，計(jì)算表達(dá)式為，式中：為失效設(shè)備數(shù)；為t時(shí)刻

仍正常工作的設(shè)備數(shù)。嵌入式系統(tǒng)的失效期可分為三個(gè)時(shí)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(nèi)部調(diào)整的方法對其進(jìn)行消除；偶然失效期是系統(tǒng)運(yùn)行最穩(wěn)定的時(shí)期，系統(tǒng)發(fā)生故障率較低且很穩(wěn)定，該時(shí)期內(nèi)系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)的使用時(shí)間過長等因素造成的，如果能夠預(yù)測發(fā)生損耗的時(shí)間，就可以進(jìn)行及時(shí)調(diào)整以降低失效率。

2.3 故障密度函數(shù)的約束與優(yōu)化

故障密度函數(shù)可以作為一項(xiàng)約束條件，原因是故障密度可以對嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行有效的檢測。設(shè)為時(shí)刻t到時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)發(fā)生故障的次數(shù)，為嵌入式電子信息系統(tǒng)的硬件總數(shù)，則式：即為嵌入式

電子信息系統(tǒng)的最小故障密度約束函數(shù)。為了減少系統(tǒng)故障次數(shù)，運(yùn)用積分奇異性半解析處理方法對嵌入式電子信息系統(tǒng)的故障密度函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化的系統(tǒng)故障密度函數(shù)為。

2.4 可用度的優(yōu)化

模型假設(shè)系統(tǒng)表示系統(tǒng)處于故障狀態(tài)，系統(tǒng)表示系統(tǒng)處于可使用狀態(tài)，則式表示此時(shí)系統(tǒng)的可用度模型，在得到可用度模型之后，利用積分對系統(tǒng)可用度進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化過后表示模型，對上述指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化后，

可以其為基礎(chǔ)建立嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度模型。設(shè)嵌入式電子信息系統(tǒng)的壽命和發(fā)生故障后的維修時(shí)間均呈現(xiàn)指數(shù)分布，則維修后的系統(tǒng)壽命分布不發(fā)生變化。因此式即為整個(gè)系統(tǒng)的可靠度數(shù)學(xué)模型，式中：k為非故障模塊數(shù)量；B為系統(tǒng)的故障概率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 可用度分析

由實(shí)驗(yàn)可知，在0～45min時(shí)間段內(nèi)可用度一直呈現(xiàn)升高趨勢，但在45min后突然開始下落，而且無法再次升高，導(dǎo)致其平均可用度約為32%；運(yùn)用上述提出的可用度優(yōu)化方法進(jìn)行處理后，在0～35min時(shí)間段內(nèi)，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(tǒng)消耗功率相同的前提條件下，使用上述的可靠度優(yōu)化方法進(jìn)行處理之后，其平均壽命一直處于波動(dòng)狀態(tài)，且總體平均壽命呈現(xiàn)下滑趨勢。

3.3 故障率

在系統(tǒng)運(yùn)行硬件配置相同的前提條件下，使用改進(jìn)可靠度優(yōu)化方法對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，其故障率隨著使用時(shí)間的增加而增加；使用上述所提出的方法時(shí)，雖然故障率也是隨使用時(shí)間的增加而增加，但是其故障率增加有限。

3.4 失效率

運(yùn)用改進(jìn)的系統(tǒng)可靠度優(yōu)化方法對失效率進(jìn)行對比分析，其失效率一直處于波動(dòng)狀態(tài)，穩(wěn)定性較差；使用上述的改進(jìn)方法時(shí)，其失效率一直處于波動(dòng)下落的狀態(tài)，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(yōu)勢。

4 結(jié)語

本文提出了一種有效的優(yōu)化嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度的方法，經(jīng)過對嵌入式電子信息系統(tǒng)的工作原理的分析，分別對嵌入式電子信息系統(tǒng)故障密度函數(shù)、可用度、平均壽命及失效率4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化。與傳統(tǒng)方法相比，本文提出的可靠度優(yōu)化方法具有一定的借鑒價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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

（責(zé)任編輯：蔣建華）