基于Markov链的嵌入式系统硬件可靠性研究

摘要:嵌入式系统产品在使用过程中经常出现硬件故障，从而影响系统的安全可靠性。从嵌入式系统硬件层面研究其可靠性。首先定义嵌入式系统硬件目标，简单介绍了Markov过程理论；建立了单个IP硬核和嵌入式系统硬件的Markov模型；应用所建立的模型，对嵌入式站间自动闭塞控制器硬件进行了可靠度计算和分析。实验结果表明，该Markov模型能够准确描述嵌入式系统硬件的状态变迁，并能计算和分析其可靠度，具有一定的实用价值。

关键词:可靠性；硬件；嵌入式系统；Markov链；站间自动闭塞

中图分类号: TP302.7，TP202.1文献标志码:A

Hardware reliability study of embedded system based on Markov chain

GUO Rong.zuo1*, HUANG Jun2，WANG Lin3

1. College of Computer Science， Sichuan Normal University, Chengdu Sichuan 610068, China;

2. Department of Grounding Instruction， Sichuan Technology and Business College, Dujiangyan Sichuan 611830, China;

3. Department of Electronic Information and Electrical Engineering， Chengdu Textile College, Chengdu Sichuan 611731 ,China

Abstract:

The embedded system products often appear hardware failure in use process, which affects the safety and reliability of the system. In this paper, it is researched its reliability from the embedded system hardware level. At first, it is defined the goal of the embedded system hardware, and introduced the theory of Markov process. And then, it is set up a single IPand embedded system hardware Markov model. The last, it is calculated and analyzed the reliability of the embedded controller hardware automatic block in used the established model. Through the results show that the model can be set up in this paper Markov accurate description of the embedded system hardware state change, and can be calculated and analyzed their reliability. Therefore, this research is feasible, the model has certain practical value.

The products of embedded system often have hardware failure while in use, which affects the safety and reliability of the system. In this paper, its reliability was researched from the embedded system hardware level. At first, it defined the goal of the embedded system hardware, and introduced the theory of Markov process. And then, a single IPand embedded system hardware Markov model was set up. At last, the reliability of the embedded controller hardware automatic block was calculated and analyzed through the established model. The results show that the Markov model can accurately describe the embedded system hardware state change, and can calculate and analyze their reliability. Therefore, the model has certain practical value.Key words:

reliability; hardware; embedded system; Markov chain; inter.station automatic block

0 引言

嵌入式系统的可靠性是指系统在规定的条件下，在规定的时间内，系统完成规定功能的能力。嵌入式系统由硬件和软件构成，其可靠性包括硬件可靠性和软件可靠性两方面。嵌入式系统硬件可靠性包括元器件可靠性、设备（功能部件）可靠性和系统可靠性。嵌入式系统硬件可靠性主要体现为系统可靠性，而系统可靠性以印刷电路板的可靠性来体现。因此，嵌入式系统硬件电路板的可靠性对整个嵌入式系统的正常运行起到至关重要的作用，若电路板在运行中发生故障或出现不可靠因素，则该嵌入式系统的可靠性将受到极大的影响。

在使用嵌入式系统产品时，软件方面的问题比较少见，而硬件故障却是经常出现，比如手持设备使用一段时间后，会出现键盘、电源和存储卡等故障。嵌入式系统越来越多地应用于各种控制系统中，比如微波炉、洗衣机和空调等家用电器；在工业领域，越来越多的嵌入式实时控制系统服务于生产过程，比如各种工业生产现场使用的仪器仪表、数据采集终端和现场驱动等；在军事、航空领域等领域，使用的控制系统，也是嵌入式实时控制系统。人们总是期望这样的嵌入式系统在有效期内，能够安全可靠地运行，完成各种控制功能。

国内外学者对计算机系统硬件的可靠性进行了相关研究。Bobbio等［1］将Markov模型引入单部件的可靠性分析，对一个具有多种失效模式的硬件部件进行了研究。Kuo等［2］总结了k/n表决系统的可靠性模型，并提出了改进系统可靠性的优化策略。Arulmozhi［3］］进一步研究了k/n表决系统的可靠性模型，针对异构部件组成的表决系统提出了一种简单有效的计算模型。Sherwin等［4］对热备和冷备系统进行了可靠性分析。对于硬件系统的可靠性分析，Pukite等［5］对一些常见的硬件结构进行了总结并且完成了对这些硬件结构的Markov建模。国内的梅登华等［6］对控制系统硬件可靠性进行了研究。虽然这些基于Markov的可靠性研究取得了一定的成果，但这些研究，没有专门对嵌入式系统硬件可靠性进行研究，更没有专门对嵌入式实时控制系统硬件的可靠性进行研究。由此可见，研究嵌入式系统硬件可靠性是十分必要的，也是迫在眉睫的。

本文以Markov过程为理论基础，从嵌入式系统硬件的单个IP硬核到系统，全面深入研究嵌入式系统硬件的可靠性及建模，并应用所建立的可靠性模型对具体的嵌入式实时控制系统进行硬件可靠性分析。

1 嵌入式系统目标定义

在对嵌入式系统硬件（Embedded System Hardware，ESH）可靠性进行研究之前，需先定义其硬件构成。任何嵌入式系统的硬件子系统，由嵌入式处理器和各种功能单元组成，功能单元主要有IP核和软件组件，IP核无论是IP硬核、软核还是固件核，都是一种功能硬件，在此将IP核统称为IP硬核。IP硬核由电子元器件（Electronic Component，EC）、电路及其结构（Circuit and its Structure，CiS）、电路板（Circuit Board，CB）和执行装置（Executive Device，ED）等组成。

嵌入式系统硬件是可用的条件为：当且仅当所有IP硬核可用，且所有IP硬核的可用性概率是独立随机事件。因此，系统的稳态可用性的概率就是所有IP硬核在同一时刻的可用性概率之积。

2.2.2 系统硬件失效模式

引起嵌入式系统硬件失效的因素很多，有工作条件、环境应力及时间对系统性能的劣化或失效所产生的影响，也有组成嵌入式系统硬件的物理和化学等微观因素导致的。失效发生过程既是原子、分子微观变化过程，又是整体上宏观变化过程。在一定条件下，系统本身会由正常状态逐渐向不正常状态转化，最终将不可逆地退化为失效状态。

嵌入式系统硬件失效模式，是指嵌入式系统硬件设计过程中，通过对系统组成模块（包括元器件、零部件、和电路板等细节）可能发生的失效模式进行分析，并得到其对系统功能的影响，提出预防嵌入式系统硬件失效的措施，以提高嵌入式系统硬件的可靠性 ［9］。

嵌入式系统硬件从寿命特征来分析，服从如图2所示的曲线［10］。从曲线可知，嵌入式系统硬件失效率随时间变化大致可分为三个阶段：早期失效期Ⅰ、偶然失效期Ⅱ、耗损失效期Ⅲ 。因此，在嵌入式系统硬件使用寿命内，系统将出现失效的可能性较早期和耗损期要小，但会出现失效，从而引起系统的不可靠。