浅析安全系统设计中的三种冗余技术

在安全系统设计中，为防护硬件随机性故障造成的功能失效，会用到不同于一般电子产品的设计方法，这些设计方法在功能安全标准如IEC61508、ISO26262有推荐的方法列表，根据电子系统的不同组成部分，可以应用不同的设计方法。本文来谈谈应用比较多的冗余技术，具体有硬件冗余、信息冗余、软件冗余。

硬件冗余：

硬件冗余是将多个硬件单元复制作为一个整体来提供功能。从组成部分来看，多个硬件单元可以是相同的，也可以是不同的，如使用相同的硬件，但是操作系统和应用不同，或者只有应用不同的。从最终输出来看，可以没有独立的表决器，由其中一个处理单元准备输出，也可以有独立的表决器。下面介绍几种典型的冗余架构：

主/从控制架构：以一个计算单元作为主控制输出，另一个计算单元作为从控制。在下面的架构中，主控制单元和从控制单元都对输入数据进行处理，并进行互相交互的校核，当从控制单元检查主控制单元的输出存在故障时，对主控制单元进行复位。该架构中当从控制单元的检查存在时间上的延迟，需要对故障输出的延迟时间影响增加分析。

双核锁步架构：芯片内的双核锁步架构冗余技术，每条CPU指令都由两个处理器独立地执行，每个处理器读取、写入数据后执行下一条指令，主处理器控制总线，从控制器控制一个监控器，当两个处理器发生不一致时，监控器用来使芯片输出导向安全，输出报警给外部的监控芯片。为了防止外部瞬态的电磁干扰，两个处理器在执行的时序上采用分时执行的方法。

NooM架构：由两个硬件计算单元构成的2oo2架构，由2个以上的计算单元可以构成2*2oo2或2oo3架构。2oo2架构能检查单个单元的故障，但是无法容错。它的共因故障是需要避免的，软件要具备硬件同样等级的安全性水平，硬件设计避免有共用部分，对CPU、内存应引入自检机制，以避免潜伏故障。

2oo2架构的一种近似架构是1oo2D架构，它也是由两个处理单元组成，每个处理单元都有对应的故障检测模块，比如说独立的看门狗，看门狗的输出用来控制选择开关，授权哪个处理单元对外输出。

多个处理单元的NooM架构有2oo3，兼顾了安全性和可用性。对于单个处理单元的故障，通常是将其导向安全侧输出，但也有设计为故障后进行重置，分享其状态给其它处理单元。举Boeing 777中的飞控计算机为例，由三个处理单元PFC（Primary Flight Computer）组成，PFC之间通过独立三个通信网络进行通信，每个PFC内部有三个异构的处理器Intel、Motorola和AMD，从而避免处理器的共因故障。每个处理单元在三种状态之间转换：控制、待机和监视，执行器对处理单元的输出进行选择。

信息冗余：

信息冗余增加多余的信息码，用于检测传输数据的错误，也可用于纠错，应用于内存，数据总线和通信网络的数据错误。常用的有奇偶校验，CRC校验，海明码和算术码。奇偶校验只能检测单bit错误，无法检测双重bit错误。CRC校验还可以应用于校验存储在内存中的数据或程序是否被篡改。

海明码用于存储或传输数据时检测和纠正错误，通过增加额外的奇偶校验位实现。标准汉明码只能检测和纠正单bit错误。对于双重bit错误，可以添加一个额外的总体奇偶校验位，以可靠地检测两位中的错误。这称为单纠错/双纠错检测 （SECDED）。

算术编码用包含两个字段的编码替代原来的数据：数据部分和编码部分。能够检测三种类型的错误：

operation error（操作数错误）：计算机使用预期操作符处理操作数得到了错误的结果 。这种类型的错误，非常类似于传输错误，但不会给代码设计带来新的约束。

operator error（操作符错误）：计算机使用好的操作数，但有一个非预期的运算符。例如，如果一个加法运算符被替换成乘法运算符，结果是假的，即使乘法计算的结果是正确的。对这种类型的错误的检测，不是数据传输通道存在的错误，需要对运算符增加编码。

operand error（操作错误）：一种情况是地址错误，相当于用一个变量替换了另一个变量。这种类型的错误发生在传输系统中，在不同的通道之间发生了串扰。类似于传输过程中收到了发送到另一个接收者的数据。另一种情况是存储错误，存储的数据变化或者没有被更新，是过时的数据。  

软件冗余：

软件在同一个处理器执行两次，由外部设备进行表决，可以用于检测内存错误。需要将软件分别加载到不同的内存区域，因此，各种内存的故障如RAM、ROM、EPROM，都可以在运行过程中检测出来。但软件冗余属于执行程序的冗余，对于共享的硬件处理器故障无法检测。 可以在执行过程中加入指令的自测试，对不一致的数据进行比较，对处理器进行全面的功能测试。为了进行有效的检测，测试覆盖率必须足够（覆盖应用指令等），并且必须在正确的时间执行（初始化，在每个周期内，定期，在任务结束时）。这种做的缺点是增加了处理器的性能开销。 软件冗余相比硬件冗余更简单，但检测错误的有效性需要应用其它技术进行弥补，采用软件的多样化和自检测技术可以作为很好的补充。另外，由于软件的冗余执行，执行时间较长，适用于对时间性能要求不高的系统。

总结

以上是三种冗余技术的介绍，都是通过增加冗余的资源以实现故障的检测，有硬件资源的冗余，数据信息的冗余和软件执行层的冗余，通过一些简单的示例进行了说明。在实际系统的设计中，往往不仅仅采用单一的技术，而是多种冗余技术相结合。同时，冗余技术在于它对随机故障的检测有效性，与异构多样化相结合，实际使用可以提高对系统性故障的检测能力。

编辑：黄飞