计算机联锁控制系统软件可靠性与安全性技术保障(共24页).ppt

1、一、一、1、故障的分类(1)永久故障 :软件编程出现错误 (2)瞬间故障 ：硬件的瞬间故障和干扰 。2、软件的故障平安性 指软件无论是否完成其预定功能，不会导致意外事故发生的概率 一、一、软件故障平安性的主要研究内容软件故障平安性的主要研究内容(1)软件故障平安性需求分析及软件故障平软件故障平安性需求分析及软件故障平安性设计安性设计 消除与控制系统危险的方法消除与控制系统危险的方法减少损失的方法减少损失的方法 (2)软件故障平安性验证和确认及软件的故软件故障平安性验证和确认及软件的故障平安评估。障平安评估。 1 1、定义、定义 操作系统是最根本的系统软件，是计算操作系统是最根本的系统软件，是计

2、算机用户和计算机硬件之间的接口程序模块，机用户和计算机硬件之间的接口程序模块，是计算机系统的核心控制软件。其功能简是计算机系统的核心控制软件。其功能简单描述就是控制和管理计算机系统内部各单描述就是控制和管理计算机系统内部各种资源。有效组织各种程序高效运行，从种资源。有效组织各种程序高效运行，从而为用户提供良好的、可扩展的系统操作而为用户提供良好的、可扩展的系统操作环境，到达使用方便、资源分配合理、平环境，到达使用方便、资源分配合理、平安可靠的目的。安可靠的目的。目前联锁中采集的操作系统DOS、WINDOWS、LINUX、VxWorks2、几种操作系统的分析(1)通用计算机的操作系统 2005年

3、 ,类Unix家族和微软Windows家族(2)主机系统和嵌入式操作系统 使用多样的系统，并且很多和Windows、Unix都没有直接的联系 微软微软MicrosoftnMS-DOS nXenix nMicrosoft Bob n基于基于MS-DOS操作系统的操作系统的Windows nWindows 1.0 nWindows 2.0 nWindows 3.1 nWindows 95 nWindows 98 nWindows ME nWindows NT nWindows NT 3.5 nWindows NT 4 nWindows 2000 nWindows XP nWindows XP Me

4、dia Center Edition nWindows XP Professional x64 Edition nWindows Server 2003 nWindows Server 2003 64-bit Edition nWindows Vista 非非Unix商业操作系统商业操作系统nCPM操作系统 nMP/M-80 nUCSD P-system nMini-FLEX nSSB-DOS nCP/M-86 nDR-DOS nFreeDOS nMS-DOS nPC-DOS nMach 由卡纳尼基梅隆大学研究 nL4微内核 第二代微内核 nCHORUS nChoices nMultics n

5、OS-9 nNSJ Unix及类似系统及类似系统nA/UX(Apple UNIX) nUnix n微软Xenix nChorusOS nCromix nUNIflex nOS-9 nIBM的AIX nBSD nFreeBSD nNetBSD nOpenBSD nDragonFly BSDnDigital UNIX，即之后康柏Tru64 nDNIX nHP的HP-UX nGNU/Hurd nSGI的IRIX nLinux或称GNU/Linux nMac OS X nMenuetOS nMinix nOSF/1 nSCO的SCO UNIX nSun的SunOS，即之后的Solaris nSyste

6、m V nUltrix nUniCOS n麒麟操作系统(Kylin),由国防科技大学、中软公司、联想公司、浪潮公司和民族恒星公司五家单位合作研制的效劳器操作系统 nOS/390 nz/OS nSyllable 嵌入式实时操作系统nVxWorksn美国美国WindRiver公司的产品公司的产品,应用很广泛，市场占应用很广泛，市场占有率比较高有率比较高 nCOS-II:n美国嵌入式系统专家美国嵌入式系统专家Jean JLabrosse用用C语言语言编写的一个结构小巧、抢占式的多任务实时内核编写的一个结构小巧、抢占式的多任务实时内核 nClinuxn优秀的嵌入式优秀的嵌入式Linux版本，其全称为版

7、本，其全称为micro-control LinuxneCos neCos(embedded Configurable operating system)，即嵌入式可配置操作系统，即嵌入式可配置操作系统 n1、采用不对称编码表示涉及平安的信、采用不对称编码表示涉及平安的信息息n2、关键数据异地多份存储、关键数据异地多份存储n空间冗余空间冗余 n3、标准化数据结构与数据生成方式、标准化数据结构与数据生成方式 n机辅设计机辅设计 n4、数据完好的正确性检验、数据完好的正确性检验 n检验软件检验软件 四、功能软件的可靠性与平安性保障四、功能软件的可靠性与平安性保障(一一) 故障平安软件设计的根本原那么

8、及方故障平安软件设计的根本原那么及方1、采用冗余结构，多样性，双份编码、采用冗余结构，多样性，双份编码 2、充分的分析和测试、充分的分析和测试 3、失败或可疑时，可采用程序卷回的方、失败或可疑时，可采用程序卷回的方法法4、所有在线的计算机应该进行连续的比、所有在线的计算机应该进行连续的比较较5、正确的次序执行、正确的次序执行 6、采用固件运行的模式、采用固件运行的模式 7、失效发生、失效发生 ，输出限定在平安状态。，输出限定在平安状态。 8、监视器防止程序进入死循环或停止运、监视器防止程序进入死循环或停止运行行 (二二) 程序设计阶段必须遵循的措施程序设计阶段必须遵循的措施1、严格遵守软件工程

9、方法 编制正确的规格说明书 ，良好的软件开发工具和环境 2、采用模块化程序设计原那么 (1)每个模块对应一种特定功能。(2)一个模块只应有一个入口和一个出口。(3)任何模块长度不得超出该系统规定的极限。(4)模块间的接口应尽可能简单。(5)模块的输入输出参数应限制到最少 (二二) 程序设计阶段必须遵循的措施程序设计阶段必须遵循的措施3、采用结构化程序设计原那么 (1) 平安关键模块之间的接口严格的校验。 (2) 明确的平安侧和危险侧。使用前进行验证。 (3) 选择结构应使用条件标志的危险例编码做为判断条件；对选择结构的两个出口必须规定哪一个是平安侧。(4) 应校验危险出口有关的所有条件标志；在

10、选择平安侧出口时，只作简单校验即可。 4、正确的数据结构和良好的设计风格 (三三) 软件容错设计根本技术软件容错设计根本技术1、N版本程序设计版本程序设计NVP静态冗余结构静态冗余结构优点优点:机构简单，不需设计检测程序机构简单，不需设计检测程序缺点：缺点：处理时间是单版本的处理时间是单版本的N倍；倍；设计所花的力量是单版本的设计所花的力量是单版本的N倍；倍；表决程序设计比较困难；表决程序设计比较困难；与外部事件同步或并行处理中有交互过程时，与外部事件同步或并行处理中有交互过程时，难于处理。难于处理。NVP结构(三三) 软件容错设计根本技术软件容错设计根本技术2、恢复块、恢复块Recovery

11、 Block技术技术 (三三) 软件容错设计根本技术软件容错设计根本技术3、容错算法的设计 数值运算容错设计1慎重设计算法，合理安排运算顺序2子程序的容错设计逻辑运算的容错设计(四四) 减少程序失控的编程技术减少程序失控的编程技术n1尽量采用单字节指令n2尽量少用程序控制类指令的操作码作多字节指令的操作数，以降低程序失控的概率。n3慎用堆栈操作指令 n4指令冗余n5关键指令的双重化n6指令复执 n7程序卷回(五五)程序失控的捕捉技术程序失控的捕捉技术n1软件陷阱法n实际的软件陷阱是由三条指令构成的：nNOPnNOPnLJMP ERRn2监督定时器WDT法( (六六) )接口软件的容错设计接口软件的容错设计n1、输入接口软件的容错设计n开关量