專利名稱：一種高效安全的計算機在線自檢方法及自檢裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種安全(Safety)領(lǐng)域內(nèi)設(shè)備自檢方法及裝置，尤其是涉及一種高效安全的計算機在線自檢方法及自檢裝置。
背景技術(shù)：
在線自檢是實現(xiàn)計算機平臺安全運行的基礎(chǔ)。一般是對計算機平臺的CPU、內(nèi)存進(jìn)行周期式的檢測，確保計算機平臺的安全性，在檢測到硬件失效后及時、有效地進(jìn)行必要的干預(yù)。CPU檢測通常執(zhí)行效率很高，可以在很短的時間內(nèi)完成；內(nèi)存檢測通常待測區(qū)域非常大，高安全的檢測算法復(fù)雜度較高，往往耗時非常長。
隨著嵌入式領(lǐng)域?qū)Π踩絹碓街匾暎踩嬎銠C通信數(shù)據(jù)量大、通信行為的不確定性和應(yīng)用處理時間較長，往往使CPU占用率過高，用于執(zhí)行內(nèi)存檢測的時間非常短，而內(nèi)存待測區(qū)域又非常大。那么就會面臨下列問題:
1、自檢周期的問題:隨著通信量的增加和應(yīng)用的豐富，計算機平臺會使用更大的內(nèi)存，以滿足日益增長的通信和應(yīng)用開銷。在線自檢所花費的時間會越來越多，自檢周期往往會達(dá)到數(shù)小時級甚至數(shù)十小時級別。
2、診斷覆蓋率的問題:為了保證在線自檢的高效，在線自檢通常會采用診斷覆蓋率相對較低的技術(shù)，在提高在線自檢效率的同時會犧牲一定的安全性。對于未使用到的內(nèi)存，現(xiàn)有的技術(shù)通常使用Abraham算法進(jìn)行檢測，或是不對其進(jìn)行測試。使用Abraham算法檢測使得內(nèi)存的檢測周期非常的長，尤其是通信量的增大和應(yīng)用的豐富，使得內(nèi)存容量達(dá)到數(shù)百MB甚至幾GB。往往達(dá)到數(shù)小時級別甚至數(shù)十小時級別。不對未使用的內(nèi)存進(jìn)行檢測會使整個內(nèi)存的診斷覆蓋率降低，無法達(dá)到算法預(yù)期的99%。
3、現(xiàn)有的高安全性在線檢測算法執(zhí)行效率問題:對于使用到的內(nèi)存檢測通常采用Abraham算法，使用32位處理器對一個N個字長的內(nèi)存塊進(jìn)行檢測，目前最優(yōu)算法的復(fù)雜度為30NXm，其中，算法復(fù)雜度為30N，需要采用m組測試數(shù)據(jù)。在帶有cache的處理器中，內(nèi)存檢測的時候會直接讀取cache中的數(shù)據(jù)，無法真正起到檢測內(nèi)存的目的，會給算法的診斷覆蓋率帶來一定的影響。為了保證cache不影響到內(nèi)存檢測算法的有效性，會采用禁用cache和等待cache數(shù)據(jù)過期的辦法，這樣的方法會導(dǎo)致內(nèi)存檢測的耗時過長。
4、在線自檢的內(nèi)存資源與其它功能耦合強的問題:在線自檢作為安全計算機的一部分，往往會將使用的內(nèi)存與計算機其它功能和操作系統(tǒng)所使用內(nèi)存相互混合在一起，增加了數(shù)據(jù)存儲的耦合性。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種自檢周期短、診斷覆蓋率高、執(zhí)行效率高、內(nèi)存資源獨立的高效安全的計算機在線自檢方法及自檢裝置。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
一種高效安全的計算機在線自檢方法，包括以下步驟:
I)啟動在線自檢裝置，設(shè)備初始化模塊初始化在線自檢任務(wù)，并分配各在線自檢任務(wù)所需使用的內(nèi)存空間；
2)獲取在線自檢的內(nèi)存測試所必須的內(nèi)存信息；
3)獲取預(yù)先設(shè)計好的測試數(shù)據(jù)和預(yù)期結(jié)果；
4)設(shè)備初始化模塊判斷是否獲取到繼續(xù)執(zhí)行在線自檢的信號，若為是，則執(zhí)行步驟5);若為否，則繼續(xù)執(zhí)行步驟4)；
5) CPU檢測模塊進(jìn)行CPU檢測，若未檢測到故障，則執(zhí)行步驟6);若檢測到故障，則執(zhí)行步驟8)；
6)內(nèi)存檢測模塊對不可變內(nèi)存進(jìn)行檢測，若未檢測到故障，則執(zhí)行步驟7);若檢測到故障，則執(zhí)行步驟8)；
7)內(nèi)存檢測模塊對可變內(nèi)存進(jìn)行檢測，若未檢測到故障，則執(zhí)行步驟4);若檢測到故障，則執(zhí)行步驟8)；
8)失效處理:失效處理模塊對檢測到的故障進(jìn)行相應(yīng)處理，并將故障信息進(jìn)行顯示報警和記錄。
所述的CPU檢測寄存器測試和指令測試。
所述的內(nèi)存檢測模塊可變內(nèi)存測試和不可變內(nèi)存測試。
所述的寄存器測試的測試內(nèi)容包括各寄存器的固定故障和寄存器之間的耦合故障。
所述的指令測試具體為:根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的測試數(shù)據(jù)和預(yù)期結(jié)果，以測試數(shù)據(jù)作為輸入源，判斷輸入源運算得到的結(jié)果與輸入源對應(yīng)的預(yù)期結(jié)果是否一致，若是，則指令測試通過，若否，則指令測試不通過。
所述的可變內(nèi)存測試采用的算法在不降低診斷覆蓋率的前提下降低算法復(fù)雜度，且無需考慮cache的影響。
所述的不可變內(nèi)存測試采用的算法為在不降低診斷覆蓋率的前提下復(fù)雜度為32N的校驗算法。
一種高效安全的計算機在線裝置，包括設(shè)備初始化模塊、CPU檢測模塊、內(nèi)存檢測模塊和失效處理模塊，所述的設(shè)備初始化模塊、CPU檢測模塊、內(nèi)存檢測模塊依次連接，失效處理模塊分別連接CPU檢測模塊和內(nèi)存檢測模塊。
所述的失效處理模塊人機接口和失效記錄裝置。
所述的內(nèi)存檢測模塊連接有外部校驗裝置。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
1、自檢周期縮短:結(jié)合內(nèi)存所存儲的數(shù)據(jù)特點，分別優(yōu)化內(nèi)存檢測算法，提高了內(nèi)存檢測算法的執(zhí)行效率，極大的縮短了自檢周期；
2、診斷覆蓋率高:通過對未使用的內(nèi)存采用校驗算法，對全部內(nèi)存進(jìn)行了檢測，內(nèi)存檢測仍然維持在高診斷覆蓋率的水準(zhǔn)；
3、在線檢測算法執(zhí)行效率高:通過對Abraham算法的優(yōu)化和校驗算法的使用，降低了算法的復(fù)雜度，減少了內(nèi)存檢測的操作，在保證診斷覆蓋率的同時，還提高了內(nèi)存檢測的執(zhí)行效率；
4、內(nèi)存資源獨立:采用獨立模塊加載的方式，保證了在線自檢所使用的內(nèi)存獨立于操作系統(tǒng)和其它功能所使用的內(nèi)存。


圖1為本發(fā)明方法的流程示意圖；圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，一種高效安全的計算機在線自檢方法，包括以下步驟:
步驟1:啟動在線自檢裝置，設(shè)備初始化模塊初始化在線自檢任務(wù)，并分配各在線自檢任務(wù)所需使用的內(nèi)存空間；
步驟2:獲取在線自檢的內(nèi)存測試所必須的內(nèi)存信息；
步驟3:獲取預(yù)先設(shè)計好的測試數(shù)據(jù)和預(yù)期結(jié)果；
步驟4:設(shè)備初始化模塊判斷是否獲取到繼續(xù)執(zhí)行在線自檢的信號，若為是，則執(zhí)行步驟5 ;若為否，則繼續(xù)執(zhí)行步驟4 ；
步驟5 =CPU檢測模塊進(jìn)行CPU檢測，若未檢測到故障，則執(zhí)行步驟6 ;若檢測到故障，則執(zhí)行步驟8;
步驟6:內(nèi)存檢測模塊對不可變內(nèi)存進(jìn)行檢測，若未檢測到故障，則執(zhí)行步驟7 ;若檢測到故障，則執(zhí)行步驟8;
步驟7:內(nèi)存檢測模塊對可變內(nèi)存進(jìn)行檢測，若未檢測到故障，則執(zhí)行步驟4 ;若檢測到故障，則執(zhí)行步驟8;
步驟8:失效處理:失效處理模塊對檢測到的故障進(jìn)行相應(yīng)處理(包括啟動備用設(shè)備、重啟或重新安裝等)，并將故障信息進(jìn)行顯示報警和記錄，通過人機接口，可以對外顯示報警:通過失效記錄裝置，可以記錄下失效信息，供后期分析使用。
在Abraham算法中，第N次對內(nèi)存進(jìn)行操作，然后對第N次的內(nèi)存操作結(jié)果進(jìn)行檢測，如果未檢測到失效，則等待一定時間或者將cache刷新。在第(i+1)步首先對第i次內(nèi)存操作結(jié)果進(jìn)行檢測。在本方法中，利用總線偵聽技術(shù)，保證了 cache中數(shù)據(jù)和內(nèi)存的一致性，無須在內(nèi)存檢測過程中考慮cache帶來的影響，對cache —致性前后的運算進(jìn)行優(yōu)化，每處優(yōu)化降低的復(fù)雜度為N，共計優(yōu)化6處，算法的復(fù)雜度優(yōu)化為24N。改進(jìn)后的Abraham算法仍然采用m組測試數(shù)據(jù)，復(fù)雜度共計為24NXm，僅為當(dāng)前算法的復(fù)雜度的80%，同時無須考慮cache帶來的影響。對于未使用到的內(nèi)存，使用32位校驗算法計算內(nèi)存數(shù)據(jù)，得到一個32位的校核字。該算法的復(fù)雜度僅為32N。本方法既減少了內(nèi)存檢測的操作，提高了效率，又保證了內(nèi)存檢測的診斷覆蓋率。
如圖2所示，執(zhí)行上述高效安全的計算機在線方法的裝置包括設(shè)備初始化模塊a、CPU檢測模塊b、內(nèi)存檢測模塊c和失效處理模塊d，所述的設(shè)備初始化模塊a、CPU檢測模塊b、內(nèi)存檢測模塊c依次連接，失效處理模塊d分別連接CPU檢測模塊b和內(nèi)存檢測模塊C，內(nèi)存檢測模塊c連接有外部校驗裝置e，失效處理模塊d人機接口 f和失效記錄裝置g。
對各模塊進(jìn)行闡述:
1、設(shè)備初始化模塊a:
設(shè)備初始化模塊a用來初始化CPU檢測模塊b、內(nèi)存檢測模塊c所需要使用到的硬件資源，同時還會配置外部設(shè)備，用以確定外部校驗裝置e、人機接口 f、失效記錄裝置g的連接。設(shè)備初始化模塊a還會預(yù)先獲取CPU測試和內(nèi)存測試所需要的測試數(shù)據(jù)、預(yù)期結(jié)果、地址信息，并初始化在線自檢結(jié)果。
2、CPU 檢測模塊 b:
CPU檢測模塊b對PowerPC架構(gòu)的CPU進(jìn)行檢測。根據(jù)PowerPC架構(gòu)的指令集特征，分別在用戶模式下進(jìn)行寄存器測試和指令測試。
寄存器測試包括通用寄存器測試和與運算相關(guān)的特殊寄存器測試。寄存器測試不僅檢測寄存器的固定故障，還會檢測寄存器之間的耦合故障；指令測試將PowerPC精簡指令集結(jié)合安全計算機平臺的應(yīng)用所使用到的指令，按照指令的功能分為運算、邏輯操作、移位、跳轉(zhuǎn)等若干類。根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的測試數(shù)據(jù)和預(yù)期結(jié)果，依據(jù)EN50129標(biāo)準(zhǔn)的要求準(zhǔn)備若干組高診斷覆蓋率的數(shù)據(jù)作為輸入源。輸入源運算得到的結(jié)果與輸入源對應(yīng)的預(yù)期結(jié)果比較，如果一致，則指令測試通過，如果有任意不一致，則指令測試不通過。
3、內(nèi)存檢測模塊c:
內(nèi)存測試模塊c對內(nèi)存進(jìn)行檢測。待測內(nèi)存區(qū)域由設(shè)備初始化模塊a獲取的內(nèi)存測試信息得到，分別對不可變內(nèi)存和可變內(nèi)存進(jìn)行檢測。所述的可變內(nèi)存測試采用的算法在不降低診斷覆蓋率的前提下降低算法復(fù)雜度，且無需考慮cache的影響。所述的不可變內(nèi)存測試采用的算法為在不降低診斷覆蓋率的前提下復(fù)雜度為32N的校驗算法。
不可變內(nèi)存通過計算冗余校驗碼與預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比較，若一致，則不可變內(nèi)存測試通過，若不一致，則不可變內(nèi)存不通過；可變內(nèi)存測試采用優(yōu)化后的高診斷覆蓋率算法實現(xiàn)，若算法結(jié)果通過，則將在線自檢的結(jié)果發(fā)送給外部校驗裝置e進(jìn)行進(jìn)一步的安全防護，若算法結(jié)果不通過，則可變內(nèi)存測試不通過。
4、失效處理模塊d:
失效處理模塊d將讓安全計算機進(jìn)入“失效-安全”狀態(tài)，并保持“失效-安全”狀態(tài)。根據(jù)設(shè)備初始化模塊a的配置，選擇性地對人機接口 f提供顯式報警和在失效記錄裝置g中記錄失效信息。
本發(fā)明已經(jīng)被應(yīng)用于軌道交通信號領(lǐng)域的安全等級達(dá)到SIL4的安全計算機平臺中。在該安全計算機平臺的實際運行中，本發(fā)明每周期在確定的時間段對CPU和2GB的內(nèi)存進(jìn)行檢測，每周期的檢測不超過30毫秒，對所有待測對象完成一次完整的測試不超過30分鐘。本發(fā)明適用于嵌入式系統(tǒng)的所有安全計算機平臺。
權(quán)利要求
1.一種高效安全的計算機在線自檢方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)啟動在線自檢裝置，設(shè)備初始化模塊初始化在線自檢任務(wù)，并分配各在線自檢任務(wù)所需使用的內(nèi)存空間； 2)獲取在線自檢的內(nèi)存測試所必須的內(nèi)存信息； 3)獲取預(yù)先設(shè)計好的測試數(shù)據(jù)和預(yù)期結(jié)果； 4)設(shè)備初始化模塊判斷是否獲取到繼續(xù)執(zhí)行在線自檢的信號，若為是，則執(zhí)行步驟5);若為否，則繼續(xù)執(zhí)行步驟4)； 5)CPU檢測模塊進(jìn)行CPU檢測，若未檢測到故障，則執(zhí)行步驟6);若檢測到故障，則執(zhí)行步驟8)； 6)內(nèi)存檢測模塊對不可變內(nèi)存進(jìn)行檢測，若未檢測到故障，則執(zhí)行步驟7);若檢測到故障，則執(zhí)行步驟8)； 7)內(nèi)存檢測模塊對可變內(nèi)存進(jìn)行檢測，若未檢測到故障，則執(zhí)行步驟4);若檢測到故障，則執(zhí)行步驟8)； 8)失效處理:失效處理模塊對檢測到的故障進(jìn)行相應(yīng)處理，并將故障信息進(jìn)行顯示報警和記錄。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效安全的計算機在線方法，其特征在于，所述的CPU檢測寄存器測試和指令測試。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效安全的計算機在線方法，其特征在于，所述的內(nèi)存檢測模塊可變內(nèi)存測試和不可變內(nèi)存測試。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高效安全的計算機在線方法，其特征在于，所述的寄存器測試的測試內(nèi)容包括各寄存器的固定故障和寄存器之間的耦合故障。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高效安全的計算機在線方法，其特征在于，所述的指令測試具體為:根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的測試數(shù)據(jù)和預(yù)期結(jié)果，以測試數(shù)據(jù)作為輸入源，判斷輸入源運算得到的結(jié)果與輸入源對應(yīng)的預(yù)期結(jié)果是否一致，若是，則指令測試通過，若否，則指令測試不通過。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高效安全的計算機在線方法，其特征在于，所述的可變內(nèi)存測試采用的算法在不降低診斷覆蓋率的前提下降低算法復(fù)雜度，且無需考慮cache的影響。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高效安全的計算機在線方法，其特征在于，所述的不可變內(nèi)存測試采用的算法為在不降低診斷覆蓋率的前提下復(fù)雜度為32N的校驗算法。
8.—種如權(quán)利要求1所述的高效安全的計算機在線裝置，其特征在于，包括設(shè)備初始化模塊、CPU檢測模塊、內(nèi)存檢測模塊和失效處理模塊，所述的設(shè)備初始化模塊、CPU檢測模塊、內(nèi)存檢測模塊依次連接，失效處理模塊分別連接CPU檢測模塊和內(nèi)存檢測模塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種高效安全的計算機在線裝置，其特征在于，所述的失效處理模塊人機接口和失效記錄裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種高效安全的計算機在線裝置，其特征在于，所述的內(nèi)存檢測模塊連接有外部校驗裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高效安全的計算機在線自檢方法及自檢裝置，所述的自檢方法包括設(shè)備初始化模塊初始化在線自檢任務(wù)，并分配各在線自檢任務(wù)所需使用的內(nèi)存空間，獲取在線自檢的內(nèi)存測試所必須的內(nèi)存信息及預(yù)先設(shè)計好的測試數(shù)據(jù)和預(yù)期結(jié)果；獲取到繼續(xù)執(zhí)行在線自檢的信號后，依次執(zhí)行CPU檢測、內(nèi)存檢測，并在檢測到故障時執(zhí)行失效處理，同時將故障信息進(jìn)行顯示報警和記錄；所述的自檢裝置包括設(shè)備初始化模塊、CPU檢測模塊、內(nèi)存檢測模塊和失效處理模塊。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)合內(nèi)存所存儲的數(shù)據(jù)特點，對現(xiàn)有算法進(jìn)行優(yōu)化，具有自檢周期短、診斷覆蓋率高、執(zhí)行效率高、內(nèi)存資源獨立等優(yōu)點。
文檔編號G06F11/22GK103176876SQ20131008883
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者孫軍峰, 王瀾, 崔丹, 耿進(jìn)龍, 張磊, 徐軍, 汪明新 申請人:卡斯柯信號有限公司