安全关键型嵌入式系统设计模式整理及应用实例

本文提供了对安全关键型嵌入式系统设计模式的全面概述，这些模式旨在提高系统在面临潜在故障时的安全性和可靠性。文中详细介绍了15种设计模式，包括同质冗余（HmD）、异质冗余（HtD）、三模冗余（TMR）、M-N冗余（M-oo-N）、监控-执行器（MA）、理智检查（SC）、看门狗（WD）、安全执行（SE）、N版本编程（NVP）、恢复块（RB）、接受投票（AV）、N自检查编程（NSCP）、恢复块与备份投票（RBBV）、保护单通道（PSC）和三级安全监控（3-LSM）。每种模式都详细说明了其概念、结构、应用背景以及具体实施方式，并通过实际应用实例来展示其在实际系统中的应用。这些模式覆盖了从硬件冗余到软件多样性的不同策略，以及如何通过这些策略来处理随机和系统故障，确保系统在故障发生时能够安全地继续运行或转换到安全状态。

1. Homogeneous Duplex Pattern (HmD)：

   • 说明：此模式通过使用两个相同的模块（主模块和备用模块）来处理随机故障。正常操作时，主模块工作，备用模块处于待命状态。当主模块发生故障时，系统会自动切换到备用模块。
   • 例子：在汽车的刹车系统中，可以使用HmD模式，其中两个相同的刹车系统模块可以确保在主刹车系统发生故障时，备用系统能够立即接管，保证车辆安全。

2. Heterogeneous Duplex Pattern (HtD)：

   • 说明：与HmD类似，但HtD使用两个设计和实现不同的模块来处理随机和系统故障，增加了对系统故障的容忍度。
   • 例子：在飞机的导航系统中，可以使用HtD模式，其中两个不同的导航系统（例如，一个基于GPS，另一个基于惯性导航系统）可以确保即使一个系统发生故障，另一个系统仍然可以提供导航服务。

3. Triple Modular Redundancy Pattern (TMR)：

   • 说明：此模式使用三个相同的模块并行运行，通过投票系统来确定正确的输出，即使其中一个模块发生故障，系统仍能继续工作。
   • 例子：在核电站的控制系统中，TMR模式可以用于关键的安全系统，如温度监控，三个独立的传感器模块可以确保在任何单一故障情况下系统的可靠性。

4. M-Out-Of-N Pattern (M-oo-N)：

   • 说明：此模式包含N个相同的模块，但只需要M个模块正常工作即可保证系统运行，适用于需要不同级别冗余的情况。
   • 例子：在卫星通信系统中，可以使用M-oo-N模式，其中多个相同的通信模块可以确保即使部分模块失效，仍然有足够的模块保持通信连接。

5. Monitor-Actuator Pattern (MA)：

   • 说明：此模式包含一个执行动作的主通道和一个监控通道，监控通道用于检测主通道的故障并将其置于安全状态。
   • 例子：在工业机器人的控制系统中，MA模式可以用于确保机器人的手臂在检测到异常运动时停止，以防止对人员或设备造成伤害。

6. Sanity Check Pattern (SC)：

   • 说明：此模式通过一个简单的监控通道来检查主通道的输出是否在预期范围内，以确保基本的正确性。
   • 例子：在家庭安全系统中，SC模式可以用于检查烟雾探测器的输出是否在正常范围内，以避免误报。

7. Watchdog Pattern (WD)：

   • 说明：此模式使用一个看门狗计时器来监控系统的行为，如果系统未能在预定时间内响应，看门狗将重置系统。
   • 例子：在嵌入式系统中，WD模式可以用于确保操作系统在预定的时间内执行任务，防止系统挂起。

8. Safety Executive Pattern (SE)：

   • 说明：此模式适用于复杂和高度安全关键的系统，它结合了看门狗和一个额外的安全执行组件，用于在检测到故障时迅速关闭系统。
   • 例子：在化工工厂的控制系统中，SE模式可以用于确保在检测到潜在的化学泄漏时，迅速关闭相关的生产流程。

9. N-Version Programming Pattern (NVP)：

   • 说明：此模式通过独立生成N个功能等价的软件模块来提高软件的可靠性和安全性。
   • 例子：在航空电子系统中，NVP模式可以用于飞行控制软件的开发，通过多个独立的团队开发不同的软件版本，并通过投票系统确定最终的控制信号。

10. Recovery Block Pattern (RB)：

    • 说明：此模式通过执行多个独立的软件版本，并在每个版本后进行接受测试来检测和恢复错误。
    • 例子：在金融交易系统中，RB模式可以用于确保交易的正确性，通过多个版本的交易处理软件并行运行，并使用接受测试来验证结果。

11. Acceptance Voting Pattern (AV)：

    • 说明：此模式结合了N版本编程和接受测试，通过投票算法来确定最终的正确输出。
    • 例子：在医疗设备中，如心率监测器，AV模式可以用于确保心率读数的准确性，通过多个版本的监测软件并行运行，并使用投票系统来确定最终的心率值。

12. N-Self Checking Programming Pattern (NSCP)：

    • 说明：此模式通过添加冗余来实现自我检查，以提高软件的可靠性。
    • 例子：在汽车的ABS系统中，NSCP模式可以用于确保制动压力的正确计算，通过多个版本的计算软件并行运行，并进行自我检查。

13. Recovery Block with Backup Voting Pattern (RBBV)：

    • 说明：此模式结合了恢复块和N版本编程的思想，通过备份投票来提高恢复块方法的可靠性。
    • 例子：在电力供应系统中，RBBV模式可以用于确保在主供电系统发生故障时，备用供电系统能够正确地接管。

14. Protected Single Channel Pattern (PSC)：

    • 说明：此模式通过在单个通道中添加检查和监控来提高系统的安全性和可靠性。
    • 例子：在铁路信号系统中，PSC模式可以用于确保信号的正确性，通过在信号传输过程中添加监控和验证机制。

15. 3-Level Safety Monitoring Pattern (3-LSM)：

    • 说明：此模式结合了监控-执行器模式和看门狗模式，用于需要连续安全监控的系统。
    • 例子：在电梯控制系统中，3-LSM模式可以用于确保电梯的安全运行，通过三个级别的监控来检测和响应任何异常情况。