嵌入式系统软硬件可靠性设计(Kenny武)
嵌入式系统的软硬件协同设计研究
嵌入式系统的软硬件协同设计研究随着嵌入式系统应用不断的扩大和深化，软硬件协同设计也逐渐成为了嵌入式系统设计的重要方向。
而在嵌入式系统的软硬件协同设计中，软件设计和硬件设计的结合变得尤为重要。
这篇文章将从嵌入式系统的应用背景、软硬件协同设计的相关理论、嵌入式系统的软硬件交互原理以及相关实现技术等多个角度来深入分析嵌入式系统的软硬件协同设计。
一、嵌入式系统的应用背景嵌入式系统是集成了计算机技术和其他各种技术的智能化产品，其应用范围十分广泛，包括工业控制、交通运输、医疗卫生、安防监控等领域。
嵌入式系统的核心是芯片，而芯片的设计涉及到硬件和软件两个方面。
因此，软硬件协同设计成为了嵌入式系统设计的重要方向。
二、软硬件协同设计的相关理论软硬件协同设计是指软件设计和硬件设计在整个设计过程中的协同工作。
软件设计和硬件设计之间的协同设计有助于达到更高的性能、更快的数据处理和更好的可维护性。
软硬件协同设计中的软件设计和硬件设计不是孤立的、分开的，而是相互关联、相互支持的。
因此，软硬件协同设计需要采用一些特定的方法和技术来实现。
在软硬件协同设计中，主要有以下几种方法：1. 硬件与软件功能分离：硬件设计和软件设计的主要目的是相互支持并实现整个系统的目标，因此软硬件设计过程中应分别设计出硬件的功能和软件的功能，并实现二者的分离。
2. 同步设计：同步设计是指软件和硬件之间的同步设计，在软硬件设计过程中两个部分要同时设计，保证其协同工作、互相支持。
在这种模式下，硬件和软件的交互过程是高度协调和同步的。
3. 内嵌设计：内嵌设计是指将芯片内置的电路和软件设计结合起来，以实现对嵌入式系统的整体控制管理。
三、嵌入式系统的软硬件交互原理在嵌入式系统的软硬件交互中，硬件和软件之间通过接口进行交互。
硬件与软件的交互过程中，硬件承担着将输入数据转化为输出数据的任务，而软件对输入数据进行处理，然后将处理后的数据送回硬件。
硬件和软件之间的数据交换过程。
嵌入式系统软件可靠性设计与测试方法
嵌入式系统软件可靠性设计与测试方法李金麒;徐建平【期刊名称】《计算机系统应用》【年(卷),期】2013(000)001【摘要】通过设计与初始化ARM s3c2410内部的存储器保护系统MPU来保护睡眠任务的存储空间不受当前运行任务的非法访问，有效增强了嵌入式系统软件的可靠性。
并利用 LDRA Testbed 测试套件对项目中的代码进行了静态分析、复杂度分析、图形化分析，得出了各项测试结果，准确地评估了所设计出的系统的可靠性，并给出了优化建议。
%Protected sleeping task’s cache against illegal calling from currently running task by designing and initiating the MPU in ARM s3c2410. Effectively enhanced the reliability of embedded system software. Then carried on the static analysis, complexity analysis, and graphical analysis for code in the project using the LDRA Testbed, figured out each of the test results, accurately assessed the reliability of the system we designed, and provided suggestions to optimize it.【总页数】5页(P74-78)【作者】李金麒;徐建平【作者单位】上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093;上海工业自动化仪表研究院，上海 200233【正文语种】中文【相关文献】1.一种嵌入式系统软件的非干涉测试方法 [J], 张炯;金惠华;尚利宏;昌盛2.嵌入式Linux:嵌入式系统软件的机遇和挑战 [J], 何小庆3.弹载嵌入式系统软件可靠性设计 [J], 贾庆忠;刘永善;刘藻珍4.国产化嵌入式实时操作系统软件测试方法研究 [J], 李建军5.机车嵌入式系统软件可靠性设计 [J], 周浩尚;高照玲因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
《嵌入式系统的低功耗与可靠性技术研究》
《嵌入式系统的低功耗与可靠性技术研究》一、引言随着物联网、智能设备以及移动计算技术的快速发展，嵌入式系统作为各种智能设备的核心部分，其低功耗与可靠性问题逐渐成为了重要的研究课题。
在面对能源短缺、环境污染以及设备稳定性要求日益严格的今天，嵌入式系统的低功耗与可靠性技术显得尤为重要。
本文将详细探讨嵌入式系统的低功耗和可靠性技术的研究现状及未来发展趋势。
二、嵌入式系统低功耗技术研究1. 硬件低功耗设计硬件低功耗设计是嵌入式系统低功耗技术的关键。
设计者在硬件设计阶段应考虑采用低功耗芯片、合理的电源管理策略等手段降低系统的整体功耗。
此外，选择合理的元器件及封装方式也能有效降低功耗。
在设计中还可以使用动态电源管理技术，根据系统运行状态调整电源供应，以达到节能目的。
2. 软件优化软件优化是降低嵌入式系统功耗的另一重要手段。
通过优化算法、减少不必要的计算和通信等措施，可以有效降低系统的运行功耗。
此外，合理设计系统任务调度策略，根据任务优先级进行任务分配和调度，也可以实现功耗的降低。
3. 休眠与唤醒机制休眠与唤醒机制是降低嵌入式系统功耗的有效手段。
通过在系统空闲时进入休眠状态，可以有效降低系统的功耗。
当系统需要再次工作时，再从休眠状态唤醒，以恢复工作状态。
这种机制在嵌入式系统中得到了广泛应用。
三、嵌入式系统可靠性技术研究1. 硬件冗余与容错设计硬件冗余与容错设计是提高嵌入式系统可靠性的重要手段。
通过采用冗余硬件和容错技术，可以在系统出现故障时保证系统的正常运行。
例如，采用双机热备、三模冗余等技术，可以提高系统的可靠性和稳定性。
2. 软件容错与恢复技术软件容错与恢复技术是提高嵌入式系统可靠性的另一重要手段。
通过设计容错算法、实现软件故障的自恢复等功能，可以在软件出现故障时及时恢复系统的正常运行。
此外，通过定期更新和修复软件漏洞，也可以提高系统的安全性与稳定性。
3. 系统级可靠性设计系统级可靠性设计是提高嵌入式系统可靠性的综合手段。
嵌入式系统方案设计
嵌入式系统方案设计引言嵌入式系统是集成了硬件和软件的计算机系统，通常被用于特定的应用领域，如汽车、家电、医疗设备等。
嵌入式系统方案设计是指在满足特定应用需求的基础上，设计出能够稳定运行、高效执行任务的嵌入式系统。
本文将介绍嵌入式系统方案设计的基本原则和步骤，并结合实际案例进行说明。
嵌入式系统方案设计的基本原则嵌入式系统方案设计具有以下基本原则：1. 硬件与软件的协同设计嵌入式系统的设计需要密切衔接硬件和软件之间的需求。
硬件和软件之间的协同设计可以提高系统的性能和可靠性。
在嵌入式系统方案设计中，硬件和软件的开发团队应该密切合作，共同解决系统设计中的问题。
2. 高效的资源利用嵌入式系统的资源通常比较有限，包括处理能力、存储空间和能耗等。
在方案设计过程中，需要合理利用系统资源，以实现高效的系统性能和更长的电池寿命。
3. 系统质量和可靠性嵌入式系统通常在复杂和恶劣的环境中运行，因此系统的质量和可靠性是非常重要的设计目标。
在方案设计中，需要考虑系统的容错能力、误操作防护和故障恢复等方面，以保证系统的稳定性和可靠性。
4. 安全性和隐私保护随着互联网的普及，嵌入式系统的安全性和隐私保护越来越受到关注。
在方案设计中，需要考虑系统的安全性需求和隐私保护机制，以防止系统被非法侵入和数据泄露。
嵌入式系统方案设计的步骤嵌入式系统方案设计通常包括以下步骤：1. 需求分析需求分析是嵌入式系统方案设计的第一步，需要明确系统的功能需求、性能需求和安全需求。
在需求分析过程中，可以与客户和领域专家进行沟通，以确保完整和准确地理解系统的需求。
2. 架构设计架构设计是嵌入式系统方案设计的关键步骤，它决定了系统组件的组织结构和相互关系。
在架构设计中，需要考虑系统的扩展性、灵活性和可维护性，以支持系统功能的改进和升级。
3. 硬件设计硬件设计是嵌入式系统方案设计的重要部分。
在硬件设计中，需要选择合适的处理器、外设和传感器等硬件组件，并设计硬件电路和PCB板。
嵌入式系统软件可靠性设计
2. 可靠性与稳定性之间的关系...................................................................................2
2.1
定律 1：越简单的东西越容易做得可靠 ................................................................2
2.4
结论...........................................................................................................................5
3. 功能与可靠性、稳定性之间的关系.......................................................................6
工程技术笔记
©2008 Guangzhou ZHIYUAN Electronics CO., LTD. 1
广州致远电子有限公司
SHA-1 算法实现
ARM 嵌入式工业控制模块
2. 可靠性与稳定性之间的关系
2.1 定律 1：越简单的东西越容易做得可靠
相对锤子来说，机械手表足够复杂。如果让一个锤子和一个机械手表都从10层楼高处 掉到普通水泥地面，哪个损坏的可能性更大？当然，如果花费大的代价，如使用最好的材 料，并增减减震系统，机械手表甚至可以做到锤子摔坏了而手表不坏。不相信？飞行员从 几万米高空掉下来不受伤的比比皆是（当然有降落伞啦）。
广州致远电子有限Βιβλιοθήκη 司SHA-1 算法实现ARM 嵌入式工业控制模块
2.2 定律 2：越复杂的东西越容易做得稳定
嵌入式软硬件系统的可靠性设计
Ｋ ｅ ｒ ： ｅ ｅ ｄ ｄｓｓｅ ；ｓｆ ｒ ｎ ａ ｄ ｒ ；ｒ ｌ ｂｌ ｙｄ ｓｇ ｙ ｗｏ ｄｓ ｍｂ ｄ ｅ ｙｔｍ ｏｔ ｅａ ｄｈ ｒ ｗａｅ ｅｉ ｉ ｔ ｅ ｉｎ ｗａ ａ ｉ
１ 引 言
随着 嵌入 式 系统 硬件 体 系结构 的 变化 ，嵌 入式 系统 的发 展趋 势 向嵌入 式 系统 高端 ．即嵌入 式 软件 系统 转移 ．具 体体 现在 嵌 入式操 作 系统 趋 于多 样和
２ 硬 件 系 统 可 靠 性 设 计
在 对 嵌 入 式 系 统 中 的 硬 件 ．也 就 是 Ｐｗ ｒＣ ｏ ｅＰ
进行 控制
ｂ Ｐ Ｉ 块 、Ｃ Ｃ 模 完 成 从 Ｐ Ｉ 线 到 Ｐ Ｉ 线 的 转 换 ．提 供 总 线 Ｃ 总 Ｃ 总 的仲裁 ，完成 作为 Ｃ Ｃ 主设 备 或从设 备 的功 能 。 Ｐ Ｉ
ｄ ）ＲＳ ２ ４ ２模 块
件 一 出故 障 ，就 将使 整个 系统 的功能受 到影 响 ： ３ ）对 于恶 劣环 境 下 工作 的单 元 或 部件 ．其 可 靠性 指标应 定得 低一 些 ：
４ ）对 于 新 研制 的产 品 以及 采 用新 工 艺 、新 材 料 的产品 ，其可 靠性指 标可 以定低 一些 ：
提供 ４路 Ｒ ４ ２接 口 Ｓ２
ｅ Ｐ １ ＭＣ模 块
提 供外 接 Ｐ ＭＣ扩展 卡 的接 口
ｎ Ｕ Ｂ模 块 Ｓ
一
５ １易 以维修 的单 元 或部 件 的 可靠 性 指 标 定 高
电 子 产 品 可 靠 性 与 环 境 试 验
Ｖ ｉ ８Ｎ ． ｃ． ０ ０ ｏ． ｏ Ｏ ｔ ２ １ ２ ５ ．
嵌 入 式 软 硬 件 系统 的可 靠 性 设 计
张 明 ，刘 志 宏 ，方伟 奇
嵌入式系统软硬件可靠性设计讲义
14
5-500R < 0.8v => R>4.2/500=8.4k
15
Vcc
R
VH
Io
Io
200μA
200uA *15K=3V 选 10K 可用。
24V 10Ω±10%
最坏电路情况分析，R 取最不利的数 值 最高的器件环境温度 Ta 最高的电 压 Vmax 降额余量 最大的阻值 误差 R-ΔR
16
1.1 、设计调查表 1.2 、导致问题的常见应力 1.3 、分析方法
3
1.1、设计调查表
1. 环境因素 2. 人的因素 3. 关联设备的因素
4
1.2、常见故障应力
过渡过程应力及超调对输入端器件的影响
5
感性负载、容性负载对驱动电路的影响分析
6
环境条件影响
7
单一故障与系统分析方法
8
1.3、分析方法
工程计算与容差分析
P
95.4%
-2σ
+2σ
U
-σ +σ
68.3%
-3σ
+3σ
99.73 %
9
最坏电路情况分析法
±5%？
±5%？
±10%
10
精度分配方法
1. 得到系统的总精度要求 2. 找出影响总精度的各分模块 3. 推导出系统输出值与各模块测控物理量的工程计算公式 4. 根据工程计算公式，做微分运算，推导出影响总精度的所有要素，然
MT48LC8M16A2 Datasheet.pdf
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面板复位电路抗干扰电容
1. 面板复位是静电非常敏感电路；处理方式如图
2. 电容典型值 560pF
4. 双向 TVS 管选择结电容较小的 管 子，结电容<1000pF
嵌入式软硬件系统的可靠性设计
电子产品可靠性与环境试验２０ｌＯ年ｃ１千兆以太网模块对外提供一个十兆、百兆和千兆的自适应的网络接口。
ｄ１Ｒｓ４２２模块提供４路Ｒｓ４２２接口。
ｅ１ＰＭＣ模块提供外接ＰＭＣ扩展卡的接口。
ｎＵＳＢ模块提供２路ＵｓＢ接口，支持Ｕ盘、移动硬盘等ＵＳＢ存储设备。
ｇ）电源模块提供板上各芯片正常工作所需要的各种电源。
ｈ１时钟模块提供板上芯片正常工作所需要的各种时钟。
根据以上的功能模块．就可以确定所选用的器件类别了。
如单片集成电路、微处理器、存储器、电阻器、电容器、电感器、变压器、晶体振荡器、发光二极管、连接器、开关、印制板以及焊接点等。
图１系统硬件组成框图２．２可靠性指标分配原则在确定了器件类别后．就需要进行可靠性指标的分配。
分配时首先应掌握可靠性设计的数据，其次必须考虑当前的技术水平。
要按现有的技术水平在费用、生产、功能和研制时间等的限制条件下考虑所能达到的可靠性。
ＰｏｗｅｒＰＣ单板计算机的可靠性指标分配应遵循以下原则：１）对于改进潜力大的单元、部件，其指标可以定高一些：铝２）关键件的指标应分配得高一些，因为关键件一出故障，就将使整个系统的功能受到影响；３１对于恶劣环境下工作的单元或部件，其可靠性指标应定得低一些：４１对于新研制的产品以及采用新工艺、新材料的产品，其可靠性指标可以定低一些：５１易以维修的单元或部件的可靠性指标定高一些．复杂的单元或部件的可靠性指标定低一些。
２．３可靠性指标计算可靠性计算采用应力分析法．所以首先应确定各单元中每种元器件的工作失效率：Ａｉ（１０讥），然后用式（１）计算出各个单元的工作失效率～：～＝ｉ；Ｍｉ（１）式（１）中：Ａｉ叫单元中第ｉ种元器件的工作失效率，除个别的元器件类别外。
工作失效率都包含基本失效率和温度、电应力之外的元器件质量控制等级、环境应力、应用状态、性能额定值和种类、结构等失效率影响因素（即通常由基本失效率乘以上述各因素的调整系数来表示）：Ⅳｉ＿ｉ单元中第ｉ种元器件的数量；ｎ—ｆ单元所用各种元器件的种类数。
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嵌入式系统软硬件可靠性设计
【2017年时间安排】
5月22-23日北京 5月25-26日上海 5月18-19日深圳
9月25-26日北京 9月21-22日上海 9月18-19日深圳
12月28-29日北京 12月25-26日上海 12月21-22日深圳
【参加对象】嵌入式系统软、硬件开发工程师。
【培训课时】12小时
【学习费用】4980元/两天 *买一赠一,单独一人收费3200元（含指定教材、证书、茶点）不含午餐
嵌入式系统可靠性设计，比拼的不是谁的设计更高明，而是谁的设计更少犯错误，而且因为软、硬件的专业背景差异，两个专业设计师之间的不了解，也会导致接口部分容易出现一些可靠性问题。
本课程采用逆向思维方式，从嵌入式系统设计的负面问题角度入手，总结剖析了嵌入式设计师易犯的错误点和接口部分的问题点，以期在设计中能提前加以预防。
漏洞堵住了，跑冒滴漏自然不再发生。
Kenny
电子工程硕士，研究领域：电子产品系统可靠性设计与测试技术。
曾任航天二院总体设计所主任设计师、高级项目经理，机电制造企业研发总监、事业部总监，北京市级优秀青年工程师，科协委员。
有电子产品、军工、通信等专业方向的设计、测评和技术管理经历，对产品系统设计、可靠性设计、技术管理有较深入研究，曾在学术会议及多家技术刊物发表专业文章。
曾为比亚迪、中电30所、29所、北京华峰测控、北京航天长峰、普析通用仪器、航天二院23所、航天五院、株洲车辆研究所、北大青鸟环宇、惠州德赛、陕西华经微电子、西安工业集团公司、松下电工、航盛电子等企业提供专业技术和技术管理辅导、培训和咨询。
较擅长于将高深的理论知识转化为符合企业技术和经营特性的可操作实践方法
第一部分：嵌入式系统及硬件可靠性设计
第一章：可靠性设计基础
1.1、可靠性定义
1.2、环境应力分析
1.3、人机交互分析
1.4、关联设备互动分析
1.5、过渡过程应力
1.6、负载波动分析
1.7、单一故障分析
1.8、可靠性预计分析
1.9、判据标准
1.10 电子、机电一体化设备的可靠性模型；
1.11 系统失效率的影响要素；
第二章：可靠性设计规范
2.1 降额设计规范
降额等级、降额注意事项、降额因子降额参数的确定方法
2.2 电路热设计规范
强制风冷、传导散热的热设计计算及热设计工艺规范
2.3 电路安全性设计规范；
电路安全容错性机制、SFC分析、SFC下输出保证可靠的判据和解决方法…
2.4 EMC设计规范
电压容限控制、常用器件的高频等效特性、信号分析、布线、阻抗匹配、屏蔽、
滤波、接地…
2.5 PCB设计规范
板卡级的布线、布局工艺
第三章：器件失效规律与分析方法
3.1 持续性应力与浪涌应力的区别
3.2 电压应力与电流应力的故障现象区别
3.3 MSD与机械应力损伤的特征、成因、解决措施
3.4 基于端口特性阻抗曲线的失效测试分析方法
3.5 常用器件失效机理、失效特征、应对措施
第二部分：嵌入式系统器件选型与工程计算
第一章：工程计算基础
1.1 容差分析方法
1.2拉氏变换的物理含义与电路设计应用
1.3 微积分与电路设计的应用
1.4 概率论数理统计提升电子产品质量的应用方法
1.5 基础代数的电路设计工程计算应用（代数、三角函数、解析几何）
1.6 datasheet参数解读及对电路性能的影响
第二章：工程计算与器件选型
2.1 电源模块设计与选型计算
电感电容选型计算
2.2 电源输入端口器件选型计算
保险丝、NTC电阻、TVS/压敏电阻、储能电容、接插件、二极管的选型计算
2.3 信号输入/输出端口的匹配器件计算选型
上拉/下拉电阻、限流/分压电阻、阻抗匹配电阻、磁珠、退耦电容的选型计算
2.4 放大电路设计计算
运放参数和选型、精度分配计算、阻抗匹配计算
2.5 安全防护设计
电容的固有特性与寄生参数
退耦电容、储能电容、安规电容、隔直电容、滤波电容的选型计算
信号端口压敏电阻、TVS、气体放电管选型计算
2.6 热设计
整机散热计算
散热片、风扇、半导体致冷片散热选型计算
2.7 光电器件选型计算
光耦、发光二极管、数码管选型计算
2.8 驱动电路设计
二极管和三极管特性
三极管、二极管选型计算
开关器件
2.9 滤波器件选型计算
滤波器件特性
滤波电路设计计算
滤波器、滤波电容、磁珠磁环、电感选型计算
2.10 PCB布线布局设计
SI设计估算
2.11 数字IC器件选型计算
数字IC特性（结温、响应时间、带载能力、温漂、阈值、时序要求）
MCU、存储类器件、逻辑器件的选型计算
第三部分：嵌入式软件可靠性设计
1.嵌入式软件可靠性基础
定义软件可靠性定义
软件可靠性的度量与评估
软件与电子的失效率特性区别
影响嵌入式软件可靠性的因素
嵌入式软件归档及配置管理过程控制注意事项
嵌入式软件可靠性系统分析方法与软件DFMEA的运用
2.编译器问题嵌入式软件可靠性的影响
3.代码编程规范对嵌入式软件可靠性的影响
语句通用设计规范
冗余设计
睡眠设置抗干扰
软件、结构、电路相结合的电磁兼容解决方法
软件架构的设计方法
安全性内核
设计更改规则
防跑飞的软件陷阱
圈复杂度与软件测试
4.与硬件接口问题对嵌入式软件可靠性的作用和影响
时间受控
空间受控
IO吞吐能力
执行时间
串并联接法导致的信号波动
数据传输速率限制
上电时序引起的硬件故障及软件初始化对策
死机的机理及对策
显示处理措施
SFC下，输出保证安全
5.变量与存储问题成因与防护
防止过程中存储被刷
块存储特性
备份技巧
寄存器防刷处理
强数据类型
存储成功提示
6.人机接口问题与防护
对人工误操作的防护措施
参数设置控制策略
界面数据设置和布局方法
界面设计规范
7.报警
报警分类设置
报警编程处理
报警频率、声音、占空比要求
8.软件测试
单元测试方法与系统测试的区别
测试工具与人工测试
测试职责与测试分工
基于SFC的接口测试
全覆盖测试（路径覆盖与数据覆盖）
一致性测试，通过软件测试发现硬件隐患
人机接口测试
10.嵌入式软件功能安全设计
软件安全功能的要求
软件结构的要求与措施
详细设计和开发要求
代码实现要求与措施
软件模块测试要求
软件集成测试的要求
功能安全评估方法
11.总结：嵌入式软件可靠性设计规范。