系统的可靠性保障和性能评估

7.5.1 系统的可靠性保障

可靠性一词，可用在表示抽象的可靠性和用概率表示的可靠度两方面。这里，取它的第二个方面——可靠度。所谓可靠度，是指系统、产品和零部件等在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能（无故障）的概率。对于系统整体而言，能否正常工作是基于硬件和软件两个方面的。

在这里，我们主要研究软件方面的可靠性设计。软件可靠性是指在规定的条件下，在规定的时间内，软件不引起系统失效的能力。“规定的条件”指软件的用法，“规定的时间”指软件的工作周期，“不引起系统失效”指软件完成规定的功能。我们在系统的体系结构、操作系统内核设计、消息通信机制设计以及采用软件工程的开发方法等等若干方面都已考虑到了系统的高可靠性。归纳起来，有以下几点：

◣层次化设计，使下层对上层透明。当下层变动时，影响面小，易于维护。

◣冗余性设计。在某些模块失效时，使用备用的模块替代，从而提高了可靠性。

◣模块化设计。模块化设计的好处在于降低了各部件的耦合度和系统复杂性，为系统地维护、扩展和可靠性打下了好的基础。

◣采用请求-应答的消息通信模式。这种带有反馈的通信机制，使没有正确收到应答的请求方可通过重传等方式以保证消息通信的可靠性。

7.5.1.1 软件重用

最大限度地重用现有的成熟模块，不仅能缩短开发周期、提高开发效率，也能提高软件的可维护性和可靠性。因为现有的成熟模块已经过严格的运行检测，大量的错误已经在开发、运行和维护过程中排除，应该是比较可靠的。在项目规划开始阶段就要把软件重用列入工作中不可缺少的一部分。作为提高软件可靠性的一种必要手段，软件重用不仅仅指软件本身，也可以是软件的开发思想方法、文档，甚至环境、数据等，包括三个方面的重用：

◣开发过程重用：指开发规范、各种开发方法、工具和标准等。

◣软件模块重用：指文档、程序和数据等。

◣知识重用：如相关领域专业知识的重用。

7.5.1.2 系统状态监测与故障处理

多任务的环境启动以后，系统还需要实时地监视系统的运行情况。这时候DSP和FPGA的状态可通过消息的请求-应答机制来监测。这是因为，系统失效（包括LINK口、USB口等不可用）的最终表象是对请求消息没有应答。当请求方在一定的时间、一定次数内没有收到应答或是正确的应答（消息校验和不正确），则认为这条通信链路失效。当FPGA没有收到DSP的正确应答时，认为DSP已经失效，FPGA发出复位信号，使DSP重启；当DSP没有接收到FPGA或者USB的正确应答时，认为这些模块失效，需要重新启动并初始化，以保证系统的可靠性。

以系统的故障处理设计为例，图7-32为其故障处理状态图。假设初始状态时系统各模块均正常进入多任务模式。正常情况下，数据流设计为：FPGA收到CCD采集的原始图像，并进行初始化操作，然后将结果传送给DSP，经过算法处理后，DSP将结果通过USB传给上位机进行显示和控制，同时发送状态监测消息，并接收处理FPGA和USB主机发出的应答。

图7-32　故障处理状态图

如果在运行过程中，FPGA正常应答了处理DSP的中间结果图像传送请求，但在有限时间内没有收到LINK口的图像数据，则认为与该处理DSP的通信出现错误，于是将该DSP状态设为无效，由FPGA对DSP进行复位操作；当DSP没有接收到来自USB主机的正确应答时，则认为USB通信出现错误，此时由DSP对USB器件重新进行初始化；另一种情况，主控DSP没有在有限时间、有限次数内接收到正确的处理FPGA的状态应答，则认为该处理FPGA失效，由DSP重新配置FPGA。上面的三种情况中，都需要判断应答消息的正确与否来判断是哪个器件失效，然后重启和初始化相应的器件，以达到保证可靠性的目的。

7.5.2 性能测试

运用于视频消费类电子产品中的图像信息处理系统，其实时性是至关重要的。为了比较全面地评价所做的实时图像处理系统的系统软件的实时性，进行了两个方面的测试：应用性能测试和可靠性能测试。测试的硬件环境为由一片TMS320DM642和一片EP1C6构成的串行模式系统，其中DM642主频600MHz，片内内存256 kB。

7.5.2.1 应用性能测试

在将图像算法加载到系统，并测试其并行化程度之前，我们需要首先进行一些关键模块包括接收图像模块、算法处理模块和USB通信性能的测试，以帮助我们分析系统软件的时间开销。

1.接收图像模块性能

对于接收图像，CCD发送原图的速度是46 Hz，FPGA缓存了一行图像后，通知DSP收取，DSP采用EDMA的方式先将一行图像放到内存里，然后再用EDMA的方式将其搬移到SDRAM里。测试情况如表7-7所示（胡佳，2007）。

表7-7　接收图像的时间开销

2.算法处理模块性能

这套系统是用于视频消费类的图像处理系统，其上可以运行处理视频图像的算法。目前，该系统已经研制成功，将原始图像的输入，对原始图像的滤波、分割等图像的预处理工作放在FPGA上，而将对算法的运行工作交给主控DSP处理。这样分解后，DSP和FPGA的工作基本均衡，而且思路清晰。实验测试结果如表7-8所示。

表7-8　算法性能的测试结果（-o3优化）

从表中可看出，通过优化后，算法的运行时间降到了25 ms以内，整个系统达到了较好性能。

3.USB通信模块性能

USB通信模块主要用来传输原始图像或者坐标信息给上位机，在性能测试中，主要测试传输原始图像和坐标信息所用的时间。测试结果如表7-9所示。

表7-9　USB通行性能测试

7.5.2.2 可靠性能测试

系统调试完毕后，在进行产品量产之前，必须对其进行可靠性测试。测试项目包括系统启动成功概率、系统启动时间、DSP启动成功概率、FPGA启动成功概率、USB通信成功概率、USB接口牢固程度、系统无故障运行时间。经过1000次的测试试验，测试结果如表7-10（胡佳，2007年）所示。

表7-10　可靠性测试结果

由上表可见，系统中DSP和FPGA等器件的可靠性很高，仅有的几次失败是由于错误的操作引起的，但是系统中USB通信的稳定性较差，由于对这款芯片的性能没有完全掌握，所以USB通信有不稳定的现象。但总的来说，系统的整体可靠性达到了要求，可以满足实际的使用。