模拟器硬件系统的可靠性设计
[摘要] 较全面地阐述了模拟器硬件系统可靠性设计的基本原则和方法,可供设计者参考。
[关键词] 可靠性干扰电磁兼容性
1. 引言
随着计算机的发展,模拟器开始在各个行业普及。在大型模拟器中,由于硬件系统日趋复杂,为了保障模拟器的可靠运行,硬件系统的可靠性变得越来越重要。本文从工程角度提出了可靠性设计的方法。
2. 硬件系统可靠性设计的基本原则
在整机系统设计和单元电路设计时,应力求简化设计方案,减少系统中元器件数量,以消除元器件失效形式和失效机理。在产品设计时应该进行以下的分析,以有效提高可靠性。
2.1 简化设计方案
高性能指标不可避免地带来设计过程复杂性,因此,在确定设计方案时应综合考虑,全面分析,对整机各项技术性能、技术指标加以分类,合理选取确定,杜绝片面追求高性能与高指标的倾向,以简化设计方案。对于硬件系统的自检功能的选取应特别谨慎,自检的加入必然带来硬件开销的急剧增加,但没有自检则硬件系统的维护难以实施。在设计中可对主要电路自检,次要电路或人工容易测试的电路则应采用人工测试的方法。人员参与自检,往往会大大的简化电路设计方案,笔者认为非常可取。
硬件系统的可靠性设计
目录 1 可靠性概念 (4) 1.1 失效率 (4) 1.2 可靠度 (5) 1.3 不可靠度 (6) 1.4 平均无故障时间 (6) 1.5 可靠性指标间的关系 (6) 2 可靠性模型 (7) 2.1 串联系统 (7) 2.2 并联系统 (9) 2.3 混合系统 (11) 2.4 提高可靠性的方法 (12) 3 可靠性设计方法 (12) 3.1 元器件 (12) 3.2 降额设计 (13) 3.3 冗余设计 (14) 3.4 电磁兼容设计 (15) 3.5 故障自动检测与诊断 (15) 3.6 软件可靠性技术 (15) 3.7 失效保险技术 (15) 3.8 热设计 (16) 3.9 EMC设计 (16) 3.10 可靠性指标分配原则 (17) 4 常用器件的可靠性及选择 (19) 4.1 元器件失效特性 (19) 4.2 元器件失效机理 (21) 4.3 元器件选择 (23) 4.4 电阻 (23) 4.5 电容 (26) 4.6 二极管 (30) 4.7 光耦合器 (31) 4.8 集成电路 (32) 5 电路设计 (38) 5.1 电流倒灌 (38) 5.2 热插拔设计 (40) 5.3 过流保护 (41) 5.4 反射波干扰 (42) 5.5 电源干扰 (49) 5.6 静电干扰 (51) 5.7 上电复位 (52) 5.8 时钟信号的驱动 (53) 5.9 时钟信号的匹配方法 (55) 6 PCB设计 (60)
6.1 布线 (60) 6.2 去耦电容 (62) 7 系统可靠性测试 (62) 7.1 环境适应性测试 (62) 7.2 EMC测试 (63) 7.3 其它测试 (63) 8 参考资料 (64) 9 附录 (64)
可靠性设计的主要内容 1、研究产品的故障物理和故障模型 搜集、分析与掌握该类产品在使用过程中零件材料的老化、损伤和故障失效等（均为受许多复杂随机因素影响的随机过程）的有关数据及材料的初始性能（强度、冲击韧性等）对其平均值的偏离数据，揭示影响老化、损伤这一复杂物理化学过程最本质的因素，追寻故障的真正原因。研究以时间函数形式表达的材料老化、损伤的规律，从而较确切的估计产品在使用条件下的状态和寿命。用统计分析的方法使故障（失效）机理模型化，建立计算用的可靠度模型或故障模型，为可靠性设计奠定物理数学基础，故障模型的建立，往往以可靠性试验结果为依据。 2、确定产品的可靠性指标及其等级 选取何种可靠性指标取决于产品的类型、设计要求以及习惯和方便性等。而产品可靠性指标的等级或量值，则应依据设计要求或已有的试验，使用和修理的统计数据、设计经验、产品的重要程度、技术发展趋势及市场需求等来确定。例如，对于汽车，可选用可靠度、首次故障里程、平局故障间隔里程等作为可靠性指标，对于工程机械则常采用有效度。 3、合理分配产品的可靠性指标值
将确定的产品可靠性指标的量值合理分配给零部件，以确定每个零部件的可靠性指标值，后者与该零部件的功能、重要性、复杂程度、体积、重量、设计要求与经验、已有的可靠性数据及费用等有关，这些构成对可靠性指标值的约束条件。采用优化设计方法将产品（系统、设备）的可靠性指标值分配给各个零部件，以求得最大经济效益下的各零部件可靠性指标值最合理的匹配。 4、以规定的可靠性指标值为依据对零件进行可靠性设计 即把规定的可靠性指标值直接设计到零件中去，使它们能够保证可靠性指标值的实现。
可靠性设计与分析作业 学号：071130123 姓名：向正平一、指数分布的概率密度函数、分布函数、可靠度函数曲线 （1）程序语言 t=(0:0.01:20); Array m=[0.3,0.6,0.9]; linecolor=['r','b','y']; for i=1:length(m); f=m(i)*exp(-m(i)*t); F=1-exp(-m(i)*t); R=exp(-m(i)*t); color=linecolor(i); subplot(3,1,1); title('指数函数概率密度函数曲线'); plot(t,f,color); hold on subplot(3,1,2); title('指数函数分布函数函数曲线'); plot(t,F,color); hold on subplot(3,1,3); title('指数指数分布可靠度函数曲线 plot(t,R,color); hold on end （3）指数分布的分析 在可靠性理论中，指数分布是最基本、最常用的分布，适合于失效率为常数 的情况。指数分布不但在电子元器件偶然失效期普遍使用，而且在复杂系统和整 机方面以及机械技术的可靠性领域也得到使用。 有图像可以看出失效率函数密度f(t)随着时间的增加不断下降，而失效率随 着时间的增加在不断的上升，可靠度也在随着时间的增加不断地下降，从图线的 颜色可以看出，随着m的增加失效率密度函数下降越快，而可靠度的随m的增加 而不断的增加，则失效率随m的增加减小越快。 在工程运用中，如果某零件符合指数分布，那么可以适当增加m的值，使零 件的可靠度会提升，增加可靠性。 二、正态分布的概率密度函数、分布函数、可靠性函数、失效率函数曲线 （1）程序语言 t=-10:0.01:10; m=[3,6,9]; n=[1,2,3]; linecolor=['r','b','y'];
通用的可靠性设计分析方法 1.识别任务剖面、寿命剖面和环境剖面 在明确产品的可靠性定性定量要求以前，首先要识别产品的任务剖面、寿命剖面和环境剖面。 （1）任务剖面“剖面”一词是英语profile的直译，其含义是对所发生的事件、过程、状态、功能及所处环境的描述。显然，事件、状态、功能及所处环境都与时间有关，因此，这种描述事实上是一种时序的描述。 任务剖面的定义为：产品在完成规定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序描述。它包括任务成功或致命故障的判断准则。 对于完成一种或多种任务的产品，均应制定一种或多种任务剖面。任务剖面一般应包括：1）产品的工作状态； 2）维修方案； 3）产品工作的时间与程序； 4）产品所处环境（外加有诱发的）时间与程序。 任务剖面在产品指标论证时就应提出，它是设计人员能设计出满足使用要求的产品的最基本的信息。任务剖面必须建立在有效的数据的基础上。 图1表示了一个典型的任务剖面。 （2）寿命剖面寿命剖面的定义为：产品从制造到寿命终结或退出使用这段时间内所经历的全部事件和环境的时序描述。寿命剖面包括任务剖面。 寿命剖面说明产品在整个寿命期经历的事件，如：装卸、运输、储存、检修、维修、任务剖面等以及每个事件的持续时间、顺序、环境和工作方式。 寿命剖面同样是建立产品技术要求不可缺少的信息。 图2表示了寿命剖面所经历的事件。
（3）环境剖面环境剖面是任务剖面的一个组成部分。它是对产品的使用或生存有影响的环境特性，如温度、湿度、压力、盐雾、辐射、砂尘以及振动冲击、噪声、电磁干扰等及其强度的时序说明。 产品的工作时间与程序所对应的环境时间与程序不尽相同。环境剖面也是寿命剖面和任务剖面的一个组成部分。 2.明确可靠性定性定量要求 明确产品的可靠性要求是新产品开发过程中首先要做的一件事。产品的可靠性要求是进行可靠性设计分析的最重要的依据。 可靠性要求可以分为两大类：第一类是定性要求，即用一种非量化的形式来设计、分析以评估和保证产品的可靠性；第二类是定量要求，即规定产品的可靠性指标和相应的验证方法。 可靠性定性要求通常以要求开展的一系列定性设计分析工作项目表达。常用的可靠性定性设计工作项目见表1。
第四章 （46）可靠性试验设计与分析 §4．6 加速寿命试验(Accelerated Life Testing) 随着科学技术的发展，高可靠性、长寿命的产品愈来愈多，前面讲的截尾寿命试验也 不能适应这种要求，如，不少电子元器件寿命很长，在正常工作温度0 40C 下，寿命可达数 百万小时以上，若取1000个这种元件可能只有1～2个失效，甚至没失效的情况。假如我们把温度提高到0 60C ，甚至0 80C ，只要失效机理不变，仅环境更恶劣一些，则失效数会增加，这种超过正常应力下的寿命试验称为加速寿命试验。 加速寿命试验的目的：用加强应力的办法，加快产品故障，缩短试验时间，以便在较短的时间内预测出产品在正常应力作用下的寿命特征。其基本原则是失效机理不变。 一． 加速寿命试验的类型 (1).恒定应力加速寿命试验（简称恒加试验） 试验之前，先选一组加速应力水平，如12,,......,k s s s ，它们都是高于正常应力水平0s ，一般取012k s s s s <<<鬃鬃鬃<。然后将一定数量的样品分成k 组，每组在一个加速应力下进行寿命试验，直到各组均有一定数量的样品失效为止（如定数截尾0r r ）。从图4.32可以看出，恒加试验是由若干个寿命试验组成，为了缩短寿命试验，特别是低应力水平下的寿命试验采用截尾试验，这样才能更好地发挥加速寿命试验缩短试验时间地优点。 (2).步进应力加速寿命试验（简称步加试验） 它也选定一组加速应力水平0s 12k s s s <<<鬃鬃鬃<， （0s 为正常应力水平） 试验时把一定数量的样品都置于应力水平1s 进行寿命，经过一段时间，如1t 小时后，把应力提高到2s ，将未失效的样品在2s 应力下继续进行寿命试验，一直到有一定数量的样品发生失效为止。如图4.33所示。 在本试验中，一个样品先在加速应力1s 下试验一段时间，若失效，则退出试验，若没有失效，将进入2s 应力下的试验，如此下去，一个样品可能会遭遇若干个加速应力水平的考
硬件系统可靠性设计规范 一、概论 可靠性的定义：产品或系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力 可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分,它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。设备可靠性设计规范的一个核心思想是监控过程，而不是监控结果。 二、可靠性设计方法 1、元器件：构成系统的基本部件，作为设计与使用者，主要是保证所选用的元器件的质量或可靠性指标满足设计的要求 2、降额设计：使电子元器件的工作应力适当低于其规定的额定值，从而达到降低基本故障率，保证系统可靠性的目的。幅度的大小可分为一、二、三级降额，一级降额（(实际承受应力)/(器件额定应力) < 50%的降额），建议使用二级降额设计方法，一级降额<70% 3、冗余设计：也称为容错技术或故障掩盖技术，它是通过增加完成同一功能的并联或备用单元（包括硬件单元或软件单元）数目来提高系统可靠性的一种设计方法，实现方法主要包括：硬件冗余；软件冗余；信息冗余；时间冗余等 4、电磁兼容设计：系统在电磁环境中运行的适应性，即在电磁环境下能保持完成规定功能的能力。电磁兼容性设计的目的是使系统既不受外部电磁干扰的影响，也不对其它电子设备产生电磁干扰。硬件措施主要有滤波技术、去耦电路、屏蔽技术、接地技术等；软件措施主要有数字滤波、软件冗余、程序运行监视及故障自动恢复技术等 5、故障自动检测及诊断 6、软件可靠性设计：为了提高软件的可靠性，应尽量将软件规范化、标准化、模块化 7、失效保险技术 8、热设计 9、EMC设计：电磁兼容（EMC）包括电磁干扰（EMI）和电磁敏感度（EMS）两个方面 三、可靠性设计准则
4．6 可靠性设计的基本概念与方法 一、结构可靠性设计概念 1．可靠性含义 可靠性是指一个产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力；而一个工业产品(包括像飞机这样的航空飞行器产品)由于内部元件中固有的不确定因素以及产品构成的复杂程度使得对所执行规定功能的完成情况及其产品的失效时间(寿命)往往具有很大的随机性，因此，可靠性的度量就具有明显的随机特征。一个产品在规定条件下和规定时间内规定功能的概率就称为该产品的可靠度。作为飞机结构的可靠性问题，从定义上讲可以理解为：“结构在规定的使用载荷／环境作用下及规定的时间内，为防止各种失效或有碍正常工作功能的损伤，应保持其必要的强刚度、抗疲劳断裂以及耐久性能力。”可靠度则应是这种能力的概率度量，当然具体的内容是相当广泛的。例如，结构元件或结构系统的静强度可靠性是指结构元件或结构系统的强度大于工作应力的概率，结构安全寿命的可靠性是指结构的裂纹形成寿命小于使用寿命的概率；结构的损伤容限可靠性则一方面指结构剩余强度大于工作应力的概率，另一方面指结构在规定的未修使用期间内，裂纹扩展小于裂纹容限的概率．可靠性的概率度量除可靠度外，还可有其他的度量方法或指标，如结构的失效概率F(c)，指结构在‘时刻之前破坏的概率；失效率^(()．指在‘时刻以前未发生破坏的条件下，在‘时刻的条件破坏概率密度；平均无故障时间MTTF(MeanTimeToFailure)，指从开始使用到发生故障的工作时间的期望值。除此而外，还有可靠性指标、可靠寿命、中位寿命，对可修复结构还有维修度与有效度等许多可靠性度量方法。 2．.结构可靠性设计的基本过程与特点 设计一个具有规定可靠性水平的结构产品，其内容是相当丰富的，应当贯穿于产品的预研、分析、设计、制造、装配试验、使用和管理等整个过程和各个方面。从研究及学科划分上可大致分为三个方面。 (1)可靠性数学。主要研究可靠性的定量描述方法。概率论、数理统计，随机过程等是它的重要基础。 (2)可靠性物理。研究元件、系统失效的机理，物理成固和物理模型。不同研究对象的失效机理不同，因此不同学科领域内可靠性物理研究的方法和理论基础也不同． (3)可靠性工程。它包含了产品的可靠性分析、预测与评估、可靠性设计、可靠性管理、可靠性生产、可靠性维修、可靠性试验、可靠性数据的收集处理和交换等．从产品的设计到产品退役的整个过程中，每一步骤都可包含于可靠性工程之中。 由此我们可以看出，结构可靠性设计仅是可靠性工程的其中一个环节，当然也是重要的环节，从内容上讲，它包括了结构可靠性分析、结构可靠性设计和结构可靠性试验三大部分。结构可靠性分析的过程大致分为三个阶段。 一是搜集与结构有关的随机变量的观测或试验资料，并对这些资料用概率统计的方法进行分析，确定其分布概率及有关统计量，以作为可靠度和失效概率计算的依据。
软件可靠性技术发展及趋势分析 1引言 1)概念 软件可靠性指软件在规定的条件下、规定的时间内完成规定的功能的能力。 安全性是指避免危险条件发生，保证己方人员、设施、财产、环境等免于遭受灾难事故或重大损失。安全性指的是系统安全性。一个单独的软件本身并不存在安全性问题。只有当软件与硬件相互作用可能导致人员的生命危险、或系统崩溃、或造成不可接受的资源损失时，才涉及到软件安全性问题。由于操作人员的错误、硬件故障、接口问题、软件错误或系统设计缺陷等很多原因都可能影响系统整体功能的执行，导致系统进入危险的状态，故系统安全性工作自顶至下涉及到系统的各个层次和各个环节，而软件安全性工作是系统安全性工作中的关键环节之一。 因此，软件可靠性技术解决的是如何减少软件失效的问题，而软件安全性解决的是如何避免或减少与软件相关的危险条件的发生。二者涉及的范畴有交又，但不完全相同。软件产生失效的前提是软件存在设计缺陷，但只有外部输入导致软件执行到有缺陷的路径时才会产生失效。因此，软件可靠性关注全部与软件失效相关的设计缺陷，以及导致缺陷发生的外部条件。由于只有部分软件失效可能导致系统进
入危险状态，故软件安全性只关注可能导致危险条件发生的失效。以及与该类失效相关的设计缺陷和外部输入条件。 硬件的失效，操作人员的错误等也可能影响软件的正常运行，从而导致系统进入危险的状态，因此软件安全性设计时必须对这种危险情况进行分析，井在设计时加以考虑。而软件可靠性仅针对系统要求和约束进行设计，考虑常规的容错需求，井不需要进行专门的危险分析。在复杂的系统运行条件下，有时软件、硬件均未失效，但软硬件的交互 作用在某种特殊条件下仍会导致系统进入危险的状态，这种情况是软件安全性设计考虑的重点之一，但软件可靠性并不考虑这类情况。2）技术发展背景 计算机应用范围快速扩展导致研制系统的复杂性越来越高。软硬件密切耦合，且软件的规模，复杂度及其在整个系统中的功能比重急剧上升，由最初的20%左右激增到80%以上。伴随着硬件可靠性的提高，软件的可靠性与安全性问题日益突出。 在军事、航空航天、医疗等领域，核心控制软件的失效可能造成巨大的损失甚至威胁人的生命。1985年6月至1987年1月，Therac-25治疗机发生6起超大剂量辐射事故，其中3起导致病人死亡。1991年海湾战争。爱国者导弹在拦截飞毛腿导弹中几次拦截失败，其直接原因为软件系统未能及时消除计时累计误差。1996年阿里亚娜5型运载火箭由于控制软件数据转换溢出起飞40秒后爆炸，造成经济损
1．判断题（共20分，每题2分，答错倒扣1分） (1)（）系统可靠性与维修性决定了系统的可用性和可信性。 (2)（）为简化故障树，可将逻辑门之间的中间事件省略。 (3)（）在系统寿命周期的各阶段中，可靠性指标是不变的。 (4)（）如果规定的系统故障率指标是每单位时间0.16，考虑分配余量，可以按每单位时间0.2 进行可靠性分配。 (5)（）MTBF和MFHBF都是基本可靠性参数。 (6)（）电子元器件的质量等级愈高，并不一定表示其可靠性愈高。 (7)（）事件树的后果事件指由于初因事件及其后续事件的发生或不发生所导致的不良结果。 (8)（）对于大多数武器装备，其寿命周期费用中的使用保障费用要比研制和生产费用高。 (9)（）所有产品的故障率随时间的变化规律，都要经过浴盆曲线的早期故障阶段、偶然故障 阶段和耗损故障阶段。 (10)（）各种产品的可靠度函数曲线随时间的增加都呈下降趋势。 2．填空题（共20分，每空2分） (1)MFHBF的中文含义为。 (2)平均故障前时间MTTF与可靠度R(t)之间的关系式是。 (3)与电子、电器设备构成的系统相比，机械产品可靠性特点一是寿命不服从分 布，二是零部件程度低。 (4)在系统所处的特定条件下，出现的未预期到的通路称为。 (5)最坏情况容差分析法中，当网络函数在工作点附近可微且变化较小、容差分析精度要求不 高、设计参数变化范围较小时，可采用；当网络函数在工作点可微且变化较大，或容差分析精度要求较高，或设计参数变化范围较大时，可采用。 (6)一般地，二维危害性矩阵图的横坐标为严酷度类别，纵坐标根据情况可选下列三项之一： 、 或。
3．简要描述故障树“三早”简化技术的内容。（10分）
ji 第四章(44) 可靠性试验与设计 四、最小二乘法 用图估法在概率纸上描出[],()i i t F t 点后,凭目视作分布检验判别所作的回归直线往往因人而异，因此最好再通过数值计算求出精确的分布检验结论和求出数学拟合的回归直线。通常用相关系数作分布检验，用最小二乘法求回归直线。 相关系数由下式求得： ()() n i i X X Y Y γ--= ∑ 其中X,Y 是回归直线的横坐标和纵坐标，它随分布的不同而不同。下表是不同分布的 坐标转换 只有相关系数γ 大于临界值0γ时，才能判定所假设的分布成立。0γ临界系数可查相应的临界相关系数表，如给定显著水平0.05α=，n=10,可查表得00.576γ=。若计算的0γγ，则假设的分布成 立。 如果回归的线性方程为 Y mX B =- 则由最小二乘法得到系数为
1 1 111 221 1??1?1 ()n n i i i i n n n i i i i i i i n n i i i i Y m X B N X Y X Y N m X X N =======-+=-=-∑∑∑∑∑∑∑ 代入上表中的不同的分布，就可以得到相应分布的参数估计值。 五、最好线性无偏估计与简单线性无偏估计 1、无偏估计 不同子样有不同的参数估计值?q ，希望?q 在真值q 附近徘徊。若?()E q q =，则?q 为q 的无偏估计。如平均寿命的估计为?i t n q =? ，是否为无偏估计？ Q 1 [] ?()[]n i i i i t E t E E n n n q q q === = =? 邋 \ ?q 为q 的无偏估计 2、最好无偏估计定义 若?k q 的方差比其它无偏估计量的方差都小，即?()min ()k k D D q q =，则?k q 为最好无偏估计。 3、线性估计定义 若估计量?q 是子样的一个线性函数，即1 ?n i i i a q ==C ? ，则称?q 为线性估计。 4、最好线性无偏估计 当子样数25n ￡时，通过变换具有()F m s C -形式的寿命分布函数，其,m s 的最好线性无偏估计为： 1 ?(,,)r j i D n r j X m ==? ?(,,)j C n r j X s =? 其中(,,),(,,)D n r j C n r j 分别为,m s 的无偏估计，有了,,n r j 后，可有专门表格查无偏系数(,,),(,,)D n r j C n r j 。
硬件可靠性及提高 一般来说，系统总是由多个子系统组成，而子系统又是由更小的子系统组成，直到细分到电阻器、电容器、电感、晶体管、集成电路、机械零件等小元件的复杂组合，其中任何一个元件发生故障都会成为系统出现故障的原因。因此，硬件可靠性设计在保证元器件可靠性的基础上，既要考虑单一控制单元的可靠性设计，更要考虑整个控制系统的可靠性设计。 1．影响硬件可靠性的因素 (1)元件失效。元件失效有三种：一是元件本身的缺陷，如硅裂、漏气等；二是加工过程、环境条件的变化加速了元件、组件的失效；三是工艺问题，如焊接不牢、筛选不严等。 (2)设计不当。在计算机控制系统中，许多元器件发生的故障并不是元件本身的问题，而是系统设计不合理或元器件使用不当所造成。 在设计过程中，如何正确使用各种型号的元器件或集成电路，是提高硬件可靠性不可忽视的重要因素。 （1)电气性能：元器件的电气性能是指元器件所能承受的电压、电流、电容、功率等的能力，在使用时要注意元器件的电气性能，不能超限使用。（2)环境条件：计算机控制系统的工作环境有时相当恶劣，由于环境因素的影响，不少系统的实验室试验情况虽然良好，但安装到现场并长期运行就频出故障。其原因是多方面的，包括温度、干扰、电源、现场空气等对硬件的影响。因此，设计系统时，应考虑环境条件对硬件参数的影响，元件设备须经老化试验处理。 （3)组装工艺：在硬件设计中，组装工艺直接影响硬件系统的可靠性。由于工艺原因引起的故障很难定位排除，一个焊点的虚焊或似接非接很可能导致整个系统在工作过程中不时地出现工作不正常现象。另外，设计印制电路板时应考虑元器件的布局、引线的走向、引线的分类排序等。
引言 嵌入式系统是以应用为中心，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。本文主要研究了基于S3C2410的嵌入式最小系统，围绕其设计出相应的存储器、总电源电路、复位电路等一系列电路模块。 嵌入式最小系统 嵌入式最小系统即是在尽可能减少上层应用的情况下，能够使系统运行的最小化模块配置。以ARM内核嵌入式微处理器为中心，具有完全相配接的Flash电路、SDRAM电路、JTAG电路、电源电路、晶振电路、复位信号电路和系统总线扩展等，保证嵌入式微处理器正常运行的系统，可称为嵌入式最小系统。对于一个典型的嵌入式最小系统，以ARM处理器为例，其构成模块及其各部分功能如图1所示，其中ARM微处理器、FLASH和SDRAM模块是嵌入式最小系统的核心部分。
微处理器——采用了S3C2410A ； 电源模块——本电源运用5V 的直流电源通过两个三端稳压器转换成我们所设计的最小系统所需要的两个电压，分别是3.3V 和1.8V ，3.3V 的给VDDMOP ，VDDIO,VDDADC 等供电，而1.8V 的给VDDi 和RTC 供电。 时钟模块（晶振）——通常经ARM 内部锁相环进行相应的倍频，以提供系统各模块运行所需的时钟频率输入。32.768kHz 给RTC 和Reset 模块，产生计数时钟，10MHz 作为主时钟源； Flash 存储模块——存放嵌入式操作系统、用户应用程序或者其他在系统掉电后需要保存的用户数据等； SDRAM 模块——为系统运行提供动态存储空间，是系统代码运行的主要区域； 复位模块——实现对系统的复位； 1.8V 电源LDD 稳压 SDARM 32MB (use JTAG 接口 REST 电路256字 节E2PROM E2PROM UART 串口功能扩展 32768Hz 晶振RTC 时钟源 S3C2410A-20 (ARM920T) (16KB I-Cache,16KB D-Cache) SDARM 32MB (use NOR FLASH 2MB (use
软件可靠性和安全性设计指南 (仅供内部使用) 文档作者：_______________ 日期：___/___/___ 开发/测试经理：_______________ 日期：___/___/___ 产品经理： _______________ 日期：___/___/___ 管理办：_______________ 日期：___/___/___ 请在这里输入公司名称 版权所有不得复制
软件可靠性和安全性设计指南 1 范围 1 .1主题内容 [此处加入主题内容] 1 .2适用范围 [此处加入适用范围] 2 引用标准 GBxxxx 信息处理——数据流程图、程序流程图、系统流程图、程序网络图和系统资源图的文件编制符号及约定。 GB/Txxx 软件工程术语 GB/Txxxxxx 计算机软件质量保证计划规范 GB/T xxxxx 计算机软件配置管理计划规范 GB/T xxxxx 信息处理——程序构造及其表示的约定 GJBxxxx 系统安全性通用大纲 GJBxxxxx 系统电磁兼容性要求 GBxxxx 电能质量标准大纲 GBxxxxx 电能质量标准术语 3 定义 [此处加入定义] 3 .1失效容限 [此处加入失效容限] 3 .2扇入 [此处加入扇入] 3 .3扇出 [此处加入扇出] 3 .4安全关键信息 [此处加入安全关键信息] 3 .5安全关键功能 [此处加入安全关键功能]
3 .6软件安全性 [此处加入软件安全性] 4 设计准则和要求 4 .1对计算机应用系统设计的有关要求 4 .1.1 硬件软件功能的分配原则 [此处加入硬件软件功能的分配原则] 4 .1.2 硬件软件可靠性指标的分配原则[此处加入硬件软件可靠性指标的分配原则] 4 .1.3 容错设计 [此处加入容错设计] 4 .1.4 安全关键功能的人工确认 [此处加入安全关键功能的人工确认] 4 .1. 5 设计安全性内核 [此处加入设计安全性内核] 4 .1.6 记录系统故障 [此处加入记录系统故障] 4 .1.7 禁止回避检测出的不安全状态[此处加入禁止回避检测出的不安全状态] 4 .1.8 安全性关键软件的标识原则 [此处加入安全性关键软件的标识原则] 4 .1.9 分离安全关键功能 [此处加入分离安全关键功能] 4 .2对硬件设计的有关要求 [此处加入对硬件设计的有关要求] 4 .3软件需求分析 4 .3.1 一般要求 [此处加入一般要求] 4 .3.2 功能需求 [此处加入功能需求] 4.3.2.1输入 [此处加入输入] 4.3.2.2处理 [此处加入处理] 4.3.2.3输出 [此处加入输出]
需求分析与软件可靠性保证 摘要：通过对软件测试过程中产生的数据进行分析，对照软件设计过程中需求分析中的错误或缺陷，对有关可靠性指标进行反复度量，明确软件错误的分布以减少其对软件需求分析可靠性的影响，进而对相关的错误或缺陷进行控制。 关键词：需求分析；测试；可靠性评估；模型 requirements analysis and software reliability assurance pang hongbiao (information central of china north industries group corp,beijing100089,china) abstract:the data generated by the software testing process analysis,control errors or defects in the software design process needs analysis,repeated measure of the reliability index of explicit software error distribution in order to reduce the reliability of the software requirements analysis impact,and thus control the errors or defects. keywords:needs analysis;test;reliability;model 需求分析是使用技术手段分析识别软件面向客户的实际需要，并且通过特性的系统描述待开发软件需要实现的功能和解决的问题，以此定义软件所有的操作指令和特征，并最终形成软件的使用说明。因此需求分析在软件设计计划的基础之上，从最先客户的原始
企业网络安全风险分析及可靠性设计 与实现研究 摘 要：现今，伴随信息、通信技术的完善，网络攻击技术的革新，网络安全问题日益显现。网络安全的管控，可以从侧面反映网络的安全状态，确保企业的网络安全。网络的安全性，关系企业的长远发展问题，同时也会间接影响社会的发展，作为企业的管理者我们应确保企业网络的安全，进而提高企业的经济效益。因此，本文就从网络安全风险分析、网络可靠性设计、企业网络安全的实现几方面进行一定的探讨，期望可以为企业的正常运行提供一定的帮助。 关键词：企业；网络风险分析；可靠性设计与实现现今，伴随信息、通信技术的完善，计算机网络中信息与数据的汇聚，都给人们的生活带来了极大的便捷性。经由网络系统，不仅提高了企业信息保存、传输的速度；提高了市场的反映速度；还带动了企业业务的新发展。企业内部中的网络信息，在现实运用中都实现了资源共享[1]。但是，在资源共享的前提下，就存在企业内部机密的安全性问题，尤其是现今的网络安全问题频发，我们更应提高对于企业的网络安全问题的关注度。因此，本文就对企业网络安全进行一定的探讨，期望可以对企业的正常运行提供有效帮助。 1网络安全风险分析 1.1安全威胁的分类 网络安全威胁，具体就是指潜在的、会对企业资产形成损失的安全问题。导致安全威胁的因素诸多，具体分类为：恶意攻击；系统软件问题；自然灾害；人为因素等[2]。
1.2网络系统安全影响因素[3] 1.2.1缺乏完善的管理体系 完善的网络管理体系，不单需要投入大量的网络设备，同时也要求有技术的支持。网络安全建设，其主要因素还应建立规范的网络安全管理机制。在任何企业，为了有效的保证网络的安全性，都应注重管理与技术的结合。在企业中，应注重员工的安全教育，同时管理者应依据现实状况，不断的完善企业的管理制度。 1.2.2缺乏网络安全知识 企业中的员工，其安全防范意识欠缺，对于网络安全知识认识较少，常会因个人信息的丢失，导致公司机密文件的泄漏。企业的网络安全，关系到企业的长远发展策略，因此公司应增强员工的安全知识教育，从根本上确保公司的网络安全。首先，企业员工在获取资源时，应该警惕病毒的侵入，防患于未然。其次，企业员工应该对于网络程序的安全性，有自己的初步判断能力，同时安装防病毒软件，并定时进行更新。第三，企业员工中对于文件的管理，应该注重文件的安全问题，应由员工自己管理文件，并设置权限。 1.2.3网络拥塞 网络拥塞，具体讲就是指当用户对网络资源的需求量，超过了网络固有容量的时候，出现的一种网络过载的状况[4]。企业员工的访问时间；交换机与路由器的端口传输速率等，都是造成网络拥塞的原因。当企业中出现网络拥塞的情况，就会出现数据不能进行转发，进而影响正常的网络运转工作，因此，企业在网络管理中，应依据这一情况制定合理的规划。 1.2.4系统漏洞的问题 现今，多数企业都是应用TCP/IP
软件可靠性分析与设计 软件可靠性分析与设计 软件可靠性分析与设计的原因?软件在使用中发生失效(不可靠会导致任务的失败,甚至导致灾难性的后果。因此,应在软件设计过程中,对可能发生的失效进行分析,采取必要的措施避免将引起失效的缺陷引入软件,为失效纠正措施的制定提供依据,同时为避免类似问题的发生提供借鉴。 ?这些工作将会大大提高使用中软件的可靠 性,减少由于软件失效带来的各种损失。 Myers 设计原则 Myers 专家提出了在可靠性设计中必须遵循的两个原则: ?控制程序的复杂程度
–使系统中的各个模块具有最大的独立性 –使程序具有合理的层次结构 –当模块或单元之间的相互作用无法避免时,务必使其联系尽量简单, 以防止在模块和单元之间产生未知的边际效应 ?是与用户保持紧密联系 软件可靠性设计 ?软件可靠性设计的实质是在常规的软件设计中,应用各种必须的 方法和技术,使程序设计在兼顾用户的各种需求时, 全面满足软件的可靠性要求。 ?软件的可靠性设计应和软件的常规设计紧密地结合,贯穿于常规 设计过程的始终。?这里所指的设计是广义的设计, 它包括了从需求分析开始, 直至实现的全过程。 软件可靠性设计的四种类型
软件避错设计 ?避错设计是使软件产品在设计过程中,不发生错误或少发生错误的一种设计方法。的设计原则是控制和减少程序的复杂性。 ?体现了以预防为主的思想,软件可靠性设计的首要方法 ?各个阶段都要进行避错 ?从开发方法、工具等多处着手 –避免需求错误 ?深入研究用户的需求(用户申明的和未申明的 ?用户早期介入, 如采用原型技术 –选择好的开发方法
?结构化方法:包括分析、设计、实现 ?面向对象的方法:包括分析、设计、实现 ?基于部件的开发方法(COMPONENT BASED ?快速原型法 软件避错设计准则 ? (1模块化与模块独立 –假设函数C(X定义了问题X 的复杂性, 函数E(X定义了求解问题X 需要花费的工作量(按时间计,对于问题P1和问题P2, 如果C(P1>C(P2,则有 E(P1> E(P2。 –人类求解问题的实践同时又揭示了另一个有趣的性质:(P1+P2>C(P1 +C(P2 –由上面三个式子可得:E(P1+ P2> E(P1+E(P2?这个结论导致所谓的“分治法” ----将一个复杂问题分割成若干个可管理的小问题后更易于求解,模块化正是以此为据。 ?模块的独立程序可以由两个定性标准度量,这两个标准分别称为内聚和耦合。耦合衡量不同模块彼此间互相依赖的紧密程度。内聚衡量一个模块内部各个元素彼此结合的紧密程度。 软件避错设计准则 ? (2抽象和逐步求精 –抽象是抽出事物的本质特性而暂时不考虑它们的细节 ?举例
可靠性测试鬼谷子品质联盟——乐天提供 可靠性测试内容 可靠性测试应该在可靠性设计之后，但目前我国的可靠性工作主要还是在测试阶段，这里将测试放在前面（目前大部分公司都会忽略最初的可靠性设计，比如我们公司，设计的时候，从来都没有考虑过可靠性，开发部的兄弟们不要拿砖头仍我……这是实话，只有在测试出现失效后才开始考虑设计）。 为了测得产品的可靠度（也就是为了测出产品的MTBF），我们需要拿出一定的样品，做较长时间的运行测试，找出每个样品的失效时间，根据第一节的公式计算出MTBF，当然样品数量越多，测试结果就越准确。但是，这样的理想测试实际上是不可能的，因为对这种测试而言，要等到最后一个样品出现故障――需要的测试时间长得无法想象，要所有样品都出现故障——需要的成本高得无法想象。 为了测试可靠性，这里介绍：加速测试（也就增加应力*），使缺陷迅速显现；经过大量专家、长时间的统计，找到了一些增加应力的方法，转化成一些测试的项目。如果产品经过这些项目的测试，依然没有明显的缺陷，就说明产品的可靠性至少可以达到某一水平，经过换算可以计算出MTBF（因产品能通过这些测试，并无明显缺陷出现，说明未达到产品的极限能力，所以此时对应的MTBF是产品的最小值）。其它计算方法见下文。（*应力：就是指外界各种环境对产品的破坏力，如产品在85℃下工作受到的应力比在25℃下工作受到的应力大；在高应力下工作，产品失效的可能性就大大增加了）； 一、环境测试 产品在使用过程中，有不同的使用环境（有些安装在室外、有些随身携带、有些装有船上等等），会受到不同环境的应力（有些受到风吹雨湿、有些受到振动与跌落、有些受到盐雾蚀侵等等）；为了确认产品能在这些环境下正常工作，国标、行标都要求产品在环境方法模拟一些测试项目，这些测试项目包括：
单片机系统可靠性设计 单片机是典型的嵌入式微控制器，由运算器，控制器，存储器，输入输出设备等构成，相当于一个微型的计算机。下面是小编为你带来的单片机系统可靠性设计，欢迎阅读。 在单片机系统的设计中，为了提升系通过运行的安全性与可靠性，需要针对其硬件系统和软件系统实施可靠性设计，这样才能满足使用需求。本文将针对单片机系统，分别从软件和硬件两个方面来阐述可靠性设计，具有一定的借鉴意义。 单片机系统可靠性设计 随着科学技术的不断进步，人们对于单片机系统的设计也更加关注，不断研究出新的技术，来提升单片机系统运行的可靠性。但是其可靠性与用户需求依然存在着一定的差距，亟需对其进行完善，提升可靠性。 正确设计软件 1.认真设计 对于单片机系统每部分的硬件地址，要清楚明确，对于汇编语言指令以及机器状态影响要了解和掌握，对于CPU内部的RAM功能要划分正确，仔细认真编写单片机系统软件。同时，在编写中，应用软件工程做法，保证程序的透明易懂，提升可维护性和可读性。 2.合理安排中断 按照系统的具体特点，对于工段优先级和中断功能进行
合理的安排，保护和恢复中断现场，防止发生中断冲突。 3.模块化结构 按照系统功能，可以将软件划分为多个模块，保证变成具有清楚的思路，便于调试和阅读，不易出错。 提升可靠性具体措施 1.设计合理的软件陷阱 在运行软件的过程中，有可能会出现失控的情况，例如，受到干扰，或者程序飞逸到非程序区。所以，在重要程序段、程序断裂点、非程序区以及向量区，可以埋设陷阱，从而及时捕捉飞逸程序。 2.指令冗余技术的应用 在不对实时性造成影响的情况下，反复执行同一指令，应用三选二方式实施判定，可以消除一些偶然的干扰，从而提升可靠性。 指令的应用 在进行单片机的地面测井仪的研制时，在对编好程序进行仿真运行时能够通过，但是写入指令时却无法运行，这是就可以将发生问题的字节用NOP代替，从而正常运行。 4.软件消抖方式 在按键操作中经常会发生意外的抖动，为了有效消抖，在处理程序内，可以通过延时再判，保证人机对话运行的可靠性。
第四章(45) 可靠性试验设计与分析 §4．4可靠性增长试验（Reliability Growth Test） 一、概述 可靠性增长：通过改正产品设计和制造中的缺陷，不断提高产品可靠性的过程。 产品试制阶段，由于设计缺陷与工艺上的不成熟，其可靠性一定会远低于预计的标准，通过试验发现故障，通过机理分析找出故障源，通过再设计与工艺的更改，以达到消除故障的目的，保证研制期间的可靠性达到预期的指标。 可靠性增长是不断反复设计、试验、故障、纠正这样一个循环过程。是为达到可靠性增长目的而执行可靠性秩序中所采用的一种试验方法。 可靠性增长的三个主要因素： 1).通过分析和试验找出产品的潜在故障源。 2).将存在问题（返馈），采取纠正措施更改设计。 3).对改进后的产品重新进行试验。 图4.23 可靠性增长过程 二、可靠性增长试验 目的：通过试验诱导出设计不良或工艺不成熟而引起的潜在故障，通过机理分析找出问题，在设计与工艺上加以纠正，从而达到可靠性增长目的。可靠性增长试验耗费的资源和时间比较多，试验总时间通常为预期的MTBF目标值的5~25倍，所以也并不是所有产品都适宜于安排可靠性增长试验。其试验大纲按照试验、分析、纠正(Test, Analysis And Fix test简称TAAF)这一过程来制定，为此要选定一个可靠性增长的模型，以便确定试验计划时所需考虑的因素。 1、可靠性增长模型 目前在可修产品的增长试验中，普遍使用的杜安(Duane)模型。有时为了使杜安模型的
适合性和最终评估具有较坚实的统计学依据，可用AMSAA 模型作为补充。 杜安模型是用于飞机发动机和液压机械装置等复杂可修产品的增长试验的。模型未涉及随机现象，是确定性模型，即工程模型，而不是数理统计模型。 其基本假设： 只要不断进行可靠性试验，系统可靠性增长（用MTBF 的提高表示）与累积试验时间在双对数纸上成线性关系，直线的斜率是可靠性增长率的一个度量。 图4.24 可靠性增长曲线 上述描绘了杜安可靠性增长模型。其增长率范围在0.3~0.7之间，若增长在0.3以下，说明纠正措施不够有力，在0.7以上表明采用了强有力的纠正措施。 从曲线上还可表明，制定可靠性增长大纲所需要的四个因素： (1).系统固有的MTBF 值P q 与要求的MTBF 值s θ关系： p θ在设计时用预测的方法确定，而s q （可接受值）比P q 低些，这是验证试验之前应增长到的值。 (2).增长曲线的起始MTBF 值0q ：当P q 预期值为200h ￡时，增长线以100试验小时（横坐标）与10%P q （纵坐标）为起始点。当200P h q >，则以100h 试验与50%P q 为起始点。 (3).关于MTBF 增长率a ：取决于大纲要求，如制定合理并执行严格，增长率可达0.6， 没有特殊考虑时可取0.1a =。 (4).增长所要求的总时间： 增长线与指标要求的MTBF 值的水平线交点所对应的总试验时间即为预计总试验时间。美国军用标准有个试验指南： 当固定的试验持续时间为规定的MTBF （s q ）的10～25倍时，该时间完全可以满足达到50～2000hMTBF 内预期的设备可靠性增长需要。当规定的MTBF 在2000h 以上时，其持续试验时间取决于设备的复杂性和大纲要求，但至少应是要求的MTBF 的一倍。无论任何情况下，持续时间试验都不得少于2000h 或不多于10000h 。
1．判断题（共20分，每题2分） (1)（）系统优化权衡的核心是效能、寿命周期费用两个概念之间的权衡。 (2)（）产品的故障密度函数反映了产品的故障强度。 (3)（）对于含有桥联的可靠性框图，在划分虚单元后得到的可靠性框图应是一个简洁的串、 并联组合模型。 (4)（）提高机械零件安全系数，就可相应提高其静强度可靠度。 (5)（）相似产品可靠性预计法要求新产品的预计结果必须好于相似的老产品。 (6)（）并非所有的故障都经历潜在故障再到功能故障这一变化过程。 (7)（）故障树也是一种可靠性模型。 (8)（）事件树中的后续事件是在初因事件发生后，可能相继发生的非正常事件。 (9)（）电子元器件是能够完成预定功能且不能再分割的电路基本单元。 (10)（）与电子产品相比，机械产品的失效主要是耗损型失效。 2．填空题（共20分，每空1分） (1)系统效能是系统 、及的综合反映。 (2)产品可靠性定义的要素为、和。 (3)可靠性定量要求的制定，即对定量描述产品可靠性的 及其。 (4)应力分析法用于 阶段的故障率预计。 (5)在进行FMEA之前，应首先规定FMEA从哪个产品层次开始到哪个产 品层次结束，这种规定的FMEA层次称为，一般将最顶层的约定层次称为
。 (6)故障树构图的元素是和。 (7)事件的风险定义为与的乘积。 (8)PPL的含义是。 (9)田口方法将产品的设计分为三次： 、和。3．简答题（20分） （1）（10分）画出典型产品的故障率曲线，并标明： 1)故障阶段； 2)使用寿命； 3)计划维修后的故障率变化情况。 （2）（10分）什么是基本可靠性模型？什么是任务可靠性模型？举例说明。