基于嵌入式芯片的内存诊断方法的研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 3.51MB 49 页 15积分

侵权投诉

基于嵌入式芯片的内存诊断方法的

研究

摘要

石油化工、航空航天工业、铁路交通等领域中安全相关系统的广泛应用，在完

善基本的民生、国防等方面，安全控制器作为安全相关系统的关键部件，那么对于

智能安全控制器的可靠性和安全性的高要求则显而易见。所谓的安全就是系统不

存在不可避免的风险，即安全相关系统在系统有可能发生危险事件之前就能够正

确的执行其安全功能，以保障安全生产避免重大损失和伤亡。安全控制器长期工

作在现场环境下，由于系统结构、软硬件设计等原因，其本身也有可能发生失效，

由于现场的被动的工作状态该失效一般不会自我暴露，因此对于安全控制器诊断测

试方法的研究就具有了更加重要的意义和价值。

内存诊断是提高系统安全性与可靠性的重要手段，本文根据时下对于智能控制

器的使用趋势，结合安全控制器的特点，基于嵌入式芯片KE02Z64VQH2提出了内

存诊断测试方案，该方案给出了由于不同故障类型、诊断覆盖率的要求所采用的不

同的诊断算法以及测试流程。当某个算法能够用尽可能少的测试图形检测到尽可能

多的故障时我们则称之为是高效的，为验证某项算法的高效性、故障的诊断覆盖率

以及诊断程序的健壮性，本文中引入了故障注入方式来评测安全相关系统的容错性

其中容错机制是安全相关系统中提高关键应用可靠性的重要手段，目前故障注入实

验模型的相关算法还没有正式形成，相关的文献记载也较少，本文在相应的基础上

对系统的软件故障注入及硬件故障注入做了理论分析并通过试验的方法对系统的容

错性进行了简单的验证。

本文中采用的是FRDM-KE02Z，它是基于ARM Cortex-M0+内核的工业级

Kinetis E系列由Freescale最新推出的嵌入式开发平台。该平台拥有 32位的处理能力

和较高的耐用性设计，可以将很多8位/16位的可靠性和稳定性要求很高的应用迁移

到32位的解决方案上。软件开发工具采用的是IAR，所采用的C语言一直是51系列

单片机开发中的常用工具，试验中的诊断测试算法具有较强的可移植性和复用性

试验证明了本文研究方法的工程实用价值和正确性。

关键词：可靠性内存诊断 ARM Cortex-M0+内核诊断覆盖率

故障注入

Abstract

Th e s a f e t y - r e l a t e d s y s t e m s a r e i n c r e a s i n g l y w i d e l y u s e d i n a r e a s s u c h a s t h e

petrochemical industry, aerospace industry, railway transport and as it like. In order to

improve the basic livelihood, defense of the nation as well as other areas, it will come to

a more high level of requirement for the safety-related systems, as a key component of

t h e s a f e t y c o n t r o l l e r , w i t h t h e i n t e l l i g e n t s a f e t y c o n t r o l l e r f o r r e l i a b i l i t y a n d s a f e t y

demanding nature. The so-called security system means that there is not the inevitable

r i s k i n t h e s a f e t y - r e l a t e d s y s t e m s . i t m u s t b e e x e c u t e d a b o u t t h e c o r r e s p o n d i n g

performance to achieve the safety functions, which can avoid the production suffering

m a j o r l o s s e s a n d c a s u a l t i e s o c c u r r i n g b e f o r e t h e d a n g e r o u s e v e n t s . T h e s a f e t y

controllers are working in the field environment forever. It is possible for the controllers

ow n f e at u r e s o r s t r u c t u r e s t o l os e t he i r f u nc t i o n s b e c a u s e o f t h e s y s t e m a rc h i t e ct u r e ,

h a r d w a r e o r s o f t w a r e d e s i g n . H o w e v e r , i t c a n n o t b e e x p o s e d n a t u r a l l y a b o u t t h e

vulnerabilities. In a word, the diagnostic test methods study of the safety controller has

been becoming more and more significant and valuable.

As w e a l l k n o w, M e m o r y D i a g n o s t i c i s a n i m p o r t a n t m e a n s t o i m p r o v e s y s t e m

s e c u r i t y a n d r e l i a b i l i t y. So m e s o l u t i o n i s p r o p o s e d i n t h i s t h e s i s c o n s i d e r i n g t h e

u s a g e t r e n d s o f t h e i n t e l l i g e n t c o n t r o l l e rs, s o i t w i t h t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s a f e t y

con tro l lers . Such a s tud y wo r ks a t t h e p lat f o rm of KE 02Z6 4VQH 2 and we wil l gi ve

various treatments concerning the different requirement of the

fault types and the diagnostic coverage. When it is able to detect so many faults as little

a s p o s s i b l e w i t h t h e t e s t p a t t e r n , w e c a l l e d s u c h a n a l g o r i t h m

efficient. To verify the robustness of an algorithm efficiency, fault diagnosis coverage

a n d d i a g n o s t i c p r o c e d u r e s , t h i s a r t i c l e i n t r o d u c e s t h e f a u l t i n j e c t i o n t o l e r a n c e

approaches to evaluate safety-related systems. Just as it said, the fault tolerance is an

important means to improve safety-related systems in critical applications reliabilities.

Currently, there are not yet officially formed, less relevant literature to record the fault

i n j e c t i o n i n e x p e r i m e n t a l m o d e l s o f c o r r e l a t i o n a l g o r i t h m . T h i s p a p e r h o l d s s o m e

theoretic al analysis on the basis of appropriate software and hardware fault injection.

A s w i t h t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t a l m e t h o d s f o r f a u l t - t o l e r a n t s y s t e m ,

here are some experiments with simple validation.

T h e F R D M - K E 0 2 Z , w h i c h i s b a s e d o n A R M C o r t e x - M 0 + c o r e , i s o n e k i n d o f

industrial grade board by Freescale Kinetis E series, the latest embedded development

p l a t f o r m . I t c a n d e a l w i t h a 3 2 - b i t w i t h h i g h d u r a b i l i t y d e s i g n a n d m o r e r e q u i r i n g

reliability and stability of 8/16-bit can be migrated to such 32-bit solutions. IAR is used

as the software development tool, and the developing language of C has been developed

51 series of common tools broadly. There is strong portability and reusability about our

test diagnostic testing algorithm and the experiments proves that.

K e y W o r d s：M e m o r y D i a g n o s t i c , R e l i a b i l i t y , A R M C o r t e x - M 0 +

core,

Diagnostic Coverage, Fault Injection

目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章  绪  论...........................................................................................................1
1 课题研究的背景及意义..............................................................................1
2 国内外研究现状..........................................................................................2
3 论文的研究内容..........................................................................................3
4 本章小结......................................................................................................4
第二章  内存诊断测试的发展..................................................................................5
1 内存..............................................................................................................5
1.1 SDRAM............................................................................................6
1.2 SRAM...............................................................................................7
2 内存故障类型..............................................................................................9
3 存储器故障诊断测试算法........................................................................12
3.1 MSCAN算法..................................................................................12
3.2 跳步（GALPAT）测试算法..........................................................12
3.3 棋盘（Checkerboard）算法..........................................................14
3.4 跨步（Marching）测试算法.........................................................15
4 本章小结....................................................................................................16
第三章  安全相关系统中的工业级应用芯片........................................................17
1  安全相关系统的实现...............................................................................17
1.1 硬件安全完整性要求的实现.........................................................18
1.2 软件安全完整性要求的实现.........................................................20
2工业控制常用芯片.....................................................................................21
2.1 传统的常用工业级微控制器.........................................................22
2.2 FRDM-KE02Z介绍........................................................................22
2.3 ARM Cortex-M0+内核架构和操作集...........................................23
3本章小结.....................................................................................................26
第四章  freescale KE0240M开发板的内存诊断...................................................27
1 硬件平台的搭建与调试............................................................................27
2 软件开发调试工具的简介与配置............................................................28
3 实验与分析................................................................................................32
3.1 诊断程序的实现.............................................................................32
3.2 测试程序的编写与调试.................................................................42
3.3 实验结果分析.................................................................................43
3.4 故障注入.........................................................................................44
4 本章小结....................................................................................................45
第五章  实际应用....................................................................................................46
1验证诊断程序的健壮性及诊断覆盖率.....................................................46
2 安全相关系统中的可靠性........................................................................47
III

5.3 本章小结....................................................................................................47

第六章总结与展望.................................................................................................48

6.1 总结............................................................................................................48

6.2 展望............................................................................................................49

参考文献..................................................................................................................51

第一章绪论

1.1 课题研究的背景及意义

功能安全系统的出现是为了控制、避免和减轻风险的发生，它于20世纪80年

代末起源于欧洲，其目的是保证人员、财力和环境的安全。功能安全综合了硬件

设计技术、软件设计技术、试验技术以及管理技术等，并将可靠性技术作为基础

这一理念被注入到软、硬件的设计当中。1995年，功能安全在机械领域的标准

EN954由欧洲率先推出；1998年IEC61508 电气/电子/可编程电子安全系统的功能安

全的第一部分由国际电工委员会（IEC）首次推出，并于2000年间相继推出了功能

安全的第2部分和第7部分[1]。近年来，随着功能安全技术的快速发展，在工业自动

化领域、安全相关智能设备等领域，功能安全的理念逐渐得到重视。安全仪表系统

（SIS）作为安全相关智能设备体系成为实现功能安全、保障安全生产的重要组成

部分。SIS产品是否能够满足安全要求，从功能安全角度对其进行评估时必须依据

一定的标准[2]。2010年，IEC61508发布了新版本标准，这是在总结十多年的技术发

展和应用经验的基础上加以完善修改的，对几乎所有技术相关的内容进行了更新

同时也依据相应的发展趋势提出了诸多新的要求条款。根据新版标准对产品开发

相关的要求，本文努力探讨这些要求如何在由现成传感器/变送器（如温度变送器

压力变送器、位置开关等）、控制器（如可编程序控制器、现场总线等）、输入

输出模块和现场执行机构（如电磁阀、电动调节阀和接触器等）组成，并与相应

的输入输出接口及相关软件一起构成的安全仪表系统（SIS）的开发过程中得以实

现。

功能安全，首先是安全的概念，所谓安全就是不存在不可避免的风险，这种风

险是指由于危险的发生而造成的对人身体健康的危害、财产的损失和环境的破坏。

对功能安全的要求源于受控装置和EUC控制系统风险的潜在危险的存在，功能安

全的起因是危险和风险，保证功能安全的方式是通过电气 /电子/可编程电子安全相

关系统、其他技术安全相关系统以及外部风险降低的设施可正确执行其功能来将

风险和危险降低到可接受的范围内。

安全相关软件的不安全，常常导致各类事故的发生，甚至可能导致一个企业的

死亡，系统安全性风险已演变为以软件为核心的趋势，然而软件复杂度的不断增长

更增加了软件安全性保障的难度。从软件系统分析、设计实现到测试部署、运行维

护等阶段入手，大量的组织、企业制定发布了用于保证软件安全性的设计与编码规

范来解决安全性相关问题。然而，在安全相关产品的设计、安全相关软件的使用和

开发过程中，智能控制芯片的内存管理是在大型应用软件开发中必须考虑的一个重

要因素，它关乎到应用软件的稳定性和效率，自底向上对内存管理的研究可分为三

个层次：应用级内存管理、高级语言级内存管理和操作系统级内存管理[9]。然而对

于操作系统和高级语言所提供的内存使用和管理方法，开发人员并非总是能够对

其进行充分利用，因此对于底层应用级内存的管理就变得非常必要。对于程序设

计语言，为了解决内存管理问题开发人员不得不注意内存回收及内存泄漏的问题

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基于嵌入式芯片的内存诊断方法的研究摘要石油化工、航空航天工业、铁路交通等领域中安全相关系统的广泛应用，在完善基本的民生、国防等方面，安全控制器作为安全相关系统的关键部件，那么对于智能安全控制器的可靠性和安全性的高要求则显而易见。所谓的安全就是系统不存在不可避免的风险，即安全相关系统在系统有可能发生危险事件之前就能够正确的执行其安全功能，以保障安全生产避免重大损失和伤亡。安全控制器长期工作在现场环境下，由于系统结构、软硬件设计等原因，其本身也有可能发生失效，由于现场的被动的工作状态该失效一般不会自我暴露，因此对于安全控制器诊断测试方法的研究就具有了更加重要的意义和价值。内存诊断是提高系统安全性与...

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