[发明专利]一种基于数字虚拟技术的星载嵌入式数据通讯故障动态注入系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于数字虚拟技术的星载嵌入式数据通讯故障动态注入系统及方法，应用于星载嵌入式计算机软件系统的底层通讯容错机制评测，适用于不同芯片架构的星载嵌入式计算机内置软件通讯功能的可靠性验证与容错测试，以及动态条件下的通讯故障复现与快速定位。

背景技术

随着计算机系统应用到航天领域，对于软件系统的容错和可靠性评价成了整个航天系统研制的重要环节。通过对软件系统容错机制的测试和评估，可以得到其容错算法和机制的正确性和有效性，以此判断系统是否达到了宇航级的高可靠性设计要求。当前，容错评价的方法很多，但主要有三种方法：分析模型法、现场错误数据分析法和故障注入方法。分析模型法需要对目标系统进行必要的化简和假设，对可靠性缺乏定量分析，因而无法真实准确地对系统的可靠性进行评估；现场错误数据分析法需要大量的实验数据积累，时间成本上难以接受；故障注入技术作为能加速系统失效的方法，可以较精确地得出系统覆盖率和错误潜伏期等参数，已经被广泛地应用于容错机制检测。通过对注入故障后加速系统发生故障和失效的过程进行监测和分析，可大大缩短对目标软件系统可靠性和容错特性的评测结果获得周期。

目前，实现故障注入的方法有硬件故障注入、软件故障注入和仿真故障注入三种。软件故障注入根据一定的故障模型，通过修改目标系统内存单元或处理器内部的寄存器值来模拟硬件故障的发生。其主要优点是无需复杂的实验装置，实现成本低、可在编译阶段和程序运行时注入故障等。主要不足是对目标程序的运行时间、占用空间等造成影响。硬件故障注入是以物理手段直接将故障注入到目标系统的硬件中，通过附加硬件对目标系统的作用，使目标系统的正常硬件环境受到影响，从而产生故障。目前硬件实现的故障注入的研究大多集中于芯片管脚级，采用向管脚级施加电压、重粒子辐射或电磁干扰等手段将故障引入目标系统。该方法的主要优点是注入的故障接近实际情况，能够较好地模拟实际的硬件故障，实验过程中无需专门开发故障注入模型。其主要不足是实验装置复杂、费用高，对目标系统硬件容易造成损伤等。仿真故障注入是通过利用某种标准硬件描述语言(如常用的VHDL)为测试系统建立硬件仿真模型，然后在模拟模型中增加故障注入机制，其优点是不需要任何特殊的硬件，对注入的故障可以精确地监控，不足是开发工作量大，需要对原始系统进行完整仿真模型的建立。基于仿真故障注入方法虽然存在一定的不足，但是对于航天星载计算机在轨维护和可靠性增长具有较好的实施性和时效性。针对航天这类要求高可靠性的领域，仿真故障注入能够快速实现某些特定故障场景的重建，不存在对目标系统可访问性的限制，可以精确监控所注入的故障位置和时间，尤其是在星载计算机动态运行下的动态过程下故障注入后能全面观测系统内部状态变化，这是其它现有故障注入方法难以实现的。

面向实物系统的物理故障注入目前依然是软件系统可靠性评估的重要手段，然而当代嵌入式芯片的高集成度、多种芯片混合电路、封装严密等特点限制了这类物理故障注入方法的可访问性。此外，传统基于实物的故障注入测试过程均采用物理时间，难以进行加速测试，尤其是当故障频繁激发则更显得无能无力；测试过程中的状态保存、恢复，以及特定测试场景的重建都较为困难，对包含硬件内部状态设置的特定场景复现将变现得异常困难，这非常不利于星上在轨故障的地面快速复现和定位，以及事后的异常分析，造成可靠性分析和增长在某些场合下难以开展。此外，采用实物方式的故障注入过程中很难了解系统内部行为，也不利于及时发现和定位被测系统中系统级和底层错误。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于数字虚拟技术的星载嵌入式数据通讯故障动态注入系统及方法，解决嵌入式星载计算机数据通讯可靠性评测，是一种简单、经济、可控的多类型的故障注入技术，且兼具软件故障注入和仿真故障注入二者的优点。

本发明技术解决方案：一种基于数字虚拟技术的星载嵌入式数据通讯故障动态注入系统，包括：星务模拟单元、底层硬件通信接口虚拟单元和故障注入单元；