為確保安全和效率，鐵路和運(yùn)輸系統(tǒng)正在實(shí)施各種保護(hù)系統(tǒng)，如列車自動保護(hù)（ATP）、積極列車控制（PTC）和基于通信的列車控制(CBTC)等。地鐵和其他軌道交通系統(tǒng)正在采用自動列車操作（ATO）系統(tǒng)并運(yùn)行“無人駕駛”列車(沒有駕駛員或駕駛員只用來處理緊急情況的列車)。

這些控制系統(tǒng)與安全息息相關(guān)。它們必須滿足IEC 61508和EN 5012x標(biāo)準(zhǔn)中所設(shè)定的嚴(yán)格可靠性要求。本文側(cè)重于介紹操作系統(tǒng)中對系統(tǒng)可靠性帶來最直接影響的一些特點(diǎn)：確保實(shí)時性的架構(gòu)特性、故障分離和故障恢復(fù)等功能。



圖1 新西蘭的ONTRACK安裝了一個四頻道RoIP裝置，命名為ORC，作為IP網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)的VHF/IHF無線電網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁，用于促進(jìn)列車安全運(yùn)行和追蹤軌道工人的位置。

標(biāo)準(zhǔn)

二十年前，歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會頒發(fā)了鐵路應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)EN 50126，它定義了可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性的規(guī)范，同時頒布了用于鐵路控制和保護(hù)系統(tǒng)軟件的標(biāo)準(zhǔn)EN50128和用于發(fā)送信號的安全相關(guān)的電子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)EN 50129。

EN 50128:強(qiáng)調(diào)了軟件架構(gòu)的重要性：“軟件架構(gòu)是軟件和軟件安全完整性等級開發(fā)的基本安全策略。”規(guī)定如果要求SIL 3 或SIL 4的系統(tǒng)部署COTS（商用現(xiàn)成）軟件，“應(yīng)定義一個策略以檢測COTS軟件的故障并保護(hù)系統(tǒng)免于故障”。

可靠性和隔離性

在一個軟件系統(tǒng)中，可靠性是可用性和可靠性的組合。這些品質(zhì)主要取決于操作系統(tǒng)審計架構(gòu)。

操作系統(tǒng)架構(gòu)是整個系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)，它決定了將組件與不同的SIL要求進(jìn)行分離的難度和成本。

例如，一個ATO系統(tǒng)可能包含了一個顯示非關(guān)鍵信息的多媒體組件。該組件只需要達(dá)到SIL1或甚至SIL 0（EN標(biāo)準(zhǔn)為非安全相關(guān)的軟件定義了SIL 0）就可以了，而關(guān)鍵組件（處理與軌旁基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的通信、管理減速和制動，報警等）則需要SIL 3或更高的認(rèn)證。一個有利于SIL 0組件分離的架構(gòu)不能在系統(tǒng)的安全關(guān)鍵部分上妥協(xié)：

a) 簡化設(shè)計，允許以最少的集成工作為SIL 0組件使用COTS軟件

b) eli消除了為滿足SIL 3要求而產(chǎn)生的設(shè)計、構(gòu)建和驗(yàn)證非關(guān)鍵組件的成本。

c) 由于它減少了安全關(guān)鍵系統(tǒng)的范圍，側(cè)重于關(guān)鍵系統(tǒng)組件的開發(fā)和驗(yàn)證，使得整體系統(tǒng)更為安全。

架構(gòu)

支持可靠性保證的操作系統(tǒng)通常被稱為實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS）。實(shí)時操作系統(tǒng)的架構(gòu)是不同的。最常見的架構(gòu)是實(shí)時執(zhí)行、單片式和微內(nèi)核。

實(shí)時執(zhí)行

盡管已有50年歷史，實(shí)時執(zhí)行模式依然是許多實(shí)時操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在此模式中，所有軟件組件—內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用程序均在單一的內(nèi)存地址空間里運(yùn)行。

雖然有效，但該架構(gòu)有兩大弱點(diǎn)。首先，任何模塊中的單一指針錯誤均能破壞內(nèi)核或任何其它模塊所使用的內(nèi)存，從而可能導(dǎo)致系統(tǒng)范圍內(nèi)的故障。其次，系統(tǒng)崩潰也許沒有留下幫助識別錯誤的診斷信息。

宏內(nèi)核

宏內(nèi)核實(shí)時操作系統(tǒng)通過使用一個架構(gòu)解決了內(nèi)存錯誤所引起的系統(tǒng)崩潰的問題，在該架構(gòu)里，用戶應(yīng)用程序作為內(nèi)存保護(hù)進(jìn)程而運(yùn)行。

該架構(gòu)保護(hù)了內(nèi)核免于錯誤的用戶代碼，但內(nèi)核組件仍舊與文件系統(tǒng)、協(xié)議棧和驅(qū)動程序共享地址空間。因此，這些服務(wù)中的任何一個錯誤都能讓系統(tǒng)崩潰。例如，在一個Linux操作系統(tǒng)中，驅(qū)動程序組成75%的代碼，每一行顯示能達(dá)到內(nèi)核的潛在錯誤。與實(shí)時執(zhí)行操作系統(tǒng)一樣，單片式操作系統(tǒng)架構(gòu)的系統(tǒng)也許難于滿足可靠性的要求。

微內(nèi)核

在一個微內(nèi)核實(shí)時操作系統(tǒng)中，應(yīng)用程序、設(shè)備驅(qū)動程序、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧存在于內(nèi)核之外的一個獨(dú)立的地址空間；它們即與內(nèi)核分離而且彼此分離。某一個組件中的故障不會波及系統(tǒng)。此外，由于它同樣以可預(yù)見的方式運(yùn)行，因此系統(tǒng)能重啟故障組件。



圖2 微內(nèi)核：組件彼此分離，一個組件的故障不會波及整個系統(tǒng)


對于安全相關(guān)的系統(tǒng)，內(nèi)核與其它組件彼此分離是有利的。不是所有的組件都需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全關(guān)鍵部分所需的SIL。所要求的是較低級別的SIL組件能與安全關(guān)鍵組件分離。

這種分離也能通過虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)（管理程序），但這種策略通常需要更強(qiáng)大的處理器，這限制了合適的處理器的選擇并增加了成本。它也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，并可能影響實(shí)時性能。

實(shí)時操作系統(tǒng)的關(guān)鍵特點(diǎn)

微內(nèi)核架構(gòu)只是實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)可靠性的一個特點(diǎn)。其它關(guān)鍵特點(diǎn)包括：

• 通過搶占低優(yōu)先級的內(nèi)核調(diào)用來滿足實(shí)時性的承諾

• 由于優(yōu)先級反轉(zhuǎn)，防止不可預(yù)知的行為和系統(tǒng)故障

• 保證CPU資源調(diào)度的可用性以防止關(guān)鍵進(jìn)程饑餓

• 利用軟件看門狗監(jiān)視進(jìn)程，并在組件發(fā)生故障時采取糾正行動

搶占式內(nèi)核

搶占式內(nèi)核是實(shí)時操作系統(tǒng)的一個核心特點(diǎn)，在一個沒有搶占式內(nèi)核調(diào)用的操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)遇到不可預(yù)測的延遲會引起關(guān)鍵活動錯過截止時間— 使得系統(tǒng)無法滿足其可靠性的要求。

這些延遲是由高優(yōu)先級用戶線程等待完整的內(nèi)核調(diào)用來完成所引起的，即使這個調(diào)用是系統(tǒng)中最低級別的進(jìn)程造成的。更為糟糕的是，當(dāng)驅(qū)動程序或其它系統(tǒng)服務(wù)（通常在內(nèi)核調(diào)用時執(zhí)行）代表客戶線程執(zhí)行時，優(yōu)先級信息通常會丟失。

然而，在一個設(shè)計良好的實(shí)時操作系統(tǒng)中，搶占不會發(fā)生的時間窗極其短暫，通常是在納秒級，實(shí)時操作系統(tǒng)對中斷被禁止的時間和搶占關(guān)閉上規(guī)定了一個上限。該上限允許開發(fā)者確定最壞情況的延遲并在其設(shè)計中做調(diào)整。

為確保可預(yù)測性和關(guān)鍵活動的及時完成，實(shí)時操作系統(tǒng)必須盡可能簡單，以便在通過內(nèi)核的最長的非搶占式代碼路徑上有一個明確的上限。通過一個包括只用短執(zhí)行路徑服務(wù)的內(nèi)核和分配給外部進(jìn)程或線程的密集型操作（例如進(jìn)程加載）能實(shí)現(xiàn)最佳的簡易性。

優(yōu)先級繼承

優(yōu)先級反轉(zhuǎn)是一種低優(yōu)先級線程阻止高優(yōu)先級線程完成其工作的情況。表３顯示了一個低優(yōu)先級線程封鎖高優(yōu)先級線程的例子。這也許是通過同步引起（例如，警報和數(shù)據(jù)記錄器共享由鎖或信號燈控制的資源，警報等待數(shù)據(jù)記錄器解除鎖定的資源），或通過警報要求一項(xiàng)目前由數(shù)據(jù)記錄器使用的服務(wù)引起的。

在圖３的例子中，一個中等優(yōu)先級的線程（數(shù)據(jù)聚合器）搶占低優(yōu)先級的記錄器，但不需要該記錄器使用的資源，這使記錄器保持了資源控制。當(dāng)警報嘗試運(yùn)行，它搶占了聚合器并封鎖，但不能訪問仍被記錄器控制的資源。由于警報的封鎖，調(diào)度程序?qū)ふ夷苓\(yùn)行的優(yōu)先級別最高的線程，并運(yùn)行聚合器，顛倒線程優(yōu)先級。



圖3 有了優(yōu)先級繼承，高優(yōu)先級線程不會被封鎖

優(yōu)先級繼承是一個阻止優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的機(jī)制。它將高優(yōu)先級線程的優(yōu)先級分配給低優(yōu)先級線程直到線程完成。在上面的這個例子中，數(shù)據(jù)記錄器將繼承警報的優(yōu)先級，因此不能被數(shù)據(jù)聚合器搶占。它將完成并恢復(fù)到原來的優(yōu)先級，而且警報將解除封鎖并不受數(shù)據(jù)聚合器的影響，該機(jī)制在圖4中顯示。



圖4 自適應(yīng)分區(qū)是保護(hù)特定線程和線程組的一套規(guī)則



時間分區(qū)

在與安全相關(guān)的系統(tǒng)里，如果一個子系統(tǒng)缺乏CPU周期，它提供的服務(wù)也許對其它子系統(tǒng)來說是不可用的。例如，在地鐵系統(tǒng)里，如果一個車載ATP系統(tǒng)的通信棧進(jìn)程在需要時無法響應(yīng)，該車載ATP系統(tǒng)也許要與軌旁ATP基礎(chǔ)設(shè)施承擔(dān)通信中斷并開始啟動安全程序，減速或停止列車并中斷上下線的服務(wù)。

時間分區(qū)通過硬件或軟件的手段強(qiáng)制分配CPU預(yù)算，解決資源饑餓。它可以防止進(jìn)程或線程壟斷其它進(jìn)程或線程需要的CPU周期?？赡艹霈F(xiàn)兩種類型的分區(qū)：靜態(tài)和自適應(yīng)。

在靜態(tài)分區(qū)中，任務(wù)在區(qū)內(nèi)分組，每個區(qū)分配了一定比例的CPU時間。沒有一個任務(wù)在任何區(qū)內(nèi)能消耗超過分區(qū)預(yù)先確定的CPU時間。通過確保每個分區(qū)都能得到一定的CPU時間，該限制確保所有的關(guān)鍵進(jìn)程總是能夠保持運(yùn)行。

不幸的是，沒有進(jìn)程能夠使用比分配給它分區(qū)限定的更多的CPU周期，即使其它分區(qū)沒有使用所有分配給它們的時間。因此，靜態(tài)分區(qū)白白浪費(fèi)了CPU周期并降低了系統(tǒng)處理高峰需求的能力。

與靜態(tài)分區(qū)一樣，自適應(yīng)分區(qū)為進(jìn)程或進(jìn)程組保留了CPU周期。然而，不像靜態(tài)分區(qū)，自適應(yīng)分區(qū)使用動態(tài)調(diào)度算法，重新分配未使用的CPU周期給需要的分區(qū)。只有當(dāng)CPU運(yùn)行時，它才執(zhí)行分區(qū)預(yù)算。自適應(yīng)分區(qū)從而讓系統(tǒng)以100% 的能力運(yùn)行，僅當(dāng)一個分區(qū)以上的進(jìn)程競爭周期時，它才執(zhí)行分區(qū)預(yù)算。

此外，自適應(yīng)分區(qū)基于預(yù)先確定的標(biāo)準(zhǔn)，能在系統(tǒng)運(yùn)行時調(diào)整預(yù)算。例如，一個負(fù)責(zé)制動調(diào)整的分區(qū)也許在每小時低于20公里的速度時被分配30%的CPU時間，而在更高速度時分配到45%的CPU時間。

軟件看門狗

要求可用性保證的系統(tǒng)會實(shí)施以硬件為導(dǎo)向的高可用性解決方案和軟件看門狗。

軟件看門狗是一個監(jiān)測系統(tǒng)并進(jìn)行多階段恢復(fù)或清除關(guān)閉的一個用戶空間進(jìn)程?？撮T狗必須自我檢測并彈性處理內(nèi)部故障。它如果意外停止，必須通過將其任務(wù)移交給鏡像進(jìn)程從而立即、完全重建其自我狀態(tài)。

如發(fā)生故障，看門狗可以執(zhí)行多種操作以確保系統(tǒng)安全性并恢復(fù)。例如，它能夠中止然后重啟故障進(jìn)程，避免系統(tǒng)重啟?；蛘?，它也能終止該進(jìn)程和相關(guān)進(jìn)程，初始化硬件到一個安全狀態(tài)，然后以協(xié)調(diào)的方式重新啟動終止的進(jìn)程?；蛘?，如果故障至關(guān)重要，看門狗可以執(zhí)行可控的關(guān)閉或重啟整個系統(tǒng)并發(fā)出報警。

最后，軟件看門狗能夠監(jiān)測傳統(tǒng)的硬件看門狗不可見的系統(tǒng)事件。例如，硬件看門狗能確保驅(qū)動程序正服務(wù)于硬件，但可能無法檢測到其他程序是否正確的與該驅(qū)動程序溝通。而軟件看門狗可以彌補(bǔ)這一差距，當(dāng)它檢測到一個內(nèi)部異常時能夠采取行動。