我们正在编译一个嵌入式C++应用程序,它部署在电离辐射轰击的环境中的屏蔽设备中。我们正在为ARM使用GCC和交叉编译。在部署时,我们的应用程序会生成一些错误的数据,并且比我们希望的更频繁地崩溃。硬件是为这个环境而设计的,我们的应用程序已经在这个平台上运行了几年。
我们是否可以对代码进行更改,或对编译时进行改进,以识别/纠正由单个事件扰乱导致的软错误和内存损坏?是否有其他开发人员成功地减少了软错误对长时间运行的应用程序的有害影响?
我们正在编译一个嵌入式C++应用程序,它部署在电离辐射轰击的环境中的屏蔽设备中。我们正在为ARM使用GCC和交叉编译。在部署时,我们的应用程序会生成一些错误的数据,并且比我们希望的更频繁地崩溃。硬件是为这个环境而设计的,我们的应用程序已经在这个平台上运行了几年。
我们是否可以对代码进行更改,或对编译时进行改进,以识别/纠正由单个事件扰乱导致的软错误和内存损坏?是否有其他开发人员成功地减少了软错误对长时间运行的应用程序的有害影响?
当前回答
有人提到使用较慢的芯片来防止离子同样容易地翻转比特。以类似的方式,可能使用专门的cpu/ram,它实际上使用多个位来存储单个位。因此,提供了硬件容错,因为不太可能所有的位都被翻转。所以1=1111,但需要被击中4次才能真正翻转。(4可能是一个坏数字,因为如果2位被翻转,它就已经不明确了)。因此,如果您使用8,您得到的ram将减少8倍,访问时间也会慢一些,但数据表示更可靠。您可能可以在软件级别使用专门的编译器(为所有内容分配更多的空间)或语言实现(为以这种方式分配内容的数据结构编写包装器)来实现这一点。或具有相同逻辑结构但在固件中执行此操作的专用硬件。
其他回答
以下是一些想法和想法:
更创造性地使用ROM。
在ROM中存储任何可以存储的东西。不要计算东西,而是将查找表存储在ROM中。(确保编译器将查找表输出到只读部分!在运行时打印内存地址以进行检查!)将中断向量表存储在RAM中。当然,运行一些测试以查看ROM与RAM相比的可靠性。
为堆栈使用最好的RAM。
堆栈中的SEU可能是最可能的崩溃源,因为它是索引变量、状态变量、返回地址和各种类型的指针通常存在的地方。
执行计时器滴答声和看门狗计时器例程。
您可以在每一次计时器计时时运行一个“健全性检查”例程,以及一个看门狗例程来处理系统锁定。您的主代码还可以周期性地增加一个计数器以指示进度,而健全性检查例程可以确保发生了这种情况。
在软件中执行纠错代码。
您可以为数据添加冗余,以便能够检测和/或纠正错误。这将增加处理时间,可能会使处理器长时间暴露在辐射中,从而增加出错的机会,因此您必须考虑权衡。
记住缓存。
检查CPU缓存的大小。您最近访问或修改的数据可能位于缓存中。我相信您可以禁用至少一些缓存(以较大的性能代价);你应该试试看缓存对SEU的敏感性。如果缓存比RAM更硬,那么您可以定期读取和重新写入关键数据,以确保它保留在缓存中并使RAM恢复正常。
巧妙地使用页面错误处理程序。
如果将内存页标记为不存在,CPU将在您尝试访问它时发出页面错误。您可以创建一个页面错误处理程序,在处理读取请求之前进行一些检查。(PC操作系统使用此功能透明地加载已交换到磁盘的页面。)
对关键的事情使用汇编语言(可能是所有事情)。
使用汇编语言,您知道寄存器中的内容和RAM中的内容;你知道CPU使用的是什么特殊的RAM表,你可以用迂回的方式来设计,以降低风险。
使用objdump实际查看生成的汇编语言,并计算每个例程占用的代码量。
如果你使用的是像Linux这样的大型操作系统,那么你就是在自找麻烦;有太多的复杂性和太多的事情要出错。
记住这是一场概率游戏。
一位评论者说
你为捕捉错误而编写的每一个例程都会因同样的原因而失败。
虽然这是真的,但检查例程正确运行所需的(例如)100字节代码和数据中发生错误的机会要比其他地方发生错误的几率小得多。如果你的ROM非常可靠,并且几乎所有的代码/数据都在ROM中,那么你的可能性就更大了。
使用冗余硬件。
使用具有相同代码的两个或更多相同硬件设置。如果结果不同,应触发重置。对于3个或更多设备,您可以使用“投票”系统来尝试确定哪一个已被破坏。
这是一个非常广泛的主题。基本上,您无法真正从内存损坏中恢复,但至少可以尝试立即失败。以下是您可以使用的一些技巧:
校验和常量数据。如果有任何配置数据长期保持不变(包括已配置的硬件寄存器),请在初始化时计算其校验和并定期验证。当您看到不匹配时,应该重新初始化或重置。冗余存储变量。如果你有一个重要的变量x,把它的值写在x1、x2和x3中,然后读为(x1==x2)?x2:x3。实施程序流程监控。将全局标志与从主循环调用的重要函数/分支中的唯一值进行异或。在接近100%测试覆盖率的无辐射环境中运行程序,应为您提供循环结束时标志的可接受值列表。如果看到偏差,则重置。监视堆栈指针。在主循环的开头,将堆栈指针与其预期值进行比较。偏差复位。
这里有大量的回复,但我将尝试总结我对此的想法。
某些东西崩溃或不正常工作可能是您自己的错误造成的,那么当您找到问题时,应该很容易解决。但也有可能出现硬件故障,如果不是不可能,整体上很难解决。
我建议首先尝试通过日志记录(堆栈、寄存器、函数调用)来捕捉问题情况——要么将它们记录到文件中的某个位置,要么以某种方式直接发送(“哦,不,我崩溃了”)。
从这种错误情况中恢复可以是重新启动(如果软件仍然处于活动状态)或硬件重置(例如硬件看门狗)。从第一个开始更容易。
若问题是硬件相关的,那个么日志记录应该可以帮助您确定在哪个函数调用中发生了问题,这可以让您了解什么是不工作的以及在哪里。
此外,如果代码相对复杂-“分割并征服”它是有意义的-这意味着你在怀疑问题所在的地方删除/禁用一些函数调用-通常禁用一半代码并启用另一半代码-你可以得到“确实有效”/“不有效”的决定,然后你可以专注于另一半代码。(问题所在)
若问题在一段时间后发生,那个么可以怀疑堆栈溢出,那个么最好监视堆栈点寄存器,若它们不断增长。
如果你设法完全最小化代码,直到“hello world”类型的应用程序出现故障,那么硬件问题是意料之中的,需要进行“硬件升级”,这意味着发明这样的cpu/ram/-能够更好地耐受辐射的硬件组合。
最重要的事情可能是,如果机器完全停止/重新设置/不工作,您如何取回日志-这可能是bootstap应该做的第一件事-如果有问题的情况被解决,您应该回家。
如果在您的环境中也可以发送信号和接收响应,那么您可以尝试构建某种在线远程调试环境,但您必须至少有通信媒体工作,并且某些处理器/某些ram处于工作状态。通过远程调试,我的意思是GDB/GDB存根类型的方法,或者您自己实现从应用程序中获取所需的内容(例如,下载日志文件、下载调用堆栈、下载ram、重新启动)
如果你的硬件出现故障,你可以使用机械存储来恢复它。如果你的代码库很小,并且有一些物理空间,那么你可以使用一个机械数据存储。
材料表面不会受到辐射的影响。将有多个档位。机械读卡器将在所有齿轮上运行,并且可以灵活地上下移动。向下表示为0,向上表示为1。从0和1可以生成代码库。
NASA有一篇关于防辐射软件的论文。它描述了三个主要任务:
定期监控内存中的错误,然后清除这些错误,稳健的错误恢复机制,以及如果某些东西不再工作,重新配置的能力。
请注意,内存扫描速率应该足够频繁,很少发生多位错误,因为大多数ECC内存可以从单位错误而不是多位错误中恢复。
稳健的错误恢复包括控制流传输(通常在错误发生之前的某个点重新启动流程)、资源释放和数据恢复。
他们对数据恢复的主要建议是,通过将中间数据视为临时数据,避免数据恢复的需要,以便在错误发生之前重新启动也能将数据回滚到可靠状态。这听起来类似于数据库中的“事务”概念。
他们讨论了特别适用于面向对象语言(如C++)的技术。例如
用于连续内存对象的基于软件的ECC契约编程:验证先决条件和后决条件,然后检查对象以验证其是否仍处于有效状态。
而且,正是如此,美国宇航局(NASA)已将C++用于火星探测器等重大项目。
C++类抽象和封装支持多个项目和开发人员之间的快速开发和测试。
他们避免了某些可能产生问题的C++特性:
例外情况模板Iostream(无控制台)多重继承运算符重载(new和delete除外)动态分配(使用专用内存池并放置新的以避免系统堆损坏的可能性)。