45、硬件/软件嵌入式系统与增量恢复缓存技术解析-优快云博客

硬件/软件嵌入式系统与增量恢复缓存技术解析

在当今的技术领域中，硬件与软件的协同工作以及系统的容错能力至关重要。下面将深入探讨硬件/软件嵌入式系统的数据传输、系统规范示例，以及增量恢复缓存支持软件容错的相关内容。

硬件/软件嵌入式系统的数据传输

数据传输在硬件和软件之间起着桥梁的作用，主要有以下三种类型：
1. 软件到硬件的数据传输
2. 硬件到软件的数据传输
3. 软件到软件的数据传输

不同的任务实现方式会影响数据传输的设计。如果两个任务都在软件中实现，Ada编译器会直接利用系统资源确保数据的正确传输，无需设计特定接口。若两个任务都分配给硬件，有两种解决方案：一是使用专用连接，在行为综合期间要确保实现每个VHDL进程的有限状态机（FSM）之间的同步；二是使用共享内存，若为专用共享内存，情况与专用连接类似，若使用数据内存，则需重新定义VHDL代码，通常还需实现额外的总线仲裁硬件。

当涉及硬件和软件任务之间的数据传输时，需要对Ada和VHDL代码进行修改，以确保不违反数据依赖关系。具体的通信方式可根据数据量、频率、时序约束等特征，选择直接通过总线、数据内存或特定硬件接口进行。

系统规范示例

为了展示Ada作为硬件/软件嵌入式系统规范语言的应用，以门座起重机基准为例，大致遵循MCSE方法。整个过程如下：
1. 需求文档分析 ：从需求文档入手，了解客户对系统的一般功能、输入信息处理、输出信息生成以及设计要求和约束（如时序约束、成本约束、尺寸、重量、功耗、可靠性、可维护性等）。
2. 功能描述生成 ：基于需求文档的信息，生成系统的功能描述。确定系统的功能架构，即并发功能集及其通信方式，同时指定输入、输出和内部数据类型。每个功能可用Ada任务描述，此时无需编写代码，关键在于任务间的数据移动。若已有设计决策，可使用编译指示进行指定。门座起重机基准的功能架构由三个任务（‘Control_task’、‘Diagnosis’和‘Braking_Detector’）和三个受保护对象（‘Scheduler’、‘Sensors’和‘Actuators’）组成。
3. 可调度性分析 ：根据任务数量、优先级、相互关系以及频率和执行时间的估计，进行速率单调分析（RMA），这对功能规范很重要。在这一步确定每个任务的具体功能，必要时对复杂任务进行进一步划分。
4. 功能实现与调试 ：完成任务功能指定后，开始开发完整的Ada代码。开发完成后进行调试，并使用相关输入序列对Ada规范进行性能分析，获取每个任务的激活次数、每个内存存储的最大数据量、每个通信通道的利用率等信息。
5. 硬件/软件分区决策 ：结合领域和功能时序约束，分析每个任务的时序约束和每个通道的带宽，从而决定硬件/软件分区。从在UltraSparc上获得的代码大小和执行时间来看，即使使用小型微处理器，规范中的相关任务也可在软件中实现。“Sensors”和“Actuators”包将使用通用同步/异步收发器（USART）实现，并添加额外代码进行初始化和通信。

以下是门座起重机示例的性能分析结果表格：
| 任务 | 平均时间 | 执行次数 | 总时间 | Ada语句 |
| — | — | — | — | — |
| CONTROL | 0.045 ms | 15,534 | 699.03 ms | 107 |
| BRAKE | 0.000264 ms | 3,218 | 0.84955 ms | 33 |
| DIAGNOSIS | 0.0003618 ms | 32,162 | 11.64 ms | 58 |

增量恢复缓存支持软件容错

在软件系统中，容错能力是保证系统稳定运行的关键。下面介绍增量恢复缓存支持软件容错的相关内容。

背景与概念

研究表明，硬件容错技术已相当有效，软件设计错误成为主要的故障来源。为解决软件故障，恢复块是一种主要方法。恢复块基于设计多样性的概念，为一个功能单元实现一个主模块和多个备用模块。正常情况下只执行主模块，当验收测试检测到错误时，依次调用备用模块，直到获得满意结果或无备用模块可用。

在恢复块执行过程中，关键是在执行主模块之前保存当前有效状态，并在执行每个备用模块之前恢复该状态。保存状态的操作称为“设置检查点”，为降低运行时成本，可采用增量检查点方法，即只存储实际修改值的对象，这种方法称为恢复缓存。

抽象接口

为支持向后错误恢复，定义了一个抽象接口，用 Recovery_Point 包表示。该包导出一个抽象标记有限私有类型 Recovery_Data ，在私有部分完全声明为 Ada.Finalization 包中 Limited_Controlled 的扩展。程序员可根据需要声明多个该类型的对象，通过对象名进行标识。接口包含三个抽象过程，分别用于保存、恢复和丢弃恢复数据：

with Ada.Finalization;
package Recovery_Point is
    type Recovery_Data is abstract tagged limited private;
    procedure Establish (This : in out Recovery_Data) is abstract;
    procedure Restore (This : in out Recovery_Data) is abstract;
    procedure Discard (This : in out Recovery_Data) is abstract;
private
    type Recovery_Data is abstract new Ada.Finalization.Limited_Controlled with null record;
end Recovery_Point;

Recovery_Data 的具体派生类型表示管理恢复点所需的信息，而非实际要管理的应用程序状态。在经典的面向对象范式中，基于向后错误恢复的容错机制可使用 Recovery_Point 定义的抽象，而无需关注具体实现。

增量向后错误恢复

恢复缓存机制是一种增量检查点设施，比基本检查点抽象在空间和速度上都有更好的性能。其核心是恢复区域，由 Establish 和 Discard 调用界定。如果在恢复区域内相关应用对象的值没有变化，则无需进行恢复操作。 Establish 过程的行为与基本检查点设施不同，它不是保存应用对象的值，而是划分新的恢复区域，只有当对象值在活动恢复区域内发生变化时，才会存储恢复数据。

并且，恢复数据仅在可恢复对象的值在新恢复区域建立后首次变化时记录。因为恢复恢复区域会恢复到新恢复区域建立之前应用对象的值，同一恢复区域内对象的后续变化无需记录。

以恢复点RP和两个可恢复对象X和Y为例，RP的缓存包含两个区域，因为 Establish 被调用了两次。第一次调用 Establish 后，X被修改，缓存中记录X的值为10；第二次调用 Establish 后，X和Y都被修改，缓存中记录X的值为30，Y的值为20。

在丢弃恢复区域时，如果只有一个恢复区域， Discard 过程只需回收当前恢复区域的条目；如果存在先前的恢复区域， Discard 过程会将当前区域中不在先前区域的条目补充到先前区域中。

下面是这个过程的mermaid流程图：

graph TD
    A[开始] --> B[第一次调用Establish]
    B --> C[修改X为10]
    C --> D[记录X=10到缓存]
    D --> E[第二次调用Establish]
    E --> F[修改X为30，Y为20]
    F --> G[记录X=30，Y=20到缓存]
    G --> H[调用Discard]
    H --> I{是否只有一个恢复区域}
    I -- 是 --> J[回收当前恢复区域条目]
    I -- 否 --> K[补充当前区域中不在先前区域的条目到先前区域]
    J --> L[结束]
    K --> L[结束]

具体实现

实现具有增量行为的抽象接口时，除了赋值、终结和初始化这三个主要方面外，其他部分都比较直接。由于Ada处理非受限类型的模型与其他允许重新定义赋值和保证初始化/终结的语言不同，这三个方面遇到了一些困难。

综上所述，硬件/软件嵌入式系统的数据传输和系统规范设计，以及增量恢复缓存支持软件容错技术，对于构建高效、稳定的系统具有重要意义。通过合理的设计和实现，可以提高系统的性能和可靠性，满足不同应用场景的需求。

硬件/软件嵌入式系统与增量恢复缓存技术解析（续）

深入探讨增量恢复缓存的具体实现难点

在实现具有增量行为的抽象接口时，赋值、最终化和初始化这三个方面遇到的困难值得深入分析。

赋值操作的挑战

在 Ada 中，非受限类型的赋值操作有其独特的模型。当涉及到恢复缓存机制时，对象的赋值可能会引发一系列问题。例如，在恢复区域内对象值发生变化时，需要准确地记录这些变化以便后续恢复。但由于 Ada 的赋值语义，可能会导致难以区分哪些赋值是真正需要记录的变化，哪些只是临时的中间操作。为了解决这个问题，可能需要对赋值操作进行额外的封装和监控。可以定义一个自定义的赋值过程，在其中添加逻辑来判断是否处于恢复区域内，以及该赋值是否会影响恢复数据的记录。

package Custom_Assignment is
    procedure Custom_Assign (Target : in out Recoverable_Object; Source : Recoverable_Object);
end Custom_Assignment;

package body Custom_Assignment is
    procedure Custom_Assign (Target : in out Recoverable_Object; Source : Recoverable_Object) is
    begin
        if Is_In_Recovery_Region then
            -- 检查是否需要记录恢复数据
            if Target /= Source then
                Record_Recovery_Data (Target, Source);
            end if;
        end if;
        Target := Source;
    end Custom_Assign;
end Custom_Assignment;

最终化和初始化的复杂性

最终化和初始化操作在 Ada 中也有严格的规则。在恢复缓存机制中，对象的初始化和最终化需要与恢复区域的管理相协调。例如，在对象初始化时，需要确保其初始状态被正确记录，以便在恢复时能够准确还原。而在对象最终化时，需要清理相关的恢复数据，避免数据冗余。

为了实现这一点，可以在对象的类型定义中重写初始化和最终化过程。

with Ada.Finalization;

package Recoverable_Objects is
    type Recoverable_Object is new Ada.Finalization.Limited_Controlled with record
        -- 对象的属性
        Value : Integer;
    end record;

    overriding procedure Initialize (Object : in out Recoverable_Object);
    overriding procedure Finalize (Object : in out Recoverable_Object);
end Recoverable_Objects;

package body Recoverable_Objects is
    overriding procedure Initialize (Object : in out Recoverable_Object) is
    begin
        -- 记录初始状态
        Record_Initial_State (Object);
    end Initialize;

    overriding procedure Finalize (Object : in out Recoverable_Object) is
    begin
        -- 清理恢复数据
        Cleanup_Recovery_Data (Object);
    end Finalize;
end Recoverable_Objects;

技术领域	传统方法	本文方法	优势
数据传输	基本的总线传输，未区分任务实现方式	根据任务实现方式（软件或硬件）选择不同传输设计	提高传输效率，减少不必要的硬件设计
系统规范	缺乏统一规范语言和方法	使用 Ada 作为规范语言，遵循 MCSE 方法	提高系统设计的规范性和可维护性
软件容错	基本的检查点机制，保存所有数据	增量恢复缓存机制，只记录变化的数据	节省空间和时间，提高性能

未来展望

随着技术的不断发展，硬件/软件嵌入式系统和软件容错技术也将不断演进。在数据传输方面，未来可能会出现更高效的通信协议和接口，进一步提高数据传输的速度和可靠性。在系统规范设计上，可能会有更先进的方法和工具出现，使得系统设计更加自动化和智能化。对于增量恢复缓存技术，可能会结合机器学习等技术，更精准地预测对象值的变化，进一步优化恢复数据的记录和管理。

同时，随着物联网、人工智能等领域的快速发展，对系统的容错能力和稳定性提出了更高的要求。增量恢复缓存技术将在这些领域发挥更大的作用，为构建更加可靠的系统提供有力支持。

总之，硬件/软件嵌入式系统的数据传输、系统规范设计以及增量恢复缓存技术是一个相互关联、不断发展的领域。通过不断地研究和创新，我们可以构建出更加高效、稳定和可靠的系统，满足未来各种复杂应用场景的需求。