設(shè)計(jì)人員正在調(diào)整各種高可用體系結(jié)構(gòu)，以滿足客戶對(duì)用于下一代超級(jí)可靠嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的持久數(shù)據(jù)接口的需求。嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。目前國(guó)內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)功能、對(duì)可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　要點(diǎn)

　　高速串行數(shù)據(jù)鏈路和交換結(jié)構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)路徑，人們能圍繞不可操作的子系統(tǒng)重新設(shè)定信息路由。

　　管理軟件自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)工作，并在發(fā)生故障或性能降低時(shí)用冗余元件來替換。

　　熱插拔特性實(shí)現(xiàn)無中斷的修理和升級(jí)，并為發(fā)展容錯(cuò)自愈系統(tǒng)鋪平了道路。

　　刀片計(jì)算機(jī)集群以更低的采購和運(yùn)營(yíng)成本支持可擴(kuò)展、高密度、高可用的服務(wù)器系統(tǒng)。

　　隨著普適計(jì)算時(shí)代的到來，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在提高服務(wù)器、遠(yuǎn)程設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)設(shè)施的可用性方面承受著日益增大的壓力。終止或重啟其中一些關(guān)鍵應(yīng)用系統(tǒng)需要承擔(dān)人身財(cái)產(chǎn)或重要信息損失的風(fēng)險(xiǎn)。在滿足這些要求的過程中，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者運(yùn)用各種智能硬件和軟件冗余技巧在日常運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)高達(dá) 99.999% 的可用性，嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)軟硬件進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以，如果能建立相對(duì)通用的軟硬件基礎(chǔ)，然后在其上開發(fā)出適應(yīng)各種需要的系統(tǒng)，是一個(gè)比較好的發(fā)展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的往往是一個(gè)只有幾K到幾十K微內(nèi)核，需要根據(jù)實(shí)際的使用進(jìn)行功能擴(kuò)展或者裁減，但是由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴(kuò)展能夠非常順利的進(jìn)行。

　　“高可用性”描述系統(tǒng)特性，它們使系統(tǒng)在發(fā)生硬件或軟件故障時(shí)能夠保持連續(xù)工作。高可用系統(tǒng)具有內(nèi)置監(jiān)視和復(fù)制數(shù)據(jù)路徑，透明地取代可選硬件或軟件組件復(fù)制正常功能，在出現(xiàn)故障時(shí)也能照常工作。一般而言，高可用性系統(tǒng)還支持在不中斷運(yùn)行的前提下替換故障組件或升級(jí)。隨著通用連接的問世，數(shù)據(jù)安全也成了可用性的一個(gè)要素，這是因?yàn)槲词跈?quán)的黑客、惡意軟件或外部“拒絕服務(wù)”攻擊會(huì)導(dǎo)致預(yù)期功能中斷。

　　高可用性對(duì)于越來越多的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用都變得十分必要，而不斷提高的技術(shù)趨勢(shì)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)日益困難。例如，可以預(yù)見，隨著客戶需要嵌入式設(shè)備中有更多功能，增加的硬件和軟件組件帶來了新的故障模式。顯然，增加的的組件不利于達(dá)到更高的可用性，甚至產(chǎn)生其它冗余性，從而不斷加劇系統(tǒng)復(fù)雜性。當(dāng)前向普遍連接發(fā)展的趨勢(shì)也給高可用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者帶來了許多數(shù)據(jù)安全與通信可靠性問題。實(shí)際上，嵌入式系統(tǒng)本身是一個(gè)外延極廣的名詞，凡是與產(chǎn)品結(jié)合在一起的具有嵌入式特點(diǎn)的控制系統(tǒng)都可以叫嵌入式系統(tǒng)，而且有時(shí)很難以給它下一個(gè)準(zhǔn)確的定義。現(xiàn)在人們講嵌入式系統(tǒng)時(shí)，某種程度上指近些年比較熱的具有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，本文在進(jìn)行分析和展望時(shí)，也沿用這一觀點(diǎn)。

　　不間斷運(yùn)行

　　當(dāng)前多數(shù)用于提高服務(wù)可用性的訣竅和技巧均源自電信行業(yè)。多年來，電信設(shè)備制造商設(shè)計(jì)了多種方案，以便提供不間斷的服務(wù)，即使發(fā)生硬件和軟件故障也是如此。遺憾的是，多數(shù)方案都是專有的，維護(hù)費(fèi)用高，并且難以在要求演變時(shí)進(jìn)行更新。它們還需要很長(zhǎng)的開發(fā)周期。設(shè)備設(shè)計(jì)者無法利用 COTS（商用現(xiàn)貨）構(gòu)件，這是因?yàn)闆]有通用內(nèi)置設(shè)備提高服務(wù)可用性。

　　智能平臺(tái)管理接口 （IPMI） 是一種開放標(biāo)準(zhǔn)的硬件管理接口規(guī)格，定義了嵌入式管理子系統(tǒng)進(jìn)行通信的特定方法。IPMI 信息通過基板管理控制器 （BMC）（位于 IPMI 規(guī)格的硬件組件上）進(jìn)行交流。使用低級(jí)硬件智能管理而不使用操作系統(tǒng)進(jìn)行管理，具有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)： 首先，此配置允許進(jìn)行帶外服務(wù)器管理；其次，操作系統(tǒng)不必負(fù)擔(dān)傳輸系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的任務(wù)。IPMI是智能型平臺(tái)管理接口（Intelligent Platform Management Interface）的縮寫，是管理基于 Intel結(jié)構(gòu)的企業(yè)系統(tǒng)中所使用的外圍設(shè)備采用的一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)由英特爾、惠普、NEC、美國(guó)戴爾電腦和SuperMicro等公司制定。用戶可以利用IPMI監(jiān)視服務(wù)器的物理健康特征，如溫度、電壓、風(fēng)扇工作狀態(tài)、電源狀態(tài)等。而且更為重要的是IPMI是一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)，用戶無需為使用該標(biāo)準(zhǔn)而支付額外的費(fèi)用。

　　為了限度發(fā)揮 IPMI 的優(yōu)勢(shì)，設(shè)備客戶需要具備熱插拔功能，以便在不關(guān)閉系統(tǒng)的情況下替換出故障的系統(tǒng)板。熱插拔系統(tǒng)要求硬件和軟件能夠在等待修理的同時(shí)，動(dòng)態(tài)設(shè)定信號(hào)路由，使其繞過出故障的組件。必備熱插拔技術(shù)之一是系統(tǒng)板和背板之間的物理連接。如果不控制電源涌流和背板信號(hào)連接，簡(jiǎn)單直連可能會(huì)干擾總線上的其它板。例如，CompactPCI 利用不同長(zhǎng)度的分級(jí)引腳來控制通向背板的物理連接。卡片導(dǎo)向器確保板的插入垂直于背板。較長(zhǎng)的引腳首先對(duì)接、供電并接地，以便對(duì) PCI 總線信號(hào)預(yù)充電。

　　防故障交換結(jié)構(gòu)

　　串行交換結(jié)構(gòu)技術(shù)是另一種設(shè)計(jì)創(chuàng)新，對(duì)于高可用性系統(tǒng)有多種好處。這些體系結(jié)構(gòu)允許在計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間設(shè)立動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)路徑，并支持多路并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。交換結(jié)構(gòu)的一個(gè)主要好處是，每條連接均為直接的點(diǎn)到點(diǎn)數(shù)據(jù)路徑，并帶來更好的電特性，允許的頻率和帶寬高于總線體系結(jié)構(gòu)。典型的交換結(jié)構(gòu)使用多級(jí)開關(guān)在源和目標(biāo)之間建立路由。這些動(dòng)態(tài)路徑對(duì)于高可用性設(shè)計(jì)也很有價(jià)值，使人們能圍繞不可操作的子系統(tǒng)設(shè)定數(shù)據(jù)路由。多數(shù)主要電路板標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在都規(guī)定交換結(jié)構(gòu)，盡管它們并未提出具體的交換結(jié)構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。與此相反，一系列附屬規(guī)范為以太網(wǎng)、InfiniBand、StaRFabric、PCI Express、RapidIO 等各種交換結(jié)構(gòu)對(duì)背板進(jìn)行詳細(xì)定義。

　　VITA（VMEbus International Trade Association）41 VXS 為廣泛應(yīng)用的 VMEbus （Versa-module eurocard bus）增添了一些交換結(jié)構(gòu)技術(shù)高可用性優(yōu)勢(shì)。VXS 規(guī)范定義了一種有效載荷卡、一種交換卡、一種新型高帶寬背板連接器，并保留標(biāo)準(zhǔn)的并行 VMEbus 連接器。每個(gè)新型交換結(jié)構(gòu)端口均包含兩組四聯(lián)串行位通道——一組用于輸入數(shù)據(jù)，另一組用于輸出數(shù)據(jù)，對(duì)于每條串行通道均支持 10 Gbps 數(shù)據(jù)速率。交換卡包含必要的結(jié)構(gòu)交換功能，以便在有效負(fù)荷卡之間或圍繞故障設(shè)定串行數(shù)據(jù)路由，或使其繞過故障。

　　PICMG（PCI Industrial Computer Manufacturers Group）針對(duì)電信設(shè)備的獨(dú)特要求，發(fā)布了 ATCA 規(guī)范，提供 VME 和 CompactPCI 等開放體系結(jié)構(gòu)的替代結(jié)構(gòu)。ATCA 重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)高可用性特性，采用高速串行數(shù)據(jù)鏈路和交換結(jié)構(gòu)技術(shù)。超大板面積支持復(fù)雜的電信電路，并提供輸入電源和冷卻功能，實(shí)現(xiàn)每插槽高達(dá) 200 W 的功率。ATCA 規(guī)范具有適用于所有板和有源模塊的熱插拔功能，因此限度減少系統(tǒng)中斷。一個(gè)機(jī)架管理元件（其規(guī)范基于IPMI）監(jiān)視各插入模塊的健康、功率、冷卻甚至鍵控情況，以確保各子系統(tǒng)在高效率工作。