醫(yī)療設(shè)備制造商在將產(chǎn)品推向市場所面臨的諸多挑戰(zhàn)中,，獲得監(jiān)管部門的批準(zhǔn)是必過一關(guān)，只有獲得相應(yīng)核準(zhǔn),，制造商才能出售其設(shè)備,。為此，許多醫(yī)療設(shè)備制造商在采用多核系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)倍加小心,，他們擔(dān)心多核的復(fù)雜性會妨礙其產(chǎn)品順利通過監(jiān)管機(jī)構(gòu)的審核,。

的確，多核處理使軟件系統(tǒng)更趨復(fù)雜,。但是無論系統(tǒng)運(yùn)行在一個,、兩個或16個處理器之上，當(dāng)今的系統(tǒng)都已太過復(fù)雜,，以致無法通過單獨(dú)測試來進(jìn)行驗(yàn)證,。因此，設(shè)備制造商應(yīng)該熟悉針對多核系統(tǒng)開發(fā)他們所需的驗(yàn)證技術(shù),。

本文討論基于多核處理器的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)的安全要求驗(yàn)證問題,，并分析可助力醫(yī)療設(shè)備向多核設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移的操作系統(tǒng)具有哪些特點(diǎn)。

醫(yī)療設(shè)備對日益復(fù)雜的用戶界面和高清成像(兩者都對計(jì)算能力有巨大需求)等特性的需求不斷攀升,，這使得對多核處理的需求水漲船高,。即便醫(yī)療系統(tǒng)支持越來越豐富的先進(jìn)功能，它們通常也還必須滿足輕便,、低功耗和低發(fā)熱的要求,。

單核難以滿足上述這些要求，因?yàn)橥ㄟ^增加處理器時(shí)鐘速率提升計(jì)算能力的方法存在三個局限性,。首先,，功耗和發(fā)熱的增加速度快于時(shí)鐘速率的提升速度。其次,，存儲器的速度跟不上處理器的速度,。最后，資源,、控制和數(shù)據(jù)間的依賴關(guān)系限制了單指令流所允許的并行程度,。

關(guān)鍵的操作系統(tǒng)要求

對可靠性和可用性都是必要條件的醫(yī)療設(shè)備來說,，可能會需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，而這種RTOS需要支持對稱多處理,。推薦使用一款可將進(jìn)程分配給多個內(nèi)核處理的單一操作系統(tǒng),，因?yàn)檫@種方法會比支持異步處理、且在每個處理器上采用不同操作系統(tǒng),，甚至是在不同核上采用不同操作系統(tǒng)等情況更容易,。

選定的RTOS必須能防范由系統(tǒng)引發(fā)的故障，而且必須在出現(xiàn)故障時(shí)能夠重啟相應(yīng)組件,。在大多數(shù)情況下,，最優(yōu)選擇是一個微核架構(gòu)。其中,，應(yīng)用,、設(shè)備驅(qū)程、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧都駐留在核外的獨(dú)立地址空間,，因而它們彼此之間,，以及它們與核之間都是隔離的。

多核系統(tǒng)存在大量的進(jìn)程和線程,，因此具有軟件看門狗至關(guān)重要,。看門狗是一個用戶空間的故障恢復(fù)過程,，它可以檢測出故障,，并立即將系統(tǒng)恢復(fù)到安全狀態(tài),，或在不犧牲安全性的前提下,，重啟失敗的進(jìn)程。

為確保系統(tǒng)的可靠性,，RTOS還應(yīng)支持：1. 時(shí)間分割(最好自適應(yīng)),，以確保關(guān)鍵流程不會因CPU周期不夠用而無法完成；2. 優(yōu)先級繼承,，以防止優(yōu)先級倒置,；3. 處理器親和性，它允許設(shè)計(jì)師將特定的父進(jìn)程和子進(jìn)程僅指派給特定內(nèi)核,。

設(shè)計(jì)者可以確切地決定他們要如何使用系統(tǒng)內(nèi)可用的多個核,。例如，他們可將非關(guān)鍵的,、但計(jì)算密集的進(jìn)程交由任何可用的內(nèi)核處理,，或是僅分配給一個有限的內(nèi)核子集，同時(shí)將關(guān)鍵部分交由一個固定核處理,，從而簡化設(shè)計(jì),、調(diào)試和驗(yàn)證,。

開發(fā)工具

開發(fā)人員需要為支持多核開發(fā)、調(diào)試和優(yōu)化而專門設(shè)計(jì)的工具,。一個工具集應(yīng)支持多核RTOS,，該RTOS允許開發(fā)者評估負(fù)載平衡、識別瓶頸,、確定并發(fā)可能性,、表征和調(diào)試運(yùn)行于多個CPU上的線程間的相互作用；在內(nèi)核間移動線程或進(jìn)程,，并測度其對系統(tǒng)造成的影響,。時(shí)序和阻塞是棘手的問題，所以工具集應(yīng)為設(shè)計(jì)師提供一種探究處理器和線程正在做什么的手段,。

滿足認(rèn)證要求

符合要求是醫(yī)療設(shè)備準(zhǔn)入市場的必要條件——是投資可以轉(zhuǎn)化成收入前必須滿足的必要條件,。因此，除了合適的OS特性和工具集功能外,，醫(yī)療設(shè)備需要一個精心策劃的審批策略,。

多核系統(tǒng)的復(fù)雜性可能會妨礙最終產(chǎn)品的認(rèn)證，因而一些醫(yī)療制造商對采用多核處理猶豫不決,。但值得注意的是,，單核系統(tǒng)也存在固有的復(fù)雜性，這意味著,，在實(shí)踐中,，即便是單核系統(tǒng)也不可能僅借助測試就可對其進(jìn)行驗(yàn)證。多核和單核系統(tǒng)都是如此復(fù)雜,，要展示它們的功能安全就需要技術(shù)組合,，相同的技術(shù)能夠且應(yīng)該同時(shí)用于驗(yàn)證單核和多核系統(tǒng)。

為驗(yàn)證軟件系統(tǒng),，無論其是運(yùn)行在單核或多核之上,，測試、統(tǒng)計(jì)分析和設(shè)計(jì)驗(yàn)證要互為補(bǔ)充,、統(tǒng)籌考慮,。對于經(jīng)歷過系統(tǒng)通過認(rèn)證或批準(zhǔn)過程的人來說，他們應(yīng)該熟知所需的必要技術(shù),。這些技術(shù)包括：

測試,。雖然測試只能證明缺陷的存在，而無法證明不存在缺陷,，但在任何系統(tǒng)驗(yàn)證策略中,，測試仍是關(guān)鍵要素。

統(tǒng)計(jì)分析,。對于現(xiàn)場用過的設(shè)備或部件的使用數(shù)據(jù),，統(tǒng)計(jì)分析可被用作支持可靠性要求,。在驗(yàn)證時(shí)，它也可與故障注入一起使用,，用以評估系統(tǒng)中殘留的故障,。

故障樹分析。以潛在或?qū)嶋H的故障開始,，故障樹分析可用于推斷出可能的故障原因,。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證。通過在開發(fā)過程中應(yīng)用并借助Spin和NuSMV等工具進(jìn)行回顧性分析,，設(shè)計(jì)驗(yàn)證可為系統(tǒng)的可靠性聲明提供強(qiáng)有力的證據(jù)支持,。

設(shè)計(jì)構(gòu)件。一個具有所有相關(guān)設(shè)計(jì)構(gòu)件(從項(xiàng)目計(jì)劃到可追溯性矩陣)的成熟軟件生命周期,，是任何認(rèn)證案例的標(biāo)準(zhǔn)及必要組成部分,。

除了最簡單的醫(yī)療設(shè)備之外，多核處理很可能是未來醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展方向,。仔細(xì)選擇操作系統(tǒng),，尤其要關(guān)注體系結(jié)構(gòu)、處理器對線程親和性的支持以及工具集,，可以減輕這些挑戰(zhàn)對系統(tǒng)設(shè)計(jì),、開發(fā)和驗(yàn)證的影響。


圖1.隨著設(shè)備對計(jì)算能力要求的不斷增長,，甚至一款相對小型的醫(yī)療設(shè)備可能也會受益于多核處理技術(shù),。


圖2.使用四核CPU的一種系統(tǒng)概述屏幕截圖。


圖3,、測試,、統(tǒng)計(jì)分析和設(shè)計(jì)驗(yàn)證互為補(bǔ)充以共同驗(yàn)證軟件系統(tǒng)，無論它是運(yùn)行在單核或多核上,。