一种基于差异放大的数据一致性比较方法

徐笑然（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

铁路信号设备对其功能安全性有很高的要求。应答器传输单元（Balise Transm ission M odu le， BTM）是列车自动防护系统（ATP）的关键设备，在BTM的设计中，其软件多采用双套具有差异性设计的代码来实现安全的“二取二”功能。BTM解码单元的系统框图如图1所示。

BTM的解码单元为单CPU、双套差异软件设计。CPU从“FPGA通道1”和“FPGA通道2”分别读取由FPGA解码的两路独立报文，然后通过两套具有差异设计的代码进行取二比较。如果两组报文完全一致，则输出；若不一致，则将所有报文的比特位置1，作为异常报文，向ATP报告错误。

报文共830 bit，占用104 By te。按照一般的代码设计，多字节比较流程如图2所示。

比较过程是一个循环体，循环次数是需要比较的字节个数。首先读取两份报文各自的第1字节，然后比较是否一致。如果一致，则再取下一字节继续比较，直到循环结束条件满足；如果不一致，则退出循环，将报文所有字节置为0x FF。

而基于“差异放大”的比较方法的原则是，将最微小的差异放大到最大的状态。也就是说，如果两组数据即使只有1个比特位的不同，经过差异放大，最终的比较结果是全部字节完全不同。这种方法非常适合用于非常严格的数据比较，只允许完全一致，不允许任何偏差。而BTM的报文比较就是这种情况。

“差异放大”比较方法在编码实现时，完全采用数学运算的方式，没有如图2所示的条件分支语句。其运算过程如图1、3所示。

[A]和[B]是待比较的两组数据，分别有N个字节。首先将两个数组的对应字节，进行“按位异或”操作，得到等长的N字节结果数组[R]。[R]能够表示

徐笑然，男，硕士毕业于清华大学，工程师。主要研究方向包括嵌入式软硬件设计、软硬件安全功能设计等，曾参与ATP研发、BTM研发等项目。两个数组的一致性程度，如果[A]和[B]内容完全一致，则[R]的所有字节均为0；否则，[R]中必定存在不为0的字节。第二步，将数组[R]的每个字节相互进行“按位或”操作，共N-1步位或操作，最终得到一个字节r。r是[R]的缩影，如果[R]的所有字节均为0，则r=0；否则r≠0。第三步，将字节r进行“差异放大”，得到rF。所谓“差异放大”，即如果r中存在等于1的比特位（r≠0），则在放大操作后，rF的所有字节全为1（rF=0x FF）；如果r中不存在等于1的比特位（r=0），则在放大操作后，rF的值仍为0，因为无论对0如何进行放大，结果还是0。这一步就是“差异放大”的关键步骤，即使r仅有一个比特为1，在操作后就放大为所有字节全为1；有且只有r=0，则rF=0，即0对于放大操作是无效的。最后一步，将rF复制N次，形成数组[RF]，使[RF]的每个字节等于rF，然后将[RF]与原始数据[A]或[B]进行对应字节的位或操作。由于[RF]的取值只有两种情况：全0或全1，因此最后的输出结果数组[C]=[A]，或[C]=[RF]。至此，通过一系列算法实现了与图2传统流程设计等效的结果。

差异放大过程是：通过两次循环，将r逐位右移、左移，在此过程中再与r自身进行“位或”操作。由于“位或”操作会最大限度地保留比特“1”，因此就将r中等于1的比特位扩散到所有的比特位；如果r的全部比特位均为0，则此操作之后r仍等于0。

与传统的比较算法相比，基于“差异放大”的数据一致性比较算法具有如下优点。

1）它是一个纯数学运算的过程，代码实现时无逻辑分支语句，极大降低了代码白盒测试时MC/DC覆盖率的复杂度。

2）由于完全采用了数学运算，因此可以很容易进行数学建模，通过Sim u lin k等工具自动生成代码，降低了人为编写代码而引入b ug的可能；同时，易于使用可编程逻辑器件来实现比较功能，增加了功能实现的手段。

3）算法执行时间固定，代码的行为具有确定性。

在使用差异放大比较算法时，需要注意的内容如下。

1）如果不使用形如Sim u link等工具自动生成代码，则需要详细的设计文档来说明代码的意图，因为代码本身很难明确地显示出整个运算的目的和功能。

2）在大部分情况下，代码的执行时间比传统比较方法要长。

在实际应用中，差异放大比较算法与传统的比较算法可以分别用于双套差异软件的A、B代码设计里，使双套代码在算法设计阶段就产生较大的差异性，能够很好地保证双套代码对共因故障的检出率。

[1] EN50128-2011 ：Railway applications —Communication, signaling and processing systems—Software for railway control and protection systems[S].

[2] IEC61508-2010：Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems-Part 6: Guidelines on the application of IEC 61508-2 and IEC 61508-3[S].

[3] DO-178B：Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification.