计算机运行全过程日志记录系统设计

徐立颖，许松伟，冯 笑，刘正尧，周亚光

(中国电子科技集团公司 第15研究所，北京 100083)

0 引言

计算机在运行过程中不可避免会产生故障[1]，包括硬件故障和软件故障。特种计算机应用于需要自主可控的特定领域，要求更高的可靠性[2]，但其工作环境一般为高温、低温、高湿、震动、复杂电磁等恶劣环境中，其故障的发生可能与计算机软件或硬件本身相关，也可能与外部恶劣环境相关。特种计算机运行过程中不可避免会出现故障，某些故障偶发难以复现甚至无法复现，为特种计算机安全可靠运行留下了隐患。如何进行故障定位、机理分析，提出解决措施，进而重建外界环境，复现故障，再证明故障定位准确、机理清晰、解决措施有效并举一反三，最终实现对故障的归零处理，对于故障处理尤为重要[3-4]。这种场景下日志记录成为故障分析的重要基础[5]。文献[1]、[6]对日志收集、分析软件进行了设计，文献[7]对操作系统故障管理软件进行设计，文献[8]对日志系统提出了高性能低时延分析方法，以上的研究对象为操作系统日志或应用程序日志，依赖于操作系统的正常运行，缺少对与底层硬件相关的故障日志记录及分析，如电源故障、板卡局部过温以甚至是其他环境参数等。针对此问题，本文提出并设计实现了一种全过程日志记录系统，实现了操作系统外计算机运行全过程日志记录，与操作系统及应用日志互补，实现对计算机运行全过程日志记录。

1 计算机运行全过程分析

计算机运行全过程包括主板上电、BIOS启动、操作系统启动及运行三大过程。

主板上电过程涉及底层硬件执行初始化逻辑，不同硬件平台启动过程大致相同，细节略有差异。以国产飞腾某款CPU为例，其上电过程由板载CPLD(X86平台采用板载EC)严格控制上电的每个环节，包括供电电源状态检测、电源时序控制、电源电压异常监测控制等。图1为飞腾某款CPU上电时序图，在外部供电电源正常的条件下，从T0开始，上电按钮按下后T1，CPLD检测到按钮脉冲信号T2后，开始按照时序进行上电直至T12[9]，在此过程中，涉及多种电压规格的电源，任意一种电源异常(电压异常、带载异常)都将造成上电异常，最终导致无法进入到下一启动环节。

图1 飞腾某款CPU上电时序图

当最后一个电源上电完成后，CPU进行上电复位，复位完成后CPU开始按照设计好的进程运行，并进入到BIOS启动环节，该环节共有7个阶段，其中第5阶段是BIOS和操作系统过渡的阶段，第6阶段是操作系统启动并进入就绪状态，具体如图2所示[10-11]。

图2 BIOS启动流程图

第1阶段：SEC(Security Phase)，该阶段主要是完成验证工作，将内存信息放置在缓存里，为下一阶段做好准备。

第2阶段：PEI(Pre-EFI Initialization Phase)，该阶段主要进行CPU、内存、芯片组的初始化工作，完成硬件的初步初始化工作，形成内存和资源表，为下一阶段做好准备；

第3阶段：DXE(Driver Execution Environment)，该阶段对第2阶段的硬件进行进一步初始化，并完成相关驱动的调用安装，为引导操作系统提供设备操作环境。

第4阶段：BDS(Boot Device Selection)，启动设备选择阶段，该阶段会扫描所有可启动设备，并形成启动设备列表，操作系统引导程序根据用户设置的启动优先级顺序在下一阶段引导操作系统启动。

第5阶段：TSL(Transient System Load Phase)，该阶段是BIOS和操作系统启动的过渡阶段，由BIOS通过操作系统引导程序引导操作系统启动，操作系统开始接管BIOS的资源和设备，对相关资源和设备进行管理。

第6阶段：RT(Run Time Phase)，该阶段操作系统完成启动，并进入运行状态。

第7阶段：AL(After Life)，该阶段的作用主要用于错误处理和灾难恢复机制，并不是每一次启动过程必须经历的阶段，但作为计算机运行的全过程，该阶段也是必不可少的阶段。

2 全过程日志记录元素分析

当前特种计算机未进行全过程日志记录的设计，从上电至操作系统完成启动、操作系统及应用程序日志记录服务启动前这一阶段的软硬件故障日志记录未引起足够的重视，未建立起相应的日志记录系统，日志记录依赖于操作系统正常启动后的系统日志、应用日志等日志记录[12]，造成从主板上电至操作系统完成启动、操作系统及应用程序日志记录服务启动前这一阶段没有相关日志记录。该阶段影响主板正常启动的因素有主板所处的环境因素、电源上电及主板设备初始化。因此，全过程日志记录主要包括环境参数日志记录、电源上电过程日志记录、主板设备初始化过程日志记录、操作系统及应用日志记录。下面逐一分析全过程日志记录需要记录的元素。

普通商用或家用计算机其运行场所一般比较固定，外部物理环境也比较优良，外部环境对于普通商用或家用计算机的正常工作影响可以不做深入考虑。与之相比，特种计算机由于其外部环境一般为恶劣环境，外部环境的因素对于计算机的正常工作影响大。例如，应用于车载平台的某型特种计算机，其工作环境指标设计指标为-40 ℃～+65 ℃，93%@35 ℃，普通商用或家用计算机不会在如此恶劣的环境下工作。一般而言，特种计算机外部环境包括温度、湿度、震动、霉菌、盐雾、低气压(海拔高度)等，其中温度、湿度直接影响元器件的电气性能，震动、霉菌、盐雾、低气压等因素则是通过间接方式影响元器件正常工作，例如震动不会直接影响电气性能，而是由于震动造成接触不良(焊点脱焊，连接器异位等)导致计算机运行异常。此外，温度、湿度影响电气性能后期不易通过外观识别确定因素，而震动、霉菌、盐雾、低气压等因素影响电气性能，后期可以通过外观识别，例如震动造成的焊盘脱焊、连接器异位，霉菌、盐雾造成外观腐蚀，低气压造成对气压敏感的元器件外观形变等[13]。综上，针对环境因素的日志记录元素选取温度和湿度两个因素。

计算机主板包含多种电源，CPU对于每种电源上电的先后顺序均有明确的要求，因此电源上电过程日志记录需要记录电源的电压、电源状态以及先后顺序。以国产飞腾某款主板为例，电源规格超过10种，上电时序通过CPLD进行严格控制，只有当当前电源上电完成，并输出POWERGOOD状态信号后方可进行下一个电源使能上电。针对此类主板设计，虽然可以通过CPLD输出电源上电过程的日志记录简单而快捷的获得日志记录。但对于采用专用EC进行上电时序设计的主板，则无法输出电源上电过程日志记录，为了使全过程日志记录系统更具通用性，在硬件电路上设计电源参数采集电路，实现全过程日志记录。

电源上电过程中，CPU会根据上电状态及时初始化相关设备，尤其是与CPU运行相关的参数，例如时钟、主频、缓存、内存、功能接口、外部设备等[14]。当前国产计算机设备在初始化过程中都能通过通讯接口输出初始化过程及状态信息，此部分信息是启动过程状态信息的重要组成部分，也是全过程日志记录元素的重要组成部分。

操作系统及应用日志记录。操作系统日志又称为主机日志，由操作系统自动生成，与操作系统行为密切相关。它记录了系统发生的各种事件，此类日志文件一般是纯文本的文件，通常存放在 “var/log”目录下[15]。应用软件日志由其运行在服务器或终端微机的应用数据处理软件产生，记录软件运行的状态信息和异常信息[1]。全过程日志记录对操作系统及应用软件日志记录依赖于操作系统及应用软件本身。

3 方案设计

全过程日志记录从记录阶段进行分析，可以分为操作系统及应用程序日志记录服务执行前和后两个阶段，不妨将操作系统及应用程序日志记录服务执行前的日志记录信息称之为系统外日志记录，将操作系统及应用程序日志记录服务执行后的日志信息称之为系统内日志记录。操作系统外日志记录包含环境参数、上电过程及状态、主板硬件初始化过程状态信息。从软硬件角度而言，全过程日志记录包括硬件和软件两大部分。硬件上设计独立于主板功能电路的嵌入式处理模块，用于环境参数采集、电气参数采集、主板硬件初始化状态信息接收、记录存储等。软件则是运行在嵌入式处理模块上的嵌入式应用软件，包括各个嵌入式外设的驱动、数据处理、记录存储等。

3.1 硬件电路设计

为了保证日志记录的完整、全面，嵌入式处理模块设计上电快速启动，并记录环境参数，然后记录上电过程信息并接收来自硬件初始化的信息。按照功能单元对嵌入式处理模块硬件电路进行划分，包括国产微处理器单元、电气参数采集单元、存储单元、环境参数采集单元、UART通讯接口单元、“PS_ON”控制上电、独立供电单元，具体如图3所示。其中虚线部分与嵌入式处理模块存在通讯，但不属于嵌入式处理模块的组成部分，包括外部计算机和板卡功能电路。

图3 嵌入式硬件处理模块硬件设计方案

3.1.1 国产微处理器单元

国产微处理器单元选用兆易创新微处理器GD32F407系列，该处理器是基于ARM Cortex-M4 RISC内核的32位通用微处理器，片上集成3072KB Flash、192KB SRAM、3个16通道12位ADC控制器、3路I2C接口、2路UART接口、3路SPI接口、82个GPIO接口等众多设备，内部高速总线工作频率高达168 MHz，具有高性能、低功耗等众多特性[16]，可以满足计算机运行全过程日志记录系统对硬件资源的需求。

国产微处理器单元是嵌入式硬件处理模块的核心，通过UART通讯接口模块与本地CPU、外部计算机设备进行通讯，实现CPU上电初始化和操作系统启动过程状态信息的获取以及日志记录对外发送；通过I2C接口与环境参数采集单元进行通讯，实现环境参数获取；通过SPI接口与存储单元进行通讯，实现日志记录的存储与读取；通过ADC控制器实现电气参数的采集输入；通过GPIO接口实现对主板的“PS_ON”上电控制。

3.1.2 电气参数采集单元

电气参数采集单元用于采集板卡电气参数，包括电压采集和电流采集。电压采集直接连接至ADC输入电路实现；电流采集由霍尔传感器实现，通过霍尔传感器将电流信息转换成电压信息，再输入ADC输入电路。需要说明的是，嵌入式微处理器IO口的输入电平是5 V Tolerant，对输入ADC电压超过5 V的信号，需要通过精密电阻分压进行处理后方能输入至ADC，在嵌入式软件读取ADC采样值时，需要按照分压比例进行换算。

3.1.3 存储单元

存储单元采用Flash存储颗粒进行设计，用于存储操作系统外日志记录。Flash存储颗粒设计预存不少于最近20次上电启动的系统外日志记录。

3.1.4 环境参数采集单元

环境参数采集单元用于实现对环境参数的采集，包括温度和湿度两个元素。采用国产中科银河芯GXHT35系列高精度集成温湿度传感器，该系列传感器在硅基CMOS晶圆上集成高灵敏度MEMS湿敏元件可以有效减少多芯片信号传输的干扰，具有包括全温湿度范围校准和温度补偿数字输出、16位高精度ADC转换电路、2.2～5.0 V宽电源电压适应性等多项优良性能，温湿度采集精度高达±1.8%RH和±0.1 ℃。GXHT35系列高精度集成温湿度传感器、信号整形、滤波、换算、ADC转换等功能，采用I2C接口进行通讯，用于读取温湿度相关数据[17]。设计时将温湿度传感器挂载至国产微处理器单元。

3.1.5 UART通讯接口单元

UART通讯接口单元包括2路UART通讯串口，其中1路直接连接至主板CPU调试串口，另1路通过电平转换电路转换成RS232输出，用作外置通讯串口。

连接至主板CPU调试串口的UART用于接收主板上电过程中CPU初始化、BIOS运行、操作系统启动过程输出的日志信息，并及时存储至存储单元中，实现上电启动过程日志记录。

外置通讯串口用于主板启动异常，无法正常读取到存储单元内部的日志记录的场景。外部计算机通过外置通讯串口向嵌入式微处理模块发送日志读取指令，国产微处理器单元将存储单元的日志记录信息通过UART通讯接口发送至外部计算机，实现日志记录的输出。

3.1.6 “PS_ON”控制上电

当主板按下上电开关后，独立供电单元随即开始工作，电源稳定输出后嵌入式处理单元开始进入工作状态。嵌入式处理单元通过环境传感器单元采集环境参数，通过电气参数采集单元采集输入电压，以上信息做为CPU上电前的环境参数，在上电的第一时间进行采集并记录存储在存储单元。CPU上电前的环境参数满足主板上电要求时，嵌入式处理单元输出“PS_ON”控制上电信号，控制主板上电。

主板上电后，电气参数采集单元会实时采集各路电源输出电压，同时监控电源芯片输出的POWERGOOD状态信息，将电源电压及状态信息实时保存至存储单元中。

3.1.7 独立供电单元

特种计算机板级产品一般采用单电源供电，如12 V、24 V、28 V等。为了保证嵌入式处理模块不受主板功能电路影响，设计有独立供电单元，专用于嵌入式处理单元的供电，同时为了保证嵌入式处理单元在CPU开始上电时已经处于就绪状态(随时可以记录上电过程记录信息)，由嵌入式处理单元通过“PS_ON”的方式控制主板功能电路上电。

3.2 软件设计

计算机运行全过程日志记录系统软件包括嵌入式端记录软件和外部计算机上位机软件。嵌入式端记录软件以嵌入式处理模块为硬件平台，实现数据采集、日志记录获取及存储功能，具体框架如图4所示；上位机软件采用通用的串口调试助手，实现外部计算机与计算机运行全过程日志记录系统的通讯，读取存储在存储单元的日志记录信息。

图4 嵌入式端记录软件框架

嵌入式端记录软件运行在国产微处理器硬件平台上，直接与硬件系统相关，属于底层软件，采用模块化设计思想，实现模块的高效复用[18]，包括数据处理模块、ADC采样模块、I2C通讯模块、SPI通讯模块、UART通讯模块、GPIO控制模块等六大功能模块。其设计流程图如图5所示。

图5 嵌入式软件流程图

设备上电后，各个功能模块进行初始化；初始化完毕后采集环境参数并记录环境参数，然后控制模块输出上电使能信号，主板开始上电。在上电过程中，ADC采样模块依次对各个电压进行采样并存储。若采样各个数据均为正常，表明主板具备启动状态，则进入串口数据监视状态，随时接收串口数据。串口数据若为CPU发送过来的初始化及操作系统启动过程日志，则将串口数据进行保存。若串口数据为输出日志指令，则通过SPI通讯模块读取Flash的日志记录输出。UART通讯完毕后，表明主板已进入稳定状态，则每隔10分钟进行一次环境参数和电气参数的采集、存储。若环境参数或电气参数出现异常，则每隔1 s进行采样，并记录异常次数，连续5次异常后，则结束软件流程。

3.2.1 数据处理模块

数据处理模块是嵌入式端记录软件的核心模块，实现各个功能模块的组织、调用，是各个模块数据流的中心[19]。数据处理模块包通过接收来自ADC采样模块的电气参数、环境参数数据，并进行相应的数据处理；通过UART串口接收来自CPU的初始化日志记录、操作系统启动过程日志记录；通过UART串口发送已经存储的日志记录；将日志记录信息通过SPI通讯模块进行数据存储。

3.2.2 ADC采样模块

ADC采样模块用于实现电气参数的采集输入。通过嵌入式微处理器ADC设备实现电气参数AD转换，为实现相应的功能软件设计时建立了3个相应的函数，分别为ADC控制器初始化函数void Adc_Init(void)、ADC数据采集函数u16 Get_Adc(u8 ch)以及ADC数据处理函数u16 Get_Adc_Average (u8 ch，u8 times)。

初始化函数void Adc_Init(void)用于实现对ADC控制器的初始化功能，包括时钟设置、引脚使能、通道选择、采样模式等。

ADC数据采集函数u16 Get_Adc(u8 ch)用于ADC数据的采集获取，具体如下：

u16 Get_Adc(u8 ch)// 返回值即为转换结果;ch为指定通道

{

ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ch, 1, ADC_SampleTime_480Cycles );

//设置指定ADC的规则组通道,一个序列,采样时间

ADC_SoftwareStartConv(ADC1);

//使能指定的ADC1的软件转换启动功能

while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC ));

//等待转换结束

return ADC_GetConversionValue(ADC1);

//返回最近一次ADC1规则组的转换结果

}

ADC数据处理函数u16 Get_Adc_Average (u8 ch，u8 times)用于对采样的数据进行处理，具体为通过形参灵活设置平均参数，对采样的结果进行平均值计算，用以提高数据的准确性。

3.2.3 I2C通讯模块

I2C通讯模块用于与外部I2C设备通讯，实现环境参数的采集。I2C总线在传送数据过程中共有3种类型信号，分别是：开始信号、结束信号和应答信号。嵌入式硬件处理模块环境参数的获取通过操作I2C设备进行相应的操作，具体函数包括I2C接口初始化函数void IIC_Init(void)、I2C发送数据函数void IIC_Send_Byte(u8 txd)、I2C读取数据函数u8 IIC_Receive_Byte(unsigned char ack)。

初始化函数void IIC_Init(void)用于IIC控制器的初始化，包括时钟设置、设备地址、引脚功能设置、通讯模式设置等。

I2C发送数据函数void IIC_Send_Byte(u8 dataAddr，u8 byte)用于向I2C设备发送控制指令，包括start信号、写操作头、温湿度转换指令、stop指令等。

I2C读取数据函数u8 IIC_Receive_Byte (u8 dataAddr)用于温湿度数据的获取。

3.2.4 SPI通讯单元

日志记录通过SPI接口存储至Flash存储芯片中，因此系统日志存储与读取通过SPI通讯单元来实现。SPI主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI 串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。寄存器通过MOSI 信号线将字节传送给从机，从机也将自己的移位寄存器中的内容通过MISO 信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换，实现读写操作。SPI通讯单元包括初始化函数void SPI_Init(void)、数据传输函数u8 SPI_ReadWriteByte(u8 TxData)。

初始化函数void SPI_Init(void)用于实现SPI控制器初始化，包括时钟设置、使能、工作模式设置等。

u8 SPI_ReadWriteByte(u8 TxData)

{

while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) RESET){}

//等待发送区空

SPI_I2S_SendData(SPI1, TxData);

//通过外设SPIx发送一个byte数据

while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) RESET){}

//等待接收完

return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);

//返回通过SPIx最近接收的数据

}

3.2.5 UART通讯模块

UART通讯模块包括初始化函数void uart_init (u32 bound)、发送函数void USART_SendData (USARTx，Data)；接收函数u16 USART_ReceiveData (USARTx)。

初始化函数void uart_init (u32 bound)用于对UART控制器进行初始化，包括时钟设置、引脚使能、波特率设置等。

发送函数void USART_SendData (USARTx，Data)用于向外部计算机设备发送数据，通过SPI功能模块读取Flash存储单元的数据，然后由USART发送函数实现数据传输。

接收函数u16 USART_ReceiveData (USARTx)用于接收CPU串口发送过来的数据信息，通过SPI功能模块将数据存储至Flash存储单元，实现数据存储。

3.2.6 GPIO控制模块

GPIO控制模块用于实现嵌入式处理模块“PS_ON”控制上电的功能。GPIO控制模块通过控制引脚的高低电平实现控制功能，包含初始化函数void GPIO_Init(void)；置位函数GPIO_SetBits (GPIOx，GPIO_Pin_x)；复位函数GPIO_ResetBits (GPIOx，GPIO_Pin_x)。

初始化函数void GPIO_Init(void)用于对GPIO接口的初始化，包括时钟、引脚功能、输入输出模式等。

置位函数GPIO_SetBits(GPIOx，GPIO_Pin_x)用于将对应的GPIO接口进行置位，实现高电平输出；

复位函数GPIO_ResetBits(GPIOx，GPIO_Pin_x)用于将对应的GPIO接口进行复位，实现低电平输出。

4 试验设计及结果验证

4.1 试验设计

根据全过程日志记录系统的设计要求，试验时需要完整记录主板加电至操作系统完成启动整个过程的全部信息。试验时选用国产化FT1500平台搭载嵌入式硬件处理模块，通过记录国产化平台启动过程日志记录验证计算机运行全过程日志记录系统的功能。试验包括国产化平台正常启动全过程日志记录和国产化平台启动异常两类场景，用于全面验证计算机运行全过程日志记录系统的功能。

4.2 试验过程

试验选用国产飞腾FT1500平台进行测试验证。试验验证环境如图6所示。FT1500主板上电后嵌入式硬件处理模块将及时采集环境参数信息，并存储至Flash中，然后FT1500主板开始正常上电启动。FT1500主板上电启动时序由CPLD控制，嵌入式硬件处理模块将对每个电源电压进行采样，并进行存储。FT1500上电完毕后，CPU、内存及其他硬件开始进行初始化，引导BIOS、操作系统，直至启动完成。启动完成后通过外部陪试计算机读取日志记录信息，查看嵌入式硬件处理模块是否完整记录全过程日志记录信息。

图6 计算机运行全过程日志记录系统试验框图

为了全面验证系统的功能，在试验过程中进行故障注入，模拟FT1500主板启动过程中出现异常时系统运行情况。故障模拟时，将FT1500主板1.8 V电源使能信号与电源芯片使能引脚断开，造成1.8 V电源供电异常的故障。FT1500主板上电过程中，如果某个电源异常，将造成主板无法正常启动，处在上电过程的中间状态。故障注入完成后，给FT1500主板上电，最后查看系统记录的全过程日志记录是否与实际相符。

4.3 结果验证

利用串口调试软件接收正常启动时的日志记录，查看日志记录是否完整，记录的参数是否与实际参数一致。如图7所示，为一次完整启动的日志记录，记录参数与现场实际参数一致，表明日志记录系统正常工作，满足功能需求。

图7 主板正常启动，记录的日志信息

利用串口调试软件接收启动异常时的日志记录，查看日志记录是否与注入的故障记录导致主板启动异常的日志记录一致，查看记录的参数是否与实际参数一致。如图8所示，为故障注入1.8 V电源异常时的日志记录，与日志记录系统记录的信息一致，表明日志记录系统正常工作。

图8 故障注入，启动日志记录

5 结束语

特种计算机设备应用于特定的场合，可靠性要求高，每一次启动过程记录需要准确记录，为可能面临的故障提供日志记录，以便后续分析。计算机运行全过程日志记录系统记录了设备所处环境的物理参数，同时记录硬件设备上电启动至操作系统完成启动整个过程的所有状态信息，对及时掌握特种计算机运行状态、出现故障后进行的故障分析、故障隔离、故障定位、故障复现、归零处理措施具有重要意义。尤其是，针对当前国产化替代过程中经常出现的偶发故障、单发故障的分析、处理、优化，是一项不可或缺的工具。随着现代大数据和人工智能技术的发展，将全过程日志记录与深度学习相结合，通过故障模型训练、故障特征识别、故障演化规律获取，最终进行有效的故障预测将成为可能[20-21]。