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計(jì)算機(jī)容錯技術(shù)及應(yīng)用淺析
計(jì)算機(jī)故障指的是因?yàn)橛?jì)算機(jī)部件的物理實(shí)現(xiàn)、環(huán)境影響、操作錯誤或者是設(shè)計(jì)缺陷等原因，引起計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件或者軟件的錯誤的狀態(tài)，下面是小編搜集整理的一篇探究計(jì)算機(jī)容錯技術(shù)及應(yīng)用的論文服務(wù)，歡迎閱讀查看。
摘要：從計(jì)算機(jī)誕生開始道現(xiàn)在，對于計(jì)算機(jī)容錯技術(shù)的研究就沒有中斷過�，F(xiàn)在因?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，使得其對于可靠性的要求越來越高，這就使得容錯技術(shù)的研究更加受到重視。文中主要從硬件和軟件兩個方面對計(jì)算機(jī)容錯技術(shù)進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī);容錯技術(shù);可靠性
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用變得越來越廣泛，在很多領(lǐng)域中對計(jì)算機(jī)的可靠性要求相當(dāng)高，例如科學(xué)研究、金融系統(tǒng)、交通運(yùn)輸管理、軍事等領(lǐng)域?qū)τ谟?jì)算機(jī)的可靠性的要求都相當(dāng)高。如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致很多嚴(yán)重的后果，不僅僅是會帶來各種經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重的還有可能會危及到人們的生命安全。所以，于計(jì)算機(jī)的可靠性，國家和社會都給予了高度的關(guān)注，并且投入了大量的人力與經(jīng)濟(jì)資源對計(jì)算機(jī)的可靠性進(jìn)行研究。
一、概述
一般情況下，為了能夠提高計(jì)算機(jī)的可靠性，主要是采用避錯和容錯這兩種方法。避錯的方法主要盡可能的讓計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)離各種故障。然而要避錯就有著相當(dāng)嚴(yán)格的要求，例如對于計(jì)算機(jī)的各個元器件都要盡可能的好，在設(shè)計(jì)上盡可能的不出現(xiàn)瑕疵，制造工藝要盡可能的先進(jìn)，同時在質(zhì)量管理方面也有著較高的要求。但是即使這些方面都做到了最好，這樣的計(jì)算機(jī)還必須要經(jīng)受各種工作環(huán)境中的因素的考驗(yàn)，而有很多環(huán)境因素都不是計(jì)算機(jī)本身所能夠抗衡的(如電磁干擾、強(qiáng)震動等等)，仍然不可避免的會出現(xiàn)各種故障。那么這就要求，必須要能夠在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障的情況下能夠容忍故障的存在，也就是容錯技術(shù)。最早提出容錯技術(shù)的是計(jì)算機(jī)之父馮·諾依曼。容錯技術(shù)指的是當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生硬件或者軟件上的故障時，計(jì)算機(jī)能夠通過一定的方法檢測出故障，然后通過一定的方法來對故障進(jìn)行容忍，使得故障不會影響到計(jì)算機(jī)的正常運(yùn)行，或者是在能夠完成指定任務(wù)的前提下進(jìn)行降級運(yùn)行。
計(jì)算機(jī)故障指的是因?yàn)橛?jì)算機(jī)部件的物理實(shí)現(xiàn)、環(huán)境影響、操作錯誤或者是設(shè)計(jì)缺陷等原因，引起計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件或者軟件的錯誤的狀態(tài)。容錯技術(shù)主要包括了故障檢錯技術(shù)、故障診斷技術(shù)、故障恢復(fù)技術(shù)者幾個方面。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要容錯，首先就必須要能夠檢測到故障的存在，也就必須要用到故障檢錯技術(shù)。但是在能夠檢測出故障的同時還必須要能夠判斷和定位故障所在的位置，此時就需要故障診斷技術(shù)來對故障所在位置進(jìn)行定位。在前面的基礎(chǔ)上就需要對故障進(jìn)行恢復(fù)，通過故障恢復(fù)技術(shù)將系統(tǒng)從故障狀態(tài)恢復(fù)到無故障時的狀態(tài)下繼續(xù)正常運(yùn)行。
計(jì)算機(jī)容錯技術(shù)最基本的方法就是冗余技術(shù)，冗余技術(shù)主要包括了硬件硬件冗余、軟件冗余、時間冗余以及信息冗余這幾種。
二、硬件錯誤容錯方法分析
計(jì)算機(jī)硬件錯誤主要有永久性錯誤、瞬態(tài)錯誤和間歇性錯誤這三種。其中永久性錯誤主要是因?yàn)橛?jì)算機(jī)的硬件出現(xiàn)老化以及電路短路的原因所引起的。當(dāng)永久性錯誤發(fā)生時，一些原定的功能就會失效，如果不對損壞的部分進(jìn)行替換，那么故障是不能夠恢復(fù)的。瞬態(tài)錯誤是計(jì)算機(jī)所發(fā)生的硬件錯誤中最多的一種錯誤，而且這種錯誤還呈現(xiàn)出一種幾何級數(shù)的增長，這種錯誤對于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性的影響相當(dāng)嚴(yán)重。間歇性錯處于永久性錯誤和瞬態(tài)錯誤之間，這種錯誤的主要表現(xiàn)時，瞬態(tài)錯誤發(fā)生的頻率過高，超過了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所能夠容忍的范圍。
(一)硬件冗余方法
硬件冗余主要分為部分冗余和完全系統(tǒng)冗余這兩種。而完全系統(tǒng)冗余中又可以分為冷備、溫備、熱備以及雙工這4種。例如完全系統(tǒng)冗余中的雙系統(tǒng)主要就有雙系統(tǒng)冷備、雙系統(tǒng)溫備、雙系統(tǒng)熱備以及雙系統(tǒng)雙工這四種工作方式。其中雙系統(tǒng)雙工的方式主要應(yīng)用于對于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全性以及實(shí)時性的要求較高的系統(tǒng)中。如果要求不高，那么則可以根據(jù)具體的情況選用其他的幾種工作方式。如今所使用的硬件冗余之中還有三模、四模冗余技術(shù)應(yīng)用的較為廣泛。
在當(dāng)前硬件冗余技術(shù)中研究的較多的是FPGAs。在這種方法中將整個硬件系統(tǒng)根據(jù)抽象的層次分為兩層：硬件層(PL)以及配置層(CL)。就當(dāng)前而言，硬件冗余的方法是研究體系較為完善，提升可靠性效果最好，但是也是成本最高的方法。
(二)信息冗余方法
信息冗余的方法是在原始的數(shù)據(jù)中附加上具有故障檢測或者故障恢復(fù)的冗余數(shù)據(jù)信息。這些冗余信息具備有錯誤檢測或者錯誤糾正的能力。這種方法主要用于信息傳輸、存儲以及處理的過程之中。目前比較新的信息冗余編碼方式主要有RED-FECMechanism、ABFT、check-sum EDAC。
(三)時間冗余
如果沒有采用硬件冗余的方法，并且對于實(shí)時性的要求不高的系統(tǒng)中，可以使用時間冗余的發(fā)放來實(shí)現(xiàn)容錯。在具體的系統(tǒng)中時間冗余的主要工作方式有兩種：(1)RSHW，這種方式指的是在同一硬件上對于同一組數(shù)據(jù)在不同的時間段上執(zhí)行同一指令集;(2)采用數(shù)據(jù)延遲設(shè)備和表決電路，將這兩者進(jìn)行結(jié)合，間數(shù)據(jù)的處理結(jié)果按照延遲時間的不同而復(fù)制出多個不同的版本，然后將這些所復(fù)制出來的信息遞交給表決器進(jìn)行對比，從中選出合適的結(jié)果，如圖1：
三、軟件錯誤容錯方法
對于任何一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，光考慮它的硬件系統(tǒng)的可靠性是不夠的，因?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)是硬件以及軟件的結(jié)合體，硬件可靠性高，而軟件的可靠性不足，那么這樣的系統(tǒng)也是不可靠的。但是在軟件的可靠性研究方面現(xiàn)在要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后與硬件可靠性的研究�，F(xiàn)在軟件錯誤容錯方法主要有以下幾種：
(一)N-version programming 方法
這種方法中，認(rèn)為對于同一個軟件的不同版本應(yīng)該讓不同的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的過程中說采用的方法、開發(fā)語言和開發(fā)環(huán)境以及開發(fā)工具等都應(yīng)該不同。這樣做的目的就是為了能夠減少這個軟件的不同版本在表決點(diǎn)上出現(xiàn)相關(guān)性錯誤的概率。但是每一個版本的軟件在設(shè)計(jì)的過程中都需要遵循這樣的幾個原則：(1)總體設(shè)計(jì)上要相同;(2)多樣化的模塊之間必須使用統(tǒng)一接口;(3)實(shí)現(xiàn)多樣性封裝;(4)必須要保證各個版本軟件在設(shè)計(jì)上的獨(dú)立性。
(二)采用恢復(fù)塊
這是一種向后恢復(fù)的方法。這種方法要求軟件系統(tǒng)能夠提供多個具有相同功能的模塊，其中一個作為主塊，其余的作為后備塊。進(jìn)行測試時，先讓主塊投入運(yùn)行，如果主塊不能夠通過驗(yàn)收測試，那么通過相關(guān)的功能讓后備塊投入運(yùn)行。這個過程中，會一直重復(fù)直到后備塊耗盡或者是有一個后備塊能夠通過測試為止，或者是當(dāng)某一個程序的故障超出了當(dāng)初軟件設(shè)計(jì)時的預(yù)期，產(chǎn)生了不可恢復(fù)的后果。這種方法要求在進(jìn)行設(shè)計(jì)時要能夠保證各塊之間的獨(dú)立性，防止出現(xiàn)相關(guān)性錯誤。同時還必須要注意的是驗(yàn)收測試程序，必須要能夠保證它的正確性才能夠獲得正確的結(jié)果。
(三)防衛(wèi)式程序設(shè)計(jì)方法
在這種方法之中并沒有使用傳統(tǒng)的容錯技術(shù)。當(dāng)程序中出現(xiàn)錯誤或者不一致性時，這種方法都是程序中說包含的各種錯誤檢查代碼與恢復(fù)代碼對這些錯誤進(jìn)行處理。當(dāng)錯誤發(fā)生時，程序通過相關(guān)的錯誤處理的代碼，將對程序所出現(xiàn)的錯誤狀態(tài)進(jìn)行撤銷，并將程序恢復(fù)到一個正確的狀態(tài)中去，該種方法主要包括了錯誤檢測、破壞估計(jì)和錯誤恢復(fù)這三個方面。
總之，隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)規(guī)模的改變以及使用的廣泛，對系統(tǒng)的可靠性的要求越來越高，因此對于容錯技術(shù)的要求也越來越高。但是因?yàn)楦鞣N原因，當(dāng)前在硬件容錯方面的研究要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過軟件容錯的研究。因此，在今后應(yīng)該在軟件容錯技術(shù)方面多下功夫。
參考文獻(xiàn)：
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[2]徐仁佐.軟件可靠性工程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007
【計(jì)算機(jī)容錯技術(shù)及應(yīng)用淺析】相關(guān)文章：
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