梁皓 覃慶勇

（廣西捷通高速科技股份有限公司 廣西南寧 530022）

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)容錯技術(shù)

梁皓1覃慶勇2

（廣西捷通高速科技股份有限公司 廣西南寧 530022）

隨著第三次科技革命的展開，計(jì)算機(jī)已經(jīng)普遍的出現(xiàn)在人們的日常生活中了。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)不僅豐富了人們的日常生活，而且還對社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)產(chǎn)生了重大的影響。隨著人們對計(jì)算機(jī)使用的普遍加強(qiáng)，在使用的過程中不僅對計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)提出了要求，更對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提出了很高的要求。只有通過加強(qiáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的容錯性，才能夠從根本上保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為此，對于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)容錯技術(shù)的研究已經(jīng)成為了當(dāng)下計(jì)算機(jī)科學(xué)主要的研究方向。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；硬件容錯技術(shù)；軟件容錯技術(shù)

前言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)廣泛的存在于人們的日常生活以及工作中了。為了能夠保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的容錯性進(jìn)行提高，所以對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)容錯技術(shù)的研究就變得格外的重要。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作的過程中不可避免的會出現(xiàn)因?yàn)榉N種因素導(dǎo)致的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)遭受損害或者遭受到錯誤的指令，計(jì)算機(jī)的容錯性就是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠在遭受到突發(fā)情況下，為了保護(hù)計(jì)算機(jī)內(nèi)部的重要的文件的丟失，而采取的有效的手段避免計(jì)算機(jī)系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象。隨著計(jì)算機(jī)在日常的生活以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)過程中的廣泛應(yīng)用，為了避免因?yàn)橛?jì)算機(jī)遭受損害而造成對企業(yè)以及個人的不必要的損失，就必須要對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的容錯性進(jìn)行加強(qiáng)。

1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)故障產(chǎn)生原因

目前，計(jì)算機(jī)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在了經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)以及人們?nèi)粘Ｉ钪校捎谑艿酵饨绲母蓴_會導(dǎo)致計(jì)算機(jī)在一定時間內(nèi)不能提供穩(wěn)定的服務(wù)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的故障對于航空航天、國防軍事、核能電力、工業(yè)化工以及衛(wèi)生醫(yī)療等部門都會造成很嚴(yán)重的損失。為了避免因計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的崩潰而造成的不必要的損失，就必須保證計(jì)算機(jī)能夠在系統(tǒng)運(yùn)行錯誤的指令的情況下仍然能夠保證不間斷的為客戶提供相應(yīng)的服務(wù)。為了保證計(jì)算機(jī)的容錯性，計(jì)算機(jī)科學(xué)的工作者就需要對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的容錯性技術(shù)進(jìn)行研究以提高。

通常情況下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)生的系統(tǒng)錯誤可以大體上分為硬件錯誤和軟件錯誤兩類。接下來我們就對計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)錯誤進(jìn)行簡單的介紹。隨著國際上電子技術(shù)的發(fā)展以及集成電路工藝的有效的提高，中央處理器發(fā)生瞬時故障概率在急劇的上升。

硬件系統(tǒng)錯誤產(chǎn)生的原因主要可以歸結(jié)為以下的幾個方面：①晶體管工作電壓的下降造成了集成電路噪聲容限減少的現(xiàn)象，這樣就會造成在硬件使用的過程中主板芯片更加容易受到瞬態(tài)故障的影響；②隨著微電子技術(shù)的不斷提高，計(jì)算機(jī)的中央處理器的主頻不斷的提高，在CPU主頻提高的過程中也增加了其發(fā)生故障的幾率；③目前集成電路工藝逐步的提高，隨著集成度的提高芯片內(nèi)部的晶體管的數(shù)量也在不斷的提高，這樣也就會增加芯片發(fā)生故障的幾率。

以上我們對計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障的原因做出了詳細(xì)的闡述，在計(jì)算機(jī)工作的過程中出了有硬件系統(tǒng)之外還存在著軟件系統(tǒng)，因此軟件系統(tǒng)對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也會產(chǎn)生很大的影響。由于在計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的生命周期內(nèi)，經(jīng)常會出現(xiàn)因?yàn)樵O(shè)計(jì)的錯誤而導(dǎo)致的整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的崩潰。

2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的容錯技術(shù)

以上我們對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障的原因進(jìn)行了詳細(xì)的分析，經(jīng)過分析可得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的錯誤源自于計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)兩個方面。由于計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的崩潰很可能會對企業(yè)以及個人造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，所以為了能夠盡量的避免不必要的損失，我們需要對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的容錯技術(shù)進(jìn)行不斷的創(chuàng)新、研究以及突破，以保證我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的正常進(jìn)行。接下來我們就從計(jì)算機(jī)的硬件容錯技術(shù)以及計(jì)算機(jī)的軟件容錯技術(shù)兩個方面來對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的容錯技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2.1 計(jì)算機(jī)硬件容錯技術(shù)分析

在計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)錯誤中根據(jù)錯誤的發(fā)生的時間以及狀態(tài)可以將計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)錯誤分為瞬態(tài)錯誤、間歇性錯誤以及永久性錯誤。其中，硬件系統(tǒng)的瞬態(tài)錯誤是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生的錯誤，同時對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)造成的安全性以及可靠性也會造成較大的影響。而間歇性錯誤是對瞬態(tài)錯誤的發(fā)生頻率加以控制而產(chǎn)生的硬件系統(tǒng)錯誤，當(dāng)瞬態(tài)錯誤的發(fā)生頻率超過了設(shè)定的閾值的時候就成為了間歇性錯誤。永久性的錯誤一旦發(fā)生就會對計(jì)算機(jī)造成嚴(yán)重的影響，并且只有通過對原有的電子器件的更換才能解決這些問題。一般情況下，計(jì)算機(jī)相關(guān)的電子器件的老化以及電路的短路都會造成計(jì)算機(jī)硬件的永久性錯誤。接下來，我們將從信息冗余量、硬件冗余、時間冗余以及硬件線程冗余四個方面來對計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的容錯技術(shù)進(jìn)行分析。

2.1.1 信息冗余

一般情況下計(jì)算機(jī)硬件的信息冗余可以分為糾錯編碼以及檢錯編碼兩個部分。對硬件系統(tǒng)的信息冗余容錯技術(shù)主要是通過在原始數(shù)據(jù)中添加若干的冗余位來實(shí)現(xiàn)對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的故障檢測以及故障修復(fù)。通過使用糾錯編碼，可以對計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中的故障進(jìn)行檢測并糾正錯誤，而使用檢錯編碼能夠?qū)τ?jì)算機(jī)系統(tǒng)中的錯誤進(jìn)行檢測。使用信息冗余的檢錯方法能夠有效的避免因?yàn)殄e誤恢復(fù)操作而造成的時間延遲，檢查成本低廉的基礎(chǔ)上還具有處理速度較快的優(yōu)點(diǎn)。

2.1.2 硬件冗余

硬件冗余是根據(jù)動態(tài)可重構(gòu)現(xiàn)場可編程門陣列進(jìn)行開發(fā)的一項(xiàng)新的硬件冗余技術(shù)，也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)容錯技術(shù)開發(fā)最多的一項(xiàng)技術(shù)。其中，硬件冗余可以分為很多類，通常情況下根據(jù)冗余的程度可以將硬件冗余劃分為部分冗余和完全冗余兩類。在硬件冗余的完全冗余體系之下又可以分為溫備、冷備、熱備以及雙工四種工作方式。由于硬件冗余是整個計(jì)算機(jī)容錯技術(shù)中開發(fā)時間最長的一項(xiàng)技術(shù)，所以在保證計(jì)算機(jī)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)之上硬件冗余的技術(shù)手段也是最為成熟的。通過使用硬件冗余技術(shù)能夠很好的將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及安全性進(jìn)行提高。

圖1 硬件冗余的四種工作方式

2.1.3 時間冗余

在不注意系統(tǒng)時效性的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上能夠通過使用時間冗余來提高沒有硬件冗余的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的容錯性。時間冗余是指同一硬件的同一數(shù)據(jù)在不同的時間片內(nèi)執(zhí)行相同的指令集。但是，在使用時間冗余技術(shù)的時候會對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的延時時間造成較大的影響，通常情況下延長時間過短對使系統(tǒng)達(dá)不到應(yīng)有的容錯效果，而延時時間過長則會造成其成本的增長。所以，為了能夠通過使用時間冗余來達(dá)到良好的計(jì)算機(jī)容錯效果，我們必須對計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)延時時間進(jìn)行合理的掌控。

圖2 時間冗余容錯方法的一般結(jié)構(gòu)

2.2 計(jì)算機(jī)軟件容錯技術(shù)的分析

計(jì)算機(jī)的容錯技術(shù)除了計(jì)算機(jī)的硬件容錯技術(shù)之外還有計(jì)算機(jī)的軟件容錯技術(shù)。相對于硬件容錯系統(tǒng)而言計(jì)算機(jī)的軟件容錯技術(shù)具有方法多種多樣的優(yōu)勢，但是由于開發(fā)的時間較短，所以相對于硬件容錯技術(shù)而言軟件容錯技術(shù)還是不夠成熟。經(jīng)常使用的計(jì)算機(jī)軟件容錯技術(shù)有軟件多樣性方法、恢復(fù)塊方法以及防衛(wèi)式程序設(shè)計(jì)方法。按照計(jì)算機(jī)恢復(fù)的不同的方向可以將計(jì)算機(jī)軟件恢復(fù)技術(shù)分為向前恢復(fù)和向后恢復(fù)兩種，向前恢復(fù)是指通過采取有效的措施來彌補(bǔ)因系統(tǒng)的故障而造成的不連貫的現(xiàn)象，并且能夠使系統(tǒng)繼續(xù)向前運(yùn)行；向后恢復(fù)主要是指將系統(tǒng)還原到正確的階段部分重新運(yùn)行計(jì)算。

2.2.1 恢復(fù)塊方法

恢復(fù)塊配置方法主要是將功能相同的主塊和后備塊進(jìn)行相互的配置，先將主塊啟動運(yùn)行，如果主塊在啟動運(yùn)行的過程中出現(xiàn)故障，我們就需要啟動備用塊進(jìn)行程序的運(yùn)行，之后完成整個程序的測試過程。如果在測試的過程中出現(xiàn)故障，在使用了主塊和備用塊之后均不能排除故障不能完成測試，則我們就可以判斷故障為不可恢復(fù)故障。為了保證在測試的過程中能夠順利的進(jìn)行，需要保證程序運(yùn)行的主塊和備用塊之間的相互獨(dú)立性，通過加強(qiáng)主塊和備用塊之間的獨(dú)立性，來盡量的減少主塊和備用塊之間的錯誤的關(guān)聯(lián)。通過以上的步驟能夠盡量的減少因?yàn)橹鲏K和備用塊之間的錯誤關(guān)聯(lián)導(dǎo)致的程序運(yùn)行錯誤，盡量的保證測試計(jì)算結(jié)果的正確。

圖3 恢復(fù)快工作的原理圖

2.2.2 防衛(wèi)式程序設(shè)計(jì)法

防衛(wèi)式程序設(shè)計(jì)法與現(xiàn)存的計(jì)算機(jī)軟件容錯技術(shù)不同，它沒有采用任何的傳統(tǒng)的容錯技術(shù)來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的容錯功能，是一種比較傳統(tǒng)的保守的容錯機(jī)制。防衛(wèi)式的程序設(shè)計(jì)法主要的工作步驟是：如果在程序運(yùn)行的過程中出現(xiàn)相關(guān)的程序運(yùn)行錯誤，程序本身會調(diào)用程序自帶的檢測、恢復(fù)代碼對整個程序進(jìn)行相關(guān)的處理。通過防衛(wèi)式程序設(shè)計(jì)法能夠?qū)⒔党绦蜻\(yùn)行過程中出現(xiàn)的錯誤，進(jìn)行必要的檢測以及恢復(fù)，并使系統(tǒng)自動的返回到上一個正確的狀態(tài)。通過這種檢測方法能夠有效的對程序中出現(xiàn)的錯誤進(jìn)行必要的檢測，除此之外還能夠?qū)﹀e誤的影響范圍、類型等因素進(jìn)行估計(jì)，最終達(dá)到錯誤恢復(fù)的效果。

3 總結(jié)

隨著信息科學(xué)的逐步發(fā)展，信息對人們的日常生活以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到了重大的作用。而在當(dāng)下計(jì)算機(jī)已經(jīng)逐步的深入到了人們生活工作的每個角落，為了能夠保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性以及可靠性，不可避免的要對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的容錯性進(jìn)行必要的研發(fā)提高。通常情況下，高性能的計(jì)算機(jī)容錯系統(tǒng)具有高的可靠性、錯誤檢測、錯誤恢復(fù)的低延時性、性能的低損耗性以及成本的低廉性等特點(diǎn)。

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TP302.8

A

1004-7344（2016）17-0235-02

2016-5-11

梁皓（1978-），男，助理工程師，本科，主要從事Etc通信、監(jiān)控等系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營管理工作。

覃慶勇（1979-），男，中級工程師，本科，主要從事Etc通信、監(jiān)控等系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營管理工作。