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計算機容錯技術(shù)及應用淺析
計算機故障指的是因為計算機部件的物理實(shí)現、環(huán)境影響、操作錯誤或者是設計缺陷等原因，引起計算機系統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算機容錯技術(shù)及應用的論文服務(wù)，歡迎閱讀查看。
摘要：從計算機誕生開(kāi)始道現在，對于計算機容錯技術(shù)的研究就沒(méi)有中斷過(guò)�，F在因為計算機系統的廣泛應用，使得其對于可靠性的要求越來(lái)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(gè)方面對計算機容錯技術(shù)進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：計算機;容錯技術(shù);可靠性
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機的應用變得越來(lái)越廣泛，在很多領(lǐng)域中對計算機的可靠性要求相當高，例如科學(xué)研究、金融系統、交通運輸管理、軍事等領(lǐng)域對于計算機的可靠性的要求都相當高。如果計算機出現故障，會(huì )導致很多嚴重的后果，不僅僅是會(huì )帶來(lái)各種經(jīng)濟損失，嚴重的還有可能會(huì )危及到人們的生命安全。所以，于計算機的可靠性，國家和社會(huì )都給予了高度的關(guān)注，并且投入了大量的人力與經(jīng)濟資源對計算機的可靠性進(jìn)行研究。
一、概述
一般情況下，為了能夠提高計算機的可靠性，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算機遠離各種故障。然而要避錯就有著(zhù)相當嚴格的要求，例如對于計算機的各個(gè)元器件都要盡可能的好，在設計上盡可能的不出現瑕疵，制造工藝要盡可能的先進(jìn)，同時(shí)在質(zhì)量管理方面也有著(zhù)較高的要求。但是即使這些方面都做到了最好，這樣的計算機還必須要經(jīng)受各種工作環(huán)境中的因素的考驗，而有很多環(huán)境因素都不是計算機本身所能夠抗衡的(如電磁干擾、強震動(dòng)等等)，仍然不可避免的會(huì )出現各種故障。那么這就要求，必須要能夠在計算機出現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)的是計算機之父馮·諾依曼。容錯技術(shù)指的是當計算機發(fā)生硬件或者軟件上的故障時(shí)，計算機能夠通過(guò)一定的方法檢測出故障，然后通過(guò)一定的方法來(lái)對故障進(jìn)行容忍，使得故障不會(huì )影響到計算機的正常運行，或者是在能夠完成指定任務(wù)的前提下進(jìn)行降級運行。
計算機故障指的是因為計算機部件的物理實(shí)現、環(huán)境影響、操作錯誤或者是設計缺陷等原因，引起計算機系統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)、故障恢復技術(shù)者幾個(gè)方面。計算機系統要容錯，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(shí)還必須要能夠判斷和定位故障所在的位置，此時(shí)就需要故障診斷技術(shù)來(lái)對故障所在位置進(jìn)行定位。在前面的基礎上就需要對故障進(jìn)行恢復，通過(guò)故障恢復技術(shù)將系統從故障狀態(tài)恢復到無(wú)故障時(shí)的狀態(tài)下繼續正常運行。
計算機容錯技術(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(shí)間冗余以及信息冗余這幾種。
二、硬件錯誤容錯方法分析
計算機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為計算機的硬件出現老化以及電路短路的原因所引起的。當永久性錯誤發(fā)生時(shí)，一些原定的功能就會(huì )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的。瞬態(tài)錯誤是計算機所發(fā)生的硬件錯誤中最多的一種錯誤，而且這種錯誤還呈現出一種幾何級數的增長(cháng)，這種錯誤對于計算機系統的可靠性的影響相當嚴重。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時(shí)，瞬態(tài)錯誤發(fā)生的頻率過(guò)高，超過(guò)了計算機系統所能夠容忍的范圍。
(一)硬件冗余方法
硬件冗余主要分為部分冗余和完全系統冗余這兩種。而完全系統冗余中又可以分為冷備、溫備、熱備以及雙工這4種。例如完全系統冗余中的雙系統主要就有雙系統冷備、雙系統溫備、雙系統熱備以及雙系統雙工這四種工作方式。其中雙系統雙工的方式主要應用于對于計算機系統的安全性以及實(shí)時(shí)性的要求較高的系統中。如果要求不高，那么則可以根據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)應用的較為廣泛。
在當前硬件冗余技術(shù)中研究的較多的是FPGAs。在這種方法中將整個(gè)硬件系統根據抽象的層次分為兩層：硬件層(PL)以及配置層(CL)。就當前而言，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據中附加上具有故障檢測或者故障恢復的冗余數據信息。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(guò)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(shí)間冗余
如果沒(méi)有采用硬件冗余的方法，并且對于實(shí)時(shí)性的要求不高的系統中，可以使用時(shí)間冗余的發(fā)放來(lái)實(shí)現容錯。在具體的系統中時(shí)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據在不同的時(shí)間段上執行同一指令集;(2)采用數據延遲設備和表決電路，將這兩者進(jìn)行結合，間數據的處理結果按照延遲時(shí)間的不同而復制出多個(gè)不同的版本，然后將這些所復制出來(lái)的信息遞交給表決器進(jìn)行對比，從中選出合適的結果，如圖1：
三、軟件錯誤容錯方法
對于任何一個(gè)計算機系統，光考慮它的硬件系統的可靠性是不夠的，因為計算機系統是硬件以及軟件的結合體，硬件可靠性高，而軟件的可靠性不足，那么這樣的系統也是不可靠的。但是在軟件的可靠性研究方面現在要遠遠落后與硬件可靠性的研究�，F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，認為對于同一個(gè)軟件的不同版本應該讓不同的團隊進(jìn)行獨立設計，在設計的過(guò)程中說(shuō)采用的方法、開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境以及開(kāi)發(fā)工具等都應該不同。這樣做的目的就是為了能夠減少這個(gè)軟件的不同版本在表決點(diǎn)上出現相關(guān)性錯誤的概率。但是每一個(gè)版本的軟件在設計的過(guò)程中都需要遵循這樣的幾個(gè)原則：(1)總體設計上要相同;(2)多樣化的模塊之間必須使用統一接口;(3)實(shí)現多樣性封裝;(4)必須要保證各個(gè)版本軟件在設計上的獨立性。
(二)采用恢復塊
這是一種向后恢復的方法。這種方法要求軟件系統能夠提供多個(gè)具有相同功能的模塊，其中一個(gè)作為主塊，其余的作為后備塊。進(jìn)行測試時(shí)，先讓主塊投入運行，如果主塊不能夠通過(guò)驗收測試，那么通過(guò)相關(guān)的功能讓后備塊投入運行。這個(gè)過(guò)程中，會(huì )一直重復直到后備塊耗盡或者是有一個(gè)后備塊能夠通過(guò)測試為止，或者是當某一個(gè)程序的故障超出了當初軟件設計時(shí)的預期，產(chǎn)生了不可恢復的后果。這種方法要求在進(jìn)行設計時(shí)要能夠保證各塊之間的獨立性，防止出現相關(guān)性錯誤。同時(shí)還必須要注意的是驗收測試程序，必須要能夠保證它的正確性才能夠獲得正確的結果。
(三)防衛式程序設計方法
在這種方法之中并沒(méi)有使用傳統的容錯技術(shù)。當程序中出現錯誤或者不一致性時(shí)，這種方法都是程序中說(shuō)包含的各種錯誤檢查代碼與恢復代碼對這些錯誤進(jìn)行處理。當錯誤發(fā)生時(shí)，程序通過(guò)相關(guān)的錯誤處理的代碼，將對程序所出現的錯誤狀態(tài)進(jìn)行撤銷(xiāo)，并將程序恢復到一個(gè)正確的狀態(tài)中去，該種方法主要包括了錯誤檢測、破壞估計和錯誤恢復這三個(gè)方面。
總之，隨著(zhù)計算機系統規模的改變以及使用的廣泛，對系統的可靠性的要求越來(lái)越高，因此對于容錯技術(shù)的要求也越來(lái)越高。但是因為各種原因，當前在硬件容錯方面的研究要遠遠超過(guò)軟件容錯的研究。因此，在今后應該在軟件容錯技術(shù)方面多下功夫。
參考文獻：
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