計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方案

李群

摘 要計(jì)算機(jī)的核心是系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與安全性，直接影響著計(jì)算機(jī)運(yùn)行的效率，因此加強(qiáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性研究，有著現(xiàn)實(shí)的意義。文中對(duì)影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性因素，進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，并且提出了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)的具體方案。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方案，除了重點(diǎn)考慮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部因素外，還需要考慮外在因素的影響，全面的設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī) 系統(tǒng) 可靠性 設(shè)計(jì)方案

計(jì)算機(jī)被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，而且發(fā)揮著重要的作用，若計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性較差，則極易影響工程的項(xiàng)目設(shè)備運(yùn)行的安全性以及穩(wěn)定性。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性差，主要受到各種因素的影響，包括軟硬件系統(tǒng)，以及外部環(huán)境因素的影響，對(duì)此在開(kāi)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要進(jìn)行全面分析。

1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性分析

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)即CCS，其指的是利用計(jì)算機(jī)，借助相關(guān)輔助部件，并且與被控制對(duì)象相互聯(lián)系，以此達(dá)到控制目的。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性分析，即控制系統(tǒng)可靠性分析，主要是針對(duì)影響控制系統(tǒng)運(yùn)行安全與可靠性的因素，包括元器件設(shè)備、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、系統(tǒng)各單元MTTR等。在進(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)前，則需要對(duì)上述影響因素，進(jìn)行詳細(xì)的分析，再進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)分析

2.1 系統(tǒng)輸入可靠性分析

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行，需要輸入指定命令，由系統(tǒng)輸入運(yùn)行結(jié)果看，若輸入錯(cuò)誤，則極易造成系統(tǒng)輸出結(jié)果錯(cuò)誤，對(duì)此則需要仔細(xì)的選擇傳感器，確保傳感器的適用性與可靠性。如果系統(tǒng)選用的模擬傳感器，則輸入的放大電路，其最好是絕對(duì)值放大電路設(shè)計(jì)，并且需要設(shè)計(jì)輸入保護(hù)，以及濾波處理輸入信號(hào)，以此防止由于輸入信號(hào)較大，給系統(tǒng)接口造成損害。除此之外還需要仔細(xì)的研究傳感器故障原理，以此保證傳感器的可靠性與安全性。

2.2 系統(tǒng)輸出可靠性分析

影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸出的安全性與可靠性的因素較多，主要分為輸出執(zhí)行器、輸出傳輸線、輸出接口電路、輸出軟件等，這些因素的可靠性，直接影響著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸出的可靠性與安全性。因?yàn)橄到y(tǒng)輸出主要依靠驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器屬于高速運(yùn)轉(zhuǎn)元件，極易受到外界因素的影響，使得所存內(nèi)容被破壞，最終造成系統(tǒng)操作錯(cuò)誤。

2.3 診斷技術(shù)可靠性分析

當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，需要借助診斷技術(shù)，對(duì)檢測(cè)信號(hào)做有效判斷，以此判斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)。若想準(zhǔn)確的判斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)故障位置，則可以利用事故現(xiàn)象和系統(tǒng)故障之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，來(lái)確定故障位置，以此減少系統(tǒng)故障修復(fù)所花費(fèi)的時(shí)間，同時(shí)還能夠提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與安全性。

2.4 冗余與容錯(cuò)可靠性分析

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性影響因素中，冗余與容錯(cuò)設(shè)計(jì)比較重要。冗余技術(shù)主要分為工作冗余與后備冗余。工作冗余能夠支持系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行多次重復(fù)配置，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，若任意設(shè)備發(fā)生故障，則其會(huì)脫離控制系統(tǒng)，不會(huì)給系統(tǒng)造成影響。后備冗余指的是配置兩臺(tái)設(shè)備，將其中的一臺(tái)留作備用，若運(yùn)行設(shè)備發(fā)生故障，則后備設(shè)備將會(huì)投入系統(tǒng)中運(yùn)行，進(jìn)而確保系統(tǒng)的可靠性。計(jì)算機(jī)冗余系統(tǒng)主要包括并聯(lián)系統(tǒng)（冗余設(shè)計(jì)）、備用系統(tǒng)、表決系統(tǒng)，冗余設(shè)計(jì)的應(yīng)用性較強(qiáng)。容錯(cuò)設(shè)計(jì)指的承認(rèn)系統(tǒng)故障，確保系統(tǒng)故障后能夠繼續(xù)運(yùn)行，為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)容錯(cuò)能力，通常加設(shè)冗余設(shè)計(jì)，以此實(shí)現(xiàn)接替容錯(cuò)單元功能，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，同時(shí)故障系統(tǒng)能夠自動(dòng)修復(fù)，以此確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要可以分為硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)，因此可以作為設(shè)計(jì)的兩大部分。硬件系統(tǒng)主要是由各元器件以及信息技術(shù)等構(gòu)成，為了確保系統(tǒng)的可靠性，則需要做好運(yùn)維措施以及合理設(shè)計(jì)，可以遵循以下要點(diǎn)：

3.1.1 冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)方案

該方案的應(yīng)用較為廣泛，基于硬件運(yùn)行特點(diǎn)，則可以分為電路級(jí)冗余、靜態(tài)冗余、動(dòng)態(tài)冗余、混合冗余。電路級(jí)冗余設(shè)計(jì)，則需要遵循計(jì)算機(jī)控制機(jī)烯烴原則，即對(duì)系統(tǒng)模塊電路中的極管進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，以此確保運(yùn)行模塊故障后，容許電路能夠代替原有電路元件運(yùn)行；靜態(tài)冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)，多采用表決模塊，以此屏蔽系統(tǒng)異常，該設(shè)計(jì)方案中，主要是將單模塊，利用三模冗余進(jìn)行交替；動(dòng)態(tài)硬件冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)，主要是基于控制系統(tǒng)特點(diǎn)，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為多各模塊，構(gòu)成故障檢測(cè)模塊、故障定位模塊、系統(tǒng)恢復(fù)模塊等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)技術(shù)功能。混合容錯(cuò)設(shè)計(jì)方案，主要是將靜態(tài)冗余容錯(cuò)與動(dòng)態(tài)容錯(cuò)系統(tǒng)融合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性運(yùn)行目標(biāo)。

3.1.2 系統(tǒng)可靠性運(yùn)維方案

提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，則需要盡量做好系統(tǒng)維護(hù)措施，使用高性能元器件。元器件使用性能，與其運(yùn)行環(huán)境有著直接影響，尤其是溫度因素，對(duì)此需要設(shè)置電源散熱裝置和配置，提高元器件運(yùn)行可靠性。同時(shí)需要考慮元器件是基于功能組建在一起的，為了確保運(yùn)行的可靠性，則需要做好元器件焊接位置檢查，以及接觸部位檢查，防止出現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行故障。除此之外元器件的可靠性，直接影響著系統(tǒng)運(yùn)行，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)潔，減少元器件使用個(gè)數(shù)?；谟?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)，做好相關(guān)的防護(hù)措施，針對(duì)主要影響因素，包括雨雪因素、溫度因素、氣體因素等。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)，主要是進(jìn)行軟件容錯(cuò)設(shè)計(jì)與軟件編程規(guī)范。

3.2.1 構(gòu)建冗余系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)的容錯(cuò)能力設(shè)計(jì)，需要構(gòu)成冗余系統(tǒng)。基于相關(guān)原理，簡(jiǎn)化系統(tǒng)單元模塊，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，將控制系統(tǒng)分散設(shè)計(jì)為各個(gè)控制系統(tǒng)，再將其分解為獨(dú)立單元，基于系統(tǒng)性能，將其構(gòu)建為不同模塊。為了避免通信系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)點(diǎn)故障，給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)造成影響，可以使用CANBUS總線，以此來(lái)解決通信系統(tǒng)缺點(diǎn)，使其具備多主結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確保系統(tǒng)在任意節(jié)點(diǎn)內(nèi)，均能實(shí)現(xiàn)信息交互。

3.2.2 降低單元的MTTP

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中多采取模塊化設(shè)計(jì)，以此來(lái)降低單元MTTR，進(jìn)而使得系統(tǒng)故障時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位與維護(hù)，縮短系統(tǒng)MTTR，進(jìn)而提高系統(tǒng)可靠性。同時(shí)將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成診斷故障模塊，運(yùn)用診斷技術(shù)、自動(dòng)隔離技術(shù)等，提高系統(tǒng)故障處理速率。

3.2.3 軟件編程規(guī)范

計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)編程規(guī)范，其主要包括設(shè)置自檢程序、指令冗余法、設(shè)置軟件陷阱、WATCHDOG、輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的抗干擾技術(shù)，將上述技術(shù)進(jìn)行組合與完善，則能夠極大程度上提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全性與可靠性。

3.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)分析-通信系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，則可以遵循以下設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

（1）利用冗余技術(shù)以及設(shè)備，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行故障監(jiān)測(cè)，確保故障發(fā)生后的交替工作；

（2）利用現(xiàn)代化技術(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)級(jí)別。

（3）優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，合理組合設(shè)備，減少系統(tǒng)建設(shè)成本。

（4）使用高性能網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，同時(shí)考慮網(wǎng)絡(luò)升級(jí)需求以及擴(kuò)容需求。

層次化通信網(wǎng)可靠性設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

（1）接入層網(wǎng)絡(luò)體系中，使用OSI模型。該模型的首層是集線層，設(shè)備與集線層連接，則能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享，交換機(jī)的使用，能夠提高集線器的性能，具有網(wǎng)絡(luò)連接優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)資源完整轉(zhuǎn)發(fā)，以及端口識(shí)別，自動(dòng)判斷資源是否傳送，進(jìn)而提升系統(tǒng)可靠性。

（2）核心層設(shè)計(jì)。合理設(shè)計(jì)核心層，能夠?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)，提供高性能數(shù)據(jù)鏈路，確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及速率。同時(shí)能夠?qū)⒑诵膶勇酚蓞f(xié)議，轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)載模式，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度，快速恢復(fù)系統(tǒng)故障。

（3）分布層可靠性設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)分布層，則能夠?qū)崿F(xiàn)訪問(wèn)請(qǐng)求信息審核以及過(guò)濾，同時(shí)能夠拒絕不合理資源訪問(wèn)請(qǐng)求，若接入層和核心層路由協(xié)議，發(fā)生排斥或者不協(xié)調(diào)問(wèn)題，則需要重新分布資源信息，進(jìn)而確保通信網(wǎng)絡(luò)速率。通信分布層合理設(shè)計(jì)，則能夠使其具有較高的性能，確保網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成較多，集成了各子系統(tǒng)功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性，則需要對(duì)影響因素進(jìn)行全面的分析。對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，主要分為硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)做好細(xì)節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)與各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此確保系統(tǒng)的可靠性以及安全性。

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作者單位

武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院紡織服裝工程學(xué)院 湖北省武漢市 430074