基于GSPN的計算機硬件系統(tǒng)可靠性分析

孔陽

摘 要：計算機的應(yīng)用與普及改變了人們的生活方式，并且與其它技術(shù)相結(jié)合，對社會發(fā)展產(chǎn)生了重大影響?，F(xiàn)如今計算機已經(jīng)成為了人們生活的一部分，計算機功能的正常發(fā)揮需要相關(guān)方面為其提供支持與保障，而計算機硬件系統(tǒng)作為其功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，需要做好維護工作。本文就基于GSPN的計算機硬件系統(tǒng)可靠性分析作簡要闡述。

關(guān)鍵詞：基于GSPN；計算機硬件系統(tǒng)；可靠性分析

中圖分類號：TP303 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）21-0031-02

對計算機硬件系統(tǒng)動態(tài)特征進行準確的表述，依據(jù)傳統(tǒng)的方法難以實現(xiàn)，因此需要通過其它方法來達成工作目標，對計算機在運行過程中其硬件系統(tǒng)變化進行準確的分析，基于GSPN對計算機的硬件系統(tǒng)進行可靠性分析，研究工作已經(jīng)取得了一定成果。

1 可靠性問題產(chǎn)生原因

在計算機問世的時候可靠性問題就被提出，并且受到當(dāng)時的技術(shù)與生產(chǎn)工藝條件的影響，正常運行的時間非常短，而隨著技術(shù)發(fā)展，計算機運行可靠性有所增加，但是仍然會存在某些方面問題，對于計算機可靠性的要求可以從以下方面來論述其原因。

隨著社會與技術(shù)的發(fā)展，計算機的功能在不斷的完善，并且其復(fù)雜性有所提升，系統(tǒng)在運行過程中出錯的概率相應(yīng)的就會增加，因此需要對計算機采取一定措施降低其出錯的概率。結(jié)合到當(dāng)下社會環(huán)境，信息時代數(shù)據(jù)信息量大，并且對于數(shù)據(jù)處理結(jié)果方面的要求高，計算機作為關(guān)鍵設(shè)備需要確保其能夠正常工作，某些關(guān)鍵崗位或者是部門一旦出現(xiàn)了問題就會造成難以預(yù)料的后果與損失。計算機工作的環(huán)境出現(xiàn)了變化，并且在某些情況下會受到濕度，溫度，振動等方面影響。干擾因素的存在增大的計算機出錯的可能性[1]。

2 可靠性概念及其它

可靠性是可信性在某一方面的屬性，系統(tǒng)的可靠程度可以將其定義為在一定的工作時間下，處于規(guī)定的工作狀態(tài)，規(guī)定的功能可以完成的概率?？煽慷扰c失效元件存在一定的聯(lián)系，元件的失效率可以將其分為三個階段，失效率最高的是在最初階段，其原因可能是在初期元件存在的缺陷與問題比較多，中間階段將其稱之為生存期，該階段元件趨于穩(wěn)定，而經(jīng)過了該時期之后失效率又會迅速的增加，也可以將其稱之為晚期失效期，三個不同的階段可以用一條曲線來表示[2]。

從數(shù)學(xué)的角度來講，系統(tǒng)可靠度是一個概率值，代表了系統(tǒng)平均使用壽命，并且對于不可維修或者是可以進行維修的系統(tǒng)來說，平均壽命的含義是存在區(qū)別的。系統(tǒng)的維修性則是表示在規(guī)定的條件下，依據(jù)規(guī)定的程序及方法應(yīng)用從而使系統(tǒng)保持或者是恢復(fù)到到正常功能狀態(tài)，對系統(tǒng)的可維修性進行評估時，通常應(yīng)用的是平均維修時間與可維修度進行表述。

3 傳統(tǒng)的可靠性評估方法

系統(tǒng)可靠性評估工作的方法包括了，故障樹分析方法，事件樹分析，二項式開展，可靠性框圖分析，狀態(tài)圖分析等，不同的方法其依據(jù)的理論基礎(chǔ)不同，分析問題的角度也會存在差異，所體現(xiàn)的優(yōu)勢與不足也有差別。

4 GSPN

4.1 GSPN相關(guān)定義及表述

從廣義理論的層面，用八個元素組為基礎(chǔ)定義隨機Petri網(wǎng)，即GSPN=（P、T、I、O、H、M、W0、λ）。其中這些不同的字母其代表的含義也不相同，按照其排列先后順序，各字母所代表的含義依次是：庫所的全部有窮集合，變遷所有集合，輸入弧有窮集合，輸出弧有窮集合，禁止弧有窮集合，系統(tǒng)初始標識集合，弧權(quán)函數(shù)有窮集合，變遷集合對應(yīng)于λ。

更詳細的表述如下：在計算機工作的過程中，元素用法庫所主要作用在于表述硬件系統(tǒng)的資源以及狀態(tài)；瞬時變遷是用于表述硬件系統(tǒng)工作過程中運行邏輯與控制；時間變遷則是表述了硬件系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中不同的事件；有向弧則主要表述了計算機工作狀態(tài)情況下的時間與工作狀態(tài)的因果聯(lián)系；在計算機硬件系統(tǒng)運行過程中，禁止弧表述的是運行邏輯與控制；標記則主要是用來表述硬件系統(tǒng)和行為的變化。

GSPN是近年隨著Petri發(fā)展而產(chǎn)生的一種較新穎的分析方法，其主要針對的對象是系統(tǒng)性能。

4.2 硬件系統(tǒng)GSPN模型

庫所結(jié)構(gòu)中的參數(shù)含義分別表示為：計算機硬件系統(tǒng)運行狀態(tài)正常時用P1標記，運行異常時用P2標記，存在臨時性的故障用P3標記，系統(tǒng)硬件發(fā)生永久性故障用P4標記，計算機異常并且可自動恢復(fù)用P5標記，計算機存在故障且無法自動恢復(fù)用P6標記，這種情況下需要工作人員進行維修與檢查[3]。

變遷含義的參數(shù)含義分別為：硬件系統(tǒng)運行階段出現(xiàn)異常情況用T1標記，永久性的故障用T2標記，臨時性的故障用T3標記，檢查維護以后系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)用T4標記，當(dāng)發(fā)生故障時系統(tǒng)能自動恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)用T5標記，無法使系統(tǒng)進行自恢復(fù)功能則標記為T6，故障無法解決，故障已經(jīng)發(fā)生了變化并且成為了永久性故障時用T7標記。綜合計算機硬件系統(tǒng)的實際情況，分析得到模型的具體原理：在正常工作情況下，如果硬件系統(tǒng)的基本單元發(fā)生故障，并且其基本單元也出現(xiàn)異常，該異常情況是無法確定的，可能是永久性的故障，也可以是暫時性的。后者可以將其細分為兩種工作狀態(tài)，系統(tǒng)可以自動恢復(fù)至正常工作狀態(tài)和無法自動恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。如果能夠自動恢復(fù)，在系統(tǒng)基本單元下可以自行恢復(fù)，如果無法進行自動恢復(fù)，就需要人工維修從而找出問題所在并解決。對于永久性的故障而言，需要通過人工維修的方式從而使其恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。

4.3 GSPN模型設(shè)計及硬件系統(tǒng)分析

簡化假設(shè)主要是針對于較為關(guān)鍵模型分析而言的，對于這一類型的模型分析，工作需要依據(jù)流程開展，首先是對運行狀態(tài)進行區(qū)分，判斷其屬于故障或者是正常的范圍，之后假設(shè)硬件系統(tǒng)基本單元存在的故障均可以在λ基礎(chǔ)上通過泊松過程實現(xiàn)，最后將所有硬件系統(tǒng)維修成功作為條件，使其處于維修率泊松過程中。從計算機硬件系統(tǒng)GSPN運作原理、作用分析，其作用是對計算機硬件系統(tǒng)的故障變化情況進行反饋，計算機運轉(zhuǎn)在正常工作狀態(tài)時用PW標記。硬件系統(tǒng)部分發(fā)生故障時用Pf來標記，由于某些因素產(chǎn)生了干擾使硬件系統(tǒng)的基本單元產(chǎn)生故障用Tf標記，Tr標記的故障情況可以通過一定的維修方式解決，之后系統(tǒng)可以恢復(fù)正常工作。endprint

建立模型后，模型中矩形表示計算機硬件系統(tǒng)發(fā)生了全局性故障，矩形Yi表示其故障的位置在第i個單元上，其中i=1、2、3。硬件系統(tǒng)基本單元如果出現(xiàn)了故障，那么則用圓形Xi表示，并且i=1、2、3，需要注意故障邏輯關(guān)系?？煽啃苑治鰟t主要是通過模型達成目標，同時需要建立硬件系統(tǒng)GSPN分析模型。

4.4 可靠性測評方法建立

首先是建立模型，之后對狀態(tài)圖進行化簡，依據(jù)化簡的結(jié)果建立方程組。單工備份系統(tǒng)中，包含了備份備件與工作部件，代表部件的令牌在庫所中的分布就代表了系統(tǒng)不同狀態(tài)。GSPN共有四個庫所，工作部件如果失效后就需要切換到備份部件，因此可以認為能夠進行修理的部分是備份部件，同時考慮到瞬間轉(zhuǎn)移存在，可以對狀態(tài)圖進行簡化。分別表示部份部件與工作部件二者故障率，之后通過系統(tǒng)模型對系統(tǒng)的可靠程度進行求解。

依據(jù)系統(tǒng)GSPN模型可以得到系統(tǒng)可達樹，將可達樹的每一個節(jié)點看作是模型中的狀態(tài)，就可以得到系統(tǒng)模型，此種方法可以將其稱作是同構(gòu)法。

如果為系統(tǒng)建立Markov模型，或者是將系統(tǒng)同構(gòu)改成是該模型，當(dāng)系統(tǒng)部件增加時，模型狀態(tài)就會增加并且是呈現(xiàn)出指數(shù)狀態(tài)，對于GSPN模型而言，當(dāng)系統(tǒng)部件增加時，模型變化只是處所中的令牌數(shù)，模型轉(zhuǎn)型，結(jié)構(gòu)，處所都保持原有的狀況不變。

以CPU模塊的GSPN模型進行說明，假設(shè)庫所pc中初始標記為3，其含義是有三個CPU在剛開始工作的時候處于正常工作狀態(tài)，延時變遷則用來表述失效變遷這一過程，假設(shè)每個CPU模塊失效的時間服從于一定參數(shù)的指數(shù)分布隨機變量。因此變遷的點火率就依賴于庫所PC中標記個數(shù)，當(dāng)庫所的標記個數(shù)出現(xiàn)變化時，點火率也會發(fā)生同樣的變化。在不同的表決系統(tǒng)下，能夠容忍失效的CPU數(shù)量是不同的，2/3表決系統(tǒng)，最多允許失效的CPU數(shù)量是1，當(dāng)庫所標記只有一個標記時則表明系統(tǒng)失效。庫所中pec標記數(shù)則表示的是已經(jīng)失效但是還沒有通過檢測的模塊數(shù)量。模塊失效后，可以分為兩類情況，一類是可以通過系統(tǒng)檢測機進行判斷，而另一類則是不能通過系統(tǒng)檢測機進行判斷。由于系統(tǒng)自檢與運行是保持同步的，因此就可以認為通過自檢來判斷模塊數(shù)量是不需要給予單獨時間的。庫所PCD標記數(shù)則表示已經(jīng)檢測出故障，但是故障尚未能得到有效修理。如果模塊的故障無法進行檢測，就會進入到失效工作狀態(tài)，失效的模塊數(shù)則是通過pcf來表示，模塊修理的過程用TCR來表示。假設(shè)CPU修理模塊服從于某一參數(shù)的指數(shù)分布，并且可以同時對多個模塊進行修理，則變遷trc點火率可以通過相應(yīng)的表達式表示。

5 GSPN方法改進研究

在通過隨機網(wǎng)定義了兩種不同的轉(zhuǎn)移，瞬間轉(zhuǎn)移從選通到點火無需時間，隨機延時轉(zhuǎn)移這一過程中需要的時間則是一個隨機變量并且服從指數(shù)分布。為了使隨機Petri網(wǎng)對系統(tǒng)分析與計算的能力增強。在某些情況下，需要對點火延遲時間賦予分布函數(shù)，從而使建模的過程中與實際工作二者間更加相符。但是從另一外方面來考慮，該模型本來就具有一定的復(fù)雜性，分析與模擬的能力增加后，模型求解問題也會變得更加的復(fù)雜，因此在使用該模型對計算機系統(tǒng)進行評價時，點火的過程通常都將其假設(shè)為0，或者是利用隨機函數(shù)，函數(shù)具指數(shù)分布，而此種做法又會與實際工作狀況不符[4]。

后來在研究工作進行過程中，研究人員提出了具有延時的DSPN（deterministic and stochastic Petri nets）模型，該模型擁有三種類型轉(zhuǎn)移，確定時延轉(zhuǎn)移，無需時間的瞬時轉(zhuǎn)移，隨機進延轉(zhuǎn)換。該模型與GSPN模型相比，其表述能力更強。但是由于其模型中存在確定時延轉(zhuǎn)移，無法通過建立方程組的方法進行求解，模型雖然具有一定好處，但是無法利用其對實際問題進行求解，對于此類模型，求解工作通通常是利用仿真方法。對該模型的確定時延轉(zhuǎn)移進行重構(gòu)，從而獲得能夠逼近原有模型的GSPN模型。

6 結(jié)語

計算機及其相關(guān)技術(shù)與社會發(fā)展已經(jīng)緊密的聯(lián)系在一起，并且隨著社會發(fā)展，計算機在生活中應(yīng)用的范圍將會更加擴大化，功能更加強大的同時，對于其可靠性的要求也會相應(yīng)提升?？煽啃钥梢詮牟煌姆矫娑鄠€角度衡量，但是其基本的前提是能夠保證工作的正常開展。為了提升計算機硬件設(shè)施的可靠性就需要從影響到其可靠性的因素著手，從而使采用的措施具有針對性，以確保計算機能夠更好的為社會發(fā)展進步服務(wù)。

參考文獻

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[3]李寧.基于GSPN的計算機硬件系統(tǒng)可靠性研究[J].電子制作，2015，（11z）：31.

[4]陳靜.試論計算機硬件系統(tǒng)維護原則與方法[J].科技與企業(yè)，2015，（4）：113.endprint