Надежность вычислительных систем

Надежность ВСопределяется, с одной стороны, отсутст­вием отказов, сбоев и ошибок в ее работе, с другой - воз­можностью быстрого восстановления аппаратуры и вы­числительного процесса.

Надежность—свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транс­портирования.

Здесь и далее под «объектом» понимается либо ВС, либо ее подсистема (ЭВМ, устройство, элемент и т. д.) 1

Надежность—сложное свойство, которое в зависимо­сти от назначения объекта и условий его применения со­стоит из сочетаний свойств:

0. безотказности;

1. достоверности функционирования;

2. долговечно­сти;

3. ремонтопригодности;

4. сохраняемости (ГОСТ 27.002—83).

Безотказность—свойство объекта непрерывно сохра­нять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки.Наработка —объем работы объекта.

Чаще всего наработка выражается через время работы объекта, но наработка может быть выражена в другой форме (количество циклов работы, количество решенных задач и др.).

Достоверность функционирования - это свойство машины, определяющее безошибочность производимых ЭВМ преобразований информации и характеризуемое закономерностями появления ошибок из-за случайных сбоев. Сбой сопровождается искажением информации при операциях передачи, хранения и обработки. Достоверность функционирования ЭВМ можно оценить средним временем наработки на один сбой Тс или средним временем восстановления достоверности информации после сбоя Тв.с..

Отказ — событие, заключающееся в нарушении рабо­тоспособности объекта. Как правило, отказ вызван фи­зическим разрушением элемента ЭВМ (внезапный отказ) или постепенным ухудшением ее характеристик (постепенный отказ).

Сбой — кратковременное нарушение правильной рабо­ты вычислительного устройства или ее элемента, после которого его работоспособность самовосстанавливается или восстанавливается оператором без проведения ре­монта (ГОСТ 19542—83).Считается, что сбои вызваны внутренними или внешними помехами электромагнитно­го характера.

Ремонтопригодность ЭВМ- это степень приспособленности ЭВМ к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и характеризуется потерей времени на устранение неисправностей, т.е. средним временем восстановления работоспособности после отказа:Tb.o.(t) =ti/m, гдеti- время восстановления (ремонта) послеi-го отказа,m- число отказов за времяt.

Долговечность ЭВМ - свойство машины при установленном для нее обслуживании сохранять указанные в технической документации характеристики в течение определенного времени хранения и эксплуатации.

Сохранность машины - свойство ЭВМ сохранять исправное состояние при хранении в условиях, оговоренных технической документацией.

Эксплуатационные ресурсы - это ресурсы, необходимые для нормальной эксплуатации машины: площадь помещений, штат обслуживающего персонала, особые требования к параметрам окружающей среды в помещениях (температура, вентиляция, пылезащищенность и др.)

Существует развернутая система государственных стандартов «Надежность в технике» (ССНТ), описываемая ГОСТ 27.001—81. Стандарты ССНТ разделены по группам, обозначаемым цифрой пос­ле точки в номере стандарта: 0 — общие вопросы надежности; 1 — нормирование надежности; 2—методы расчета надежности: 3—ме­тоды обеспечения надежности; 4—испытания и контроль надежности; 5—сбор и обработка информации о надежности. В таблице 1.1 приведены важнейшие с точки зрения обеспечения надежности ВМ и ВС стандарты ССНТ.

Таблица 1.1

ГОСТ

Наименование

27.002—83 27.003—83 27.103—83 27.104—84 27.201—81 27.301—83 27.410—83 27.502—83

Термины и определения Выбор и нормирование показателей надежно­сти. Основные положения Критерии отказов и предельных состояний. Ос­новные положения Признаки классификации отказов и предельных состояний. Общие положения Оценка показателей надежности при малом чис­ле наблюдений с использованием дополнительной информации. Общие положения Прогнозирование надежности изделий при про­ектировании. Общие требования Методы и планы статистического контроля по­казателей надежности по альтернативному приз­наку Надежность в технике. Система сбора и обра­ботки информации. Планирование наблюдений

Кроме стандартов ССНТ интерес представляют стандар­ты, приведенные в таблице 1.2.

Таблица 1.2

ГОСТ	Наименование
23564—79 19542—83 16325—76	Техническая диагностика. Показатели диагнос­тирования Совместимость вычислительных машин электро­магнитная. Термины и определения Машины вычислительные электронные цифро­вые общего назначения. Общие технические тре­бования

В названных стандартах определено более ста терминов из об­ласти надежности и смежных вопросов вместе с соответствующими английскими и французскими терминами, приведены некоторые ос­новные теоретические зависимости, рекомендуемые расчетные форму­лы, методы расчета, оценки и испытания на надежность. Стандарты служат основой при планировании и обеспечении надежности средств вычислительной техники.

Основные качества ЭВМ, связанные с ее надежностью, определяются распределением отказов во времени, про­цессами восстановления и организацией обслуживания. Улучшение надежности требует, как правило, дополни­тельных затрат при разработке, изготовлении и эксплуа­тации системы по критерию минимума суммарных рас­ходов. Среди расходов необходимо учитывать расходы, связанные:

- с разработкой и изготовлением ЭВМ или ВС;

- на персонал, занятый ремонтом и техническим обслужи­ванием ЭВМ или ВС;

- определяемые последствиями отка­зов и простоев, снижением эффективности или производи­тельности системы, а также связанные с увеличением массы или габаритов системы и др.

В случае, когда отказ ЭВМ или ВС может повлечь за собой опасность для жизни людей, крупную аварию, уро­вень надежности выбирается из требования, чтобы веро­ятность отказа соответствовала практически невозмож­ному событию.

Надежность ВС и ее подсистем планируется на этапе разработки технического задания (ТЗ), закладывается на ранних этапах разработки—при эскизном проектиро­вании, обеспечивается на следующих этапах разработ­ки—техническом и рабочем проектировании, реализует­ся в процессе производства и поддерживается в процессе эксплуатации.

Для сравнительной оценки отдельных путей обеспече­ния и повышения надежности применяются расчетные и экспериментальные методы.

Рассмотрим основные методы обеспечения надежности на этапах жизненного цикла ВС, которые могут быть включены в программыпообеспечению надежности.

Этап составления технического задания.На этом эта­пе наиболее важнособирать все имеющиеся данные об аналогичных или близких реализованных системах,а также данные об условиях применения ЭВМ или ВС и предъявляемых требованиях к функциям, выполняемым рассматриваемой системой. По совокупности этих данных разрабатываются обоснованные требования к надежности данной системы.

Этап эскизного проектирования.На данном этапевы­бирается элементная база, и определяются особенности структуры, архитектуры и организации разрабатываемой системы.По этим данным проводится предварительный расчет надежности, выявляются наименее надежные под­системы и принимаются на этой основе решения о резер­вировании системы или ее подсистем, а также решения о способах и организации технического обслуживания - профилактических и ремонтных работ. Исследуется и решается вопрос о целесообразности и способах реализа­ции методов автоматического восстановления и отказо­устойчивости в системе.

Этапы технического и рабочего проектирования.На этих этапахпроверяются и уточняются ранее принятые технические решения.Основой для этого служат уточнен­ные данные о надежности, полученные на основании рас­четов с учетом режимов работы и точной номенклатуры элементов системы, а также результаты экспериментов над моделями, макетами, опытными и промышленными образцами.

Разрабатывается программное обеспечение системы и проводится ее всесторонняя проверка по тестам и путем имитационного моделирования на моделиразрабатывае­мой ЭВМ.

Практически очень важным для обеспечения надеж­ности является обнаружение и исправление всех ошибок в разрабатываемой технической документации.

Этап производства.На данном этапе основным являетсятехнический контроль, охватывающий все стадии производственного процесса, начиная от входного конт­роля качества поступающих материалов и комплектую­щих изделий, включая контроль качества и соответствия технической документации, изготавливаемых печатных плат, блоков, устройств, схемных соединений, конструк­ции и заканчивая испытаниями готовой продукции. Вы­являются также отдельные недостатки в разработке, влияющие на надежность системы, и принимаются меры к их устранению.

Этап эксплуатации.Здесь важнейшими являютсякон­троль и обеспечение условий окружающей среды, предус­мотренных проектом, достаточная квалификация и состав обслуживающего персонала, организация и проведение технического обслуживания и ремонтов в предусмотрен­ном порядке.На этапе эксплуатации продолжается сбор сведений об отказах аппаратуры и программного обеспечения, ко­торые передаются разработчикам с целью устранения причин отказов и уточнения исходных данных для рас­чета надежности.