Ошибки вследствие воздействия окружающей среды. Ошиб­ки этого типа могут возникать в результате воздействия электро­магнитного излучения при недостаточном экранировании или вследствие неисправностей оборудования кондиционирования воздуха.

Ошибки вследствие отклонения характеристик источников пи­тания. Резкое возрастание напряжения источника питания мо­жет серьезно снижать долговечность элементов электронной ап­паратуры. Вычислительные машины чувствительны даже к крат­ковременным понижениям и повышениям напряжения, поэтому они должны иметь соответствующую защиту. Заметим, что при возникновении отказа ЭВМ установить его истинную причину бывает нелегко, и причины многих ошибок часто остаются необъясненными [8].

3.4.2. Классификация неисправностей

Основными причинами сбоя в работе ЭВМ являются устой­чивые отказы элементов аппаратного оборудования, временное ухудшение характеристик элементов и внешние воздействия на работу вычислительной системы. Для моделирования и оценки надежности ЭВМ удобно классифицировать неисправности по временному признаку, разделяя их на постоянные и перемежаю­щиеся.

Постоянные неисправности часто могут вызываться катаст­рофическими отказами элементов. В этом случае отказ элемента является необратимым и устойчивым, а отказавший элемент подлежит ремонту или замене. Такие неисправности характери­зуются большой длительностью устранения, а интенсивность со­ответствующих отказов зависит от условий окружающей сре­ды. Так, например, обычно элемент характеризуется различны­ми интенсивностями отказов во включенном и выключенном состояниях.

Перемежающиеся неисправности вызываются временным ухудшением характеристик элементов или такими внешними воздействиями, как электрические наводки, снижение напряже­ния и импульсные помехи. Подобные неисправности характери­зуются ограниченной продолжительностью существования, и для их устранения не требуется ремонта или замены элементов. Эти неисправности проявляются в виде перемежающихся отказов.

3.4.3. Основные подходы к оценке надежности ЭВМ

Надежность вычислительной машины, как и любой другой физической системы, можно повысить, не прибегая к резервиро­ванию. В этом случае используются высоконадежные элементы и схемы с большим запасом надежности и уделяется повышен­ное внимание технологии изготовления и сборки. Такой подход предусматривает предотвращение неисправностей и бессбойную работу аппаратных средств. В течение долгого времени счита­лось, что без резервирования невозможно создать сверхнадеж­ные вычислительные системы, необходимые, например, для про­ведения исследований космического пространства и управления наземными или бортовыми системами в реальном масштабе времени. В последние годы надежность элементов ЭВМ су­щественно возросла, что позволило создавать более надежные не резервированные системы. Однако повышение надежности сопровождается усложнением вычислительных систем и увели­чением числа входящих в них элементов.

Другим подходом к созданию надежных вычислительных систем является обеспечение их отказоустойчивости. Такой под­ход не исключает появления неисправностей, но их неблагопри­ятное воздействие на работу системы предотвращается или ми­нимизируется путем введения той или иной формы избыточно­сти. Такая отказоустойчивая вычислительная система может сохранять работоспособность при заданном числе отказов, либо правильно выполнять программу при отказе определенного чис­ла элементов. Свойство отказоустойчивости обеспечивается за­щитным резервированием, которое может осуществляться тремя различными способами:

– введением избыточных логических элементов или резервированием на уровне вычислительных машин;

– введением избыточности в систему программного обеспе­чения, т. е. созданием дополнительных программ, обеспечиваю­щих защиту от ошибок или их исправление;

– введением временной избыточности, благодаря которой становится возможным повторение машинных операций.

С функциональной точки зрения введение избыточности мо­жет осуществляться в статическом или динамическом режиме.

3.4.4. Статическое резервирование

Влияние неисправностей можно исключить путем введения дополнительного оборудования, с тем чтобы при отказе одного из резервированных элементов выходные данные функциональ­ного модуля не менялись. Влияние неисправного элемента мгно­венно и автоматически блокируется благодаря наличию постоян­но включенных и одновременно действующих элементов. Такое резервирование называется статическим, так как блоки­рование отказа осуществляется автономно, без вмешательства в работу системы через какие-либо оконечные устройства ввода-вывода.

Резервирование со схемой голосования, являющееся наибо­лее важной формой блокирования отказов, было предложено автором работы, который разработал и проанализировал схему тройного резервирования элементов с мажоритарной функцией голосования. Резервирование такого рода стало эко­номически целесообразным с развитием технологии интеграль­ных схем. Одним из интересных примеров применения этого подхода является ЭВМ пусковой установки ракеты “Сатурн-5”. В этой вычислительной машине применяется тройное резерви­рование модульной схемы с мажоритарными элементами в цент­ральном процессоре и дублирование в основном запоминающем устройстве.

Для обеспечения отказоустойчивости систем передачи и хра­нения данных используются разработанные в технике связи коды с обнаружением и исправлением ошибок, а также специ­альные коды, предназначенные для быстрого кодирования и де­кодирования. В работе отмечается, что стоимость таких схем примерно в 1,5 раза больше стоимости схем без резерви­рования.

3.4.5. Динамическое резервирование

При динамическом резервировании влияние неисправностей может проявляться на выходах системы, однако предусматри­ваются средства их обнаружения, диагностики и устранения. Если возможность вмешательства человека исключается, то по­средством динамического резервирования системе придается свойство самовосстанавливаемости. Такой вид резервирования известен еще как резервирование за­мещением. Исправление ошибок обеспечивается за счет реали­зации повторных вычислений, например, способом обратного про­гона программы до возвращения к некоторой исходной точке программы.

3.4.6. Гибридное резервирование

В этой схеме в любой момент времени три или большее чис­ло модулей соединены с мажоритарным элементом. При отказе какого-либо модуля обнаруживается несовпадение его резуль­татов с выходами двух других, и он заменяется резервным [8].

3.4.7. Расчет времени наработки на отказ

Электрический режим использования элементов характеризуется коэффициентом нагрузки:

Кн = Nраб/ Nном ,

где Nраб – нагрузка на элемент в рабочем режиме;

Nном – номинальная, допустимая по ТУ нагрузка.

Контроллер – изделие с последовательным соединением элементов. Следовательно отказ хотя бы одного элемента приводит к отказу всего устройства.

Интенсивность отказов изделия L0 есть сумма сумма интенсивностей отказов всех входящих в изделие элементов: