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  第53题      
  知识点:   嵌入式系统   计算机系统的可靠性   可靠性   容错   系统的可靠性
  关键词:   故障   计算机系统   可靠性   嵌入式系统   热备份   容错   子系统   嵌入式        章/节:   嵌入式软件基础知识       

 
嵌入式系统中,容错技术可以提高计算机系统的可靠性。利用元件冗余可保证在局部故障时系统可正常工作。带有热备份的系统称为双重系统,它是(53)。因此只要有一个子系统正常工作,整个系统仍能正常工作。
 
 
  A.  两个子系统同步运行,当联机系统出错时,由备份系统接替故障机工作
 
  B.  备份子系统处于电源开机状态,一旦联机系统出错时立即切换到备份系统
 
  C.  两个子系统交替处于联机状态和自检状态
 
  D.  两个子系统并行工作,提高机器速度,一个子系统出错,放弃并行工作
 
 
 

 
  第52题    2020年下半年  
   50%
下列关于数据库系统的描述,不正确的是(52)。
  第65题    2019年下半年  
   48%
受控库存放的内容包括(64)文档和(65)代码。
  第44题    2019年下半年  
   50%
关于BootLoader,下列理解错误的是(44)。
   知识点讲解    
   · 嵌入式系统    · 计算机系统的可靠性    · 可靠性    · 容错    · 系统的可靠性
 
       嵌入式系统
        嵌入式计算机系统是与特定功能的设备集成在一起、且隐藏在这个功能系统内部为预定任务而设计的计算机系统。该计算机可对设备的状态进行采集,包括操作者的命令和受控对象的状态,按照设备所要求的、预先设定的特定规律进行计算,计算结果作为命令输出到设备的某些部件,控制某些操作,同时将人所关心的信息显示给操作者。一个典型的嵌入式系统如下图所示。
        
        嵌入式系统组成
        上述嵌入式系统的输入、处理、输出的各个部分,一般情况下都是通过软件运行完成的。因此嵌入式软件是嵌入式系统的重要组成部分,而且体现了系统的思想、方法和规律。
        在当今社会中,嵌入式系统已经和我们的生活息息相关,人们每时每刻都离不了嵌入式系统,如下图所示。
        
        嵌入式系统基本分类
        嵌入式系统一般是实时系统,《牛津计算机字典》对实时系统解释是:“系统的输入对应于一个外部物理世界的运动,而系统输出对应着另外一个物理世界的运动,而这两个运动的时间差必须在可接受的足够小的范围内,实时性就体现在从输入到形成输出所需的时间。”实时系统又进一步定义为硬实时系统和软实时系统两种,如下表所示。
        
        实时系统分类及其特性
        一般认为,嵌入式计算机相对于个人计算机或超级计算机,在软件或硬件上的资源是有限的,硬件资源体现在处理速度、功耗、存储空间等方面,软件资源指有限的应用、有限的操作系统支持、应用代码量少等方面。
        第一款大批量生产的嵌入式系统是美国1961年发布的民兵Ⅰ型导弹内嵌的D-17自动制导计算机。
        随着20世纪60年代早期应用开始,嵌入式系统的价格迅速降低,同时处理功能和能力获得快速提高。以第一款单片机Intel 4004为例,在存储器和外围芯片的配套使用下,实现了计算器和其他小型系统。1978年,美国国家工程制造商协会发布了可编程单片机的“标准”,涵盖了几乎所有以计算机为基础的控制器,如单板计算机、数控设备以及基于事件的控制器,使得微处理器得到了快速发展。
        无一例外,不断发展中的嵌入式计算功能的实现都通过用户需求驱动、顶层定义、硬件定义开始,但核心是软件的算法处理,实际上类似硬件功能通过不同软件的控制就可以实现不同用户所需要的嵌入式功能,如下图所示。
        
        嵌入式计算机的层次化架构
        当基础硬件接口、计算和存储资源、总线与网络乃至各种传感器、作动器、液压等以模块化、通用化、组合化等变得越来越成熟,他们就可以方便地组合成硬件平台。而软件却恰恰相反,基本是为满足人类某种新的设想或应用要求开始进行新的设计。这些设计从诸如领域、实现功能、性能、可靠性、安全性等方面,可以是全新理念设备、或是适应性修改升级等途径,都会导致软件有不同程度的差异。
        嵌入式系统具有以下特征:
        (1)嵌入式系统的时间敏感性。嵌入式实时系统对时间响应都是有要求的。例如对于一个设备的运动控制系统,从操作指令发出,嵌入式计算机根据指令和外部条件计算并输出到动作器的动作,要保证在所有的条件下、在确定的时间内产生所需的输出。这对于设计者来说,一般的实时系统都会围绕这个关键需求进行系统设计。另外为了满足时间敏感性要求,确保在最复杂行为和最大延时情况下,系统操作不发生延迟,要求处理器的利用率要有40%左右的余量。有时为满足某些强实时嵌入式系统的应答时间限定在毫秒级或更低,需要在高级语言中嵌入低级语言编程实现。
        (2)嵌入式系统的可靠性和安全性。嵌入式计算机系统的失效带来的可能是个人娱乐系统故障的微小损失,可能是铁路信号失效的巨额经济损失,也可能是战略武器控制等经济损失以及重大的社会政治影响等。所以在某种设计缺陷被诱发后,对于不同的系统需要采取不同的策略,例如对具有重大影响的系统,要求计算机或计算机软件对设计缺陷、制造缺陷等失效采取“永不放弃”的安全性设计技术,将损失控制在可接受的范围内。在有人为输入情况下,嵌入式系统还需考虑最大可能地减少人为失误所引起的系统失效。这些算法或机制可以是输入有效性合理性检查、硬件容错、软件容错、错误后的系统缓慢降级、系统进入安全模式等。
        (3)嵌入式软件的复杂性。软件复杂度取决于问题规模和复杂度。简单问题的软件可由个人完成,甚至可以进行软件正确性证明;即使过程中更换人员,花费少许时间就可掌握和维护。但如汽车控制、飞机控制等大型复杂软件,其需要根据复杂的外部输入、按照多变量物理规律和人们的预期,实现预定的功能。软件需要根据系统的外部事件及其组合,考虑各种处理、逻辑、时序、边界、超出边界的鲁棒性等进行详细算法和策略研究。还需要考虑如安全性、可靠性、维护性等质量要求。更困难的是大规模软件需要团队联合定义、并行开发、持续维护,同时考虑处理平台限制条件。
 
       计算机系统的可靠性
        计算机系统的可靠性是指在某一使用状态下,在用户所希望的时间里满意地完成了它的性能,这个所希望的时间和性能必须与使用者支付的费用相平衡。如把系统的状态简单地分为正常状态和故障状态来考虑的话,可靠性就是在时间间隔t内保持正常状态的概率,写作Rt),则从正常状态转向故障状态的概率就叫做不可靠性(fallacy),记为Ft),即Ft)=1-Rt)。衡量系统可靠性的指标是平均无故障时间(MTBF)和故障率(λ)。
               平均无故障时间(Mean Time Before Failures,MTBF)
               假设ti是第i次无故障间隔时间,N为故障次数,则
               一般情况下,用户都希望MTBF越大越好。
               故障率(λ
               MTBF和λ的关系是:
               λ=1/MTBF
               故障率的单位为1 FIT(failure unite)。
 
       可靠性
        (1)完备性。完备性评价指标及测量,如下表所示。
        
        完备性评价指标及测量
        (2)连续性。连续性评价指标及测量,如下表所示。
        
        连续性评价指标及测量
        
        (3)稳定性。稳定性评价指标及测量,如下表所示。
        
        稳定性评价指标及测量
        (4)有效性。有效性评价指标及测量,如下表所示。
        
        有效性评价指标及测量
        (5)可追溯性。可追溯性评价指标及测量,如下表所示。
        
        可追溯性评价指标及测量
        
 
       容错
        提高计算机可靠性的技术可以分为避错技术和容错技术。避错是指预防和避免系统在运行中出错。容错是指系统在其某一组件故障存在的情况下不失效,仍然能够正常工作的特性。简单地说,容错就是当计算机由于种种原因在系统中出现了数据、文件损坏或丢失时,系统能够自动将这些损坏或丢失的文件和数据恢复到发生事故以前的状态,使系统能够连续正常运行。容错功能一般通过冗余组件设计来实现。计算机系统的容错性通常可以从系统的可靠性、可用性和可测性等方面来衡量。
        冗余技术是计算机容错技术的基础,一般可分为下列几种类型。
        (1)硬件冗余。以检测或屏蔽故障为目的而增加一定硬件设备的方法。
        (2)软件冗余。为了检测或屏蔽软件中的差错而增加一些在正常运行时所不需要的软件。
        (3)信息冗余。除实现正常功能所需要的信息外,再添加一些信息,以保证运行结果正确性的方法。纠错码就是信息冗余的例子。
        (4)时间冗余。使用附加一定时间的方法完成系统功能。这些附加的时间主要用在故障检测、故障屏蔽等方面。
        在20世纪60年代,主要利用双处理机或双机的方法来达到容错的目的。例如把关键的元件(处理机、存储器等)或整个计算机设置两套:一套在系统运行时使用,另一套用做备份。根据系统的工作情况又可分为热备份和冷备份两种。
        (1)热备份(双重系统):两套系统同时同步运行,当联机子系统检测到错误时,退出服务进行检修,而由热备份子系统接替工作。
        (2)冷备份(双工系统):处于冷备份的子系统平时停机,或者运行与联机系统无关的运算,当联机子系统产生故障时,人工或自动进行切换,使冷备份系统成为联机系统。在冷备份时,不能保证从程序端点处精确地连续工作,因为备份机不能取得原来机器上当前运行的全部数据。
        20世纪70年代中期出现了软件和硬件结构的容错方法。该方法在操作系统的层次上支持联机维修,即故障部分退出后运行、进行维修并重新投入运行都不影响正在运行的应用程序。该结构的特点是系统内包括双处理器、双存储器、双输入输出控制器、不间断工作的电源,以及与之适应的操作系统等。因此上述硬件的任何一部分发生故障都不会影响系统的继续工作。系统容错是在操作系统控制下进行的,在每个处理机上都保持了反映所有系统资源状态的表格,以及本机和其他处理机的工作进程。
 
       系统的可靠性
        系统的可靠性是只保证系统正常工作的能力。这是对系统的基本要求,系统在工作时,应当对所有可能发生的情况都予以考虑,并采取适当的防范措施,提高系统的可靠性。系统的可靠性主要分系统硬件和软件的可靠性。衡量系统可靠性的重要指标是系统的平均故障间隔时间(Mean Time Between Failure, MTBF)和平均维护时间(Mean Time To Repair,MTTR)。前者指平均的系统前后两次发生故障的间隔时间,后者指发生故障后平均没修复所需要的时间。系统平均故障间隔时间越长,系统可靠性就越高;系统平均维护时间越短,则说明系统的可维护性就越高。
        要提高系统的可靠性需要从多个方面进行考察,采取多种相应的措施,可以选用可靠性较高的设备;在设计中尽可能地避免出错,在程序中设置各种检验措施,防止误操作和非法使用;采取软件和硬件的各种安全保障措施和操作,例如,对输入数据进行完整性检验,建立运行日志和审计跟踪,规定文件存取权限以及定期备份,等等。
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第53题    在手机中做本题