«Методы проектирования и структуры отказоустойчивых ПЗУ»

Научный руководитель:
к.т.н., доц. Зинченко Ю.Е.

Введение

В современном мире основную ценность представляет информация и как следствие –одними из наиболее востребованных на рынке устройств, являются устройства ее обрабатывающие. Вычислительные средства все стремительней внедряются в производство и быт, становятся незаменимым инструментом для автоматизации разнообразных процессов во всех областях человеческой деятельности.

Меняются требования к характеристикам вычислительных комплексов, средствам и способам общения с ними. Основными при проектировании современных вычислительных устройств остаются задачи повышения производительности и надежности. Вопросы обеспечения надежности и повышения отказоустойчивости современных систем – одни из наиболее важных при их разработке, производстве и эксплуатации сложных технических устройств. Проблема обеспечения необходимого уровня надежности вычислительных систем связана с количественной оценкой показателей надежности на всех этапах проектирования. Основные показатели надежности закладываются на первых двух стадиях: стадии проектирования и производства, однако режими эксплуатации также влияют на надежность системы.

Надежность по отношению к техническим объектам и в соответствии со Стандартом определяется как «свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технологического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки».

Структура ПЗУ

Типичным примером части сложной вычислительных системы является представленная на рисунке 1 упрощенная структура запоминающего устройства (ЗУ) .

Рассмотрим способы повышения ее отказоустойчивости.

Рисунок 1 – Упрощенная структура запоминающего устройства (ЗУ).

Данная структура является типичным представителем простой нерезервируемой системы. Т.е. при отказе любого элемента система прекращает свое функционирование.

Методы повышения отказоустойчивости

Для увеличения надежности в данном случае можно пойти двумя путями: увеличение надежности элементной базы и создание избыточности (нагрузочная, временная, структурная).

Повышение отказоустойчивости путём увеличения надежности элементной базы

Рассмотрим повышение отказоустойчивости путём увеличения надежности элементной базы. В наше время элементы электронных схем являются достаточно надёжными (интенсивность отказов составляет 10 ^-4–10 ^-7 1/ч). Однако число таких элементов в современных системах достигает сотен тысяч, что значительно снижает работоспособность системы в целом. Современная технология не позволяет создавать элементы с более высокой надежностью. Таким образом повышение отказоустойчивости через увеличение надежности элементной базы на данном этапе развития технологий не представляется возможным.

Повышение отказоустойчивости путем создания нагрузочной избыточности.

Рассмотрим повышение отказоустойчивости путем создания нагрузочной избыточности. Нагрузочная избыточность может быть реализована путем облегчения механических, тепловых, электрических и других нагрузок элементов. Существенно повысить этим методом надежность средств вычислительной техники не удается т.к. вычислительные средства предназначены для преобразования не энергии из одного вида в другой, а информации в соответствии с заданным алгоритмом. Т.е. данные элементы, как правило, находятся в слабо нагруженном состоянии и уменьшение данной нагрузки не приведет к существенному увеличению надежности элементов.

Повышение отказоустойчивости путем создания временной избыточности.

Рассмотрим повышение отказоустойчивости путем создания временной избыточности. Данный способ заключается в повышении вычислительной мощности системы. В случае если время решения задачи( t з) меньше времени безотказной работы( t _б ), то оставшееся (избыточное t _б – t_з) время можно использовать на восстановление системы либо устранение ее сбоя. Благодаря этому не нарушается график выполнения задач системой. Временная избыточность также может применяться для повторного решения задачи и сравнения результатов. Недостатками данного метода являются труднопрогнозируемое время восстановления системы после сбоя и стремление использовать избыточное время для решения других задач, что, конечно, приводит к уменьшению объема временной избыточности. Введение временной избыточности ведет не к повышению надежности работы системы, а к получению более достоверных результатов работы системы.

Повышение отказоустойчивости путем создания структурной избыточности.

Рассмотрим повышение отказоустойчивости путем создания структурной избыточности. Если использовать в нашей системе общее резервирование с постоянно включенным резервом, то вероятность безотказной работы P ( t ) будет определяться следующей формулой

, где λ – интенсивность отказов единичного элемента системы,μ – интенсивность восстановления единичного элемента системы.

Наработка на отказ растет ли­нейно с ростом отношения μ/λ.

Сравнение зависимости вероятности безотказной работы нерезервированной и дублированной систем от произведения λt [2, с291] показывает, что резервирование с восстановлением позволяет существенно повысить отказоустойчивость техники при ее высокой ремонтопригодности.

Рисунок 2 – З ависимости вероятности безотказной работы нерезервированной и дублированной систем от произведения λ t .

• Дано обоснование актуальности и необходимости использования средств повышения отказоустойчивости ПЗУ.
     
• Рассмотрены и проанализированы основные способы и приемы построения отказоустойчивых ПЗУ.
     
• Определены дальнейшие направления поиска алгоритмов и способов построения отказоустойчивых ПЗУ.
    
• Установлено, что наилучший результат дает совместное использование структурной избыточности (резервирования с возможностью горячей замены) с помощью построения узлов, устройств и машин с изменяющейся логической структурой при возникновении отказов элементов, а также использование защищенного от сбоев программного обеспечения.

Данная работа заложила фундамент для дальнейшего продолжения разработки и определило основные приорит еты поиска в данном направлении.

Литература

• Сигорский В.П. – “ Математический аппарат инженера”, Киев, Техника 1977;
• Панфилов И.В., Половко А.М. – “ Вычислительные системы ”, М., Советское радио,1980;
• Погребинский С.П., Стр ельников В.П. – “Проектирование и надежность много процессорных ЭВМ”,М.,Радио и связь,1988;
• Готра З.Ю., Николаев И.М. – “Контроль качества и надежность микросхем”,М.,Радио и связь,1989.