第七講系統配置與效能評價

2022-01-04 13:26:19 字數 3717 閱讀 4938

系統可靠性:系統的故障模型、可靠性模型和組合模型等計算;計算公式、概念和評價標準

效能評價方法

軟體容錯

系統可靠性的基本概念

可靠度:系統的可靠度r(t)是指在t=0時系統正常的條件下,系統在時間區間[0,t]內能正常執行的概率。

可用度:系統的可靠度a(t)是指系統在時刻t可執行的概率。

可維度:系統的可維度m(t)是指系統失效後,在時間間隔t內可被修復的概率。

平均無故障時間(mttf):可靠度為r(t)的系統的平均無故障時間(mttf)定義為從t=0時到故障發生時系統的持續執行時間的期望值,則

如果,則mttf=1/λ;λ為失效率,是指器件或系統在單位時間內發生失效的預期次數,假設為常數。

平均故障修復時間(mttr):可用度為a(t)的系統的平均故障修復時間(mttr)

設a1(t)是在風險函式z(t)=0且系統初始狀態為1狀態的條件下a(t)的特殊情況,則。

設修復率μ(t)= μ,是指單位時間內可修復系統的平均次數,則mttr=1/μ。

平均故障間隔時間(mtbf):對於可靠度服從指數分布的系統,從任一時刻t0到達故障的期望時間都是相等的,有mtbf=mttr+mttf。

系統的可靠性計算

常見的系統可靠性數學模型有:

串聯系統:

設系統各個子系統的可靠性分別為r1,r2,…,rn,則系統的可靠性r=r1*r2*…*rn;串聯的子系統越多,系統的可靠性越低。

如果系統的各個子系統的失效率分別為λ1,λ2,…,λn,則系統的失效率λ=λ1+λ2+…+λn。

併聯系統:

設系統各個子系統的可靠性分別為r1,r2,…,rn,則系統的可靠性r=1-(1-r1)*(1-r2)*…*(1-rn),併聯的子系統越多,系統的可靠性提高。

如果所有的子系統的失效率為λ0,則系統的失效率為;在併聯系統中只有乙個子系統是真正需要的,其餘n-1個子系統稱為冗餘子系統。

模冗餘系統:

m模冗餘系統由m個(m=2n+1)相同的子系統和乙個表決器組成,經過表決器表決後,m個子系統中占多數相同結果的輸出作為系統的輸出。

在m個子系統中,只要有n+1個以上子系統能正常工作,系統就能正常工作,輸出正確結果。

如果所有的子系統的可靠性為r0,則m模冗餘系統的可靠性r為。

效能評價方法

時鐘頻率法:計算機的時鐘頻率在一定程度上反映了機器速度;相同體系結構的機器,主頻越高,速度越快。由於體系結構的不同、指令系統的不同、各指令使用的機器週期的不同,平均指令執行速度僅僅是對各種指令執行速度加權後的平均值,並不能完全反映實際程式執行的速度。

指令執行速度法:表示機器運算速度的單位是mips(每秒百萬條指令),有峰值mips、基準程式mips和以特定系統為基準的mips。

用來衡量計算機的科學計算速度,mflops(每秒百萬次浮點運算速度),有峰值mflops和以基準程式測得的mflops;可用於比較和評價在同一系統上求解同一問題的不同演算法的效能,已可用於在同一源程式、同一編譯器以及相同的優化措施,在同樣執行環境下以不同系統測試得到的浮點運算速度;但沒有考慮運算部件與儲存器、i/o系統等速度之間相互協調等因素。

等效指令速度法:通過各類指令在程式中所佔比例進行計算得到。若各類指令的執行時間為ti,則等效指令的執行時間,n為指令型別數;由於沒有考慮資料的長度、快取記憶體的命中率、流水線的效率導致的不固定的指令執行時間,採用等效指令速度法可能會偏離實際。

資料處理速率法(pdr):採用計算pdr值的方法來衡量機器效能,pdr值越大,機器效能越好;pdr與每條指令和每個運算元的平均位數以及每條指令的平均運算速度有關;pdr值主要對cpu和主儲存器的速度進行衡量,允許並行處理和指令預取的功能,但不適合衡量機器的整體速度,沒有涉及快取記憶體、多功能部件等技術對效能的影響。2023年9月停止使用。

綜合理論效能法(ctp):美國**為限制較高效能計算機出口所設定的運算部件綜合性能估算方法。ctp以每秒百萬次理論運算mtops表示,2023年9月1日啟用。

ctp的估算方法是首先計算出處理部件每個計算單元(如定點加法單元、定點乘法單元、浮點加法單元、浮點乘法單元)的有效計算率r,再按不同字長加以調整,得出該計算單元的理論效能tp,所有組成該處理部件的計算單元tp的總和即為綜合理論效能ctp。

基準程式法(benchmark):

khrystone基準程式:綜合性的整數基準測試程式,用c語言編寫。

linpack基準程式:主要操作是浮點加法和浮點乘法操作,結果用mflops表示,用fortran語言編寫。

whetstone基準程式:主要由執行浮點運算、功能呼叫、陣列變址、條件轉移和超越函式的程式組成,測試結果用kwips表示,用fortran語言編寫。

spec基準程式:spec cpu2000基準程式可測試cpu、儲存器系統和編譯器的效能,測試結果以specmark、specint和specfp來表示。

tpc基準程式:由tpc開發的評價計算機事務處理效能的測試程式,用以評測計算機在事務處理、資料庫處理、企業管理與決策支援系統等方面的效能,評測結果用每秒完成的事務處理數tpc來表示。

tpc-a:用於評價在聯機事務處理環境下的資料庫和硬體的效能,不同系統之間用效能**比進行比較;

tpc-b:測試不包括網路的純事務處理量,用於模擬企業計算環境;

tpc-c:測試聯機訂貨系統;

tpc-d:測試決策支援系統;

tpc-w:基於web商業的測試標準,可看作是伺服器的測試標準。

軟體容錯

高質量軟體的可靠性技術分為兩類:

避錯技術,在開發過程中不讓差錯潛入軟體的技術,是進行質量管理,使軟體具有應有質量所必不可少的技術,軟體工程中先進的軟體開發和管理技術,在管理中避開錯誤。

容錯技術,對某些無法避開的錯誤使其影響降到最小的技術,使錯誤發生時不影響系統的特性,主要採用冗餘手段。

冗餘是指對所有實現系統規定功能來說是多餘的資源,包括硬體、軟體、資訊和時間,通過冗餘資源的加入使系統的可靠性得到較大的提高。

主要的冗餘技術:結構冗餘、資訊冗餘、時間冗餘、冗餘附加。

故障的恢復策略有兩種:

前向恢復:使當前計算繼續往下走,把系統恢復成連貫的正確狀態,彌補當前狀態不連貫的情況;需要有錯誤的詳細說明。

後向恢復:系統恢復到前乙個正確狀態,然後繼續執行;不適合於實時處理場合。

軟體容錯的主要目的是提供足夠的冗餘資訊和演算法程式,使系統在實際執行時能夠及時發現程式設計的錯誤,採取彌補措施,來提高軟體的可靠性,保證整個計算機系統的正常執行。

軟體容錯技術主要有:

恢復塊方法:動態遮蔽技術,採用後向恢復策略,提供具有相同功能的主塊和幾個後備塊,乙個塊就是乙個執行完整的程式段。主塊首先投入執行,結束後進行驗證測試,如果不通過,系統把現場恢復後由後備塊執行,以此類推,直到耗盡所有後備塊,產生異常處理。

設計恢復塊時,要保證主塊和後備塊之間的獨立性,避免相關錯誤的產生,使兩者的共性錯誤降到最低。驗證測試程式完成故障檢測的功能,必須保證驗證測試程式的正確性。

n版本程式設計:靜態故障遮蔽技術,採用前向恢復策略,用n個具有相同功能的程式同時執行,結果通過多數表決來決定。n版本程式必須由不同的人使用不同的設計方法、不同的程式語言、不同的開發環境來實現,以減少n版本程式在表決點上相關錯誤的概率;必須解決程式執行的同步問題。

n版本程式設計採用時間冗餘,重複計算,通過表決產生正確結果。

防衛式程式設計:不採用任一種傳統的容錯技術,對於程式中存在錯誤或不一致性,通過在程式中包括錯誤檢查**和錯誤恢復**,一旦發生錯誤,程式就能撤銷錯誤狀態,恢復到乙個已知的正確狀態中去。其實現的策略包括錯誤檢測、錯誤估計和錯誤恢復等三個方面。

提高軟體容錯能力,可以通過計算機平台環境、軟體工程和構造故障處理模組等途徑,也可以利用高階程式語言本身的容錯能力採取相應的策略。

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