Факторы, влияющие на снижение надёжности технических устройств

 СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОГРАММНЫХ И АППАРАТНЫХ ОТКАЗОВ

 Программные отказы  изделия и аппаратные отказы  имеют много общего, но во многом  существенно различаются. Общее  между ними:

а) невыполнение объектом заданных функций;

б) времена до отказов и времена устранения отказов носят случайный характер;

в) методы обработки статистических данных об отказах одинаковы, а потому статистические оценки показателей надёжности аппаратной и программной, полученные по результатам испытаний и эксплуатации, могут быть одинаковыми по своему названию: средняя наработка объекта на программный отказ, интенсивность программных отказов объекта и т.д. Возможны и объединённые (комплексные) оценки: средняя наработка объекта на программный и аппаратный отказ и т.п.

Вместе с тем отказы программные существенно отличаются от отказов аппаратурных:

а) отказ аппаратный зависит либо от времени, либо от объёма выполненной работы, а отказ программный – от той функции, которую выполняет изделие под управлением программы (точнее, от того, с какой вероятностью программа выйдет на такой участок, который содержит ошибку);

б) обнаружение и устранение аппаратного отказа (заменой отказавшего элемента исправным) не означает, что такой же отказ не повторится при дальнейшей работе изделия, а обнаружение и устранение отказа программного (исправление программы) означает, что такой отказ в дальнейшем не повторится;

в) программный отказ, обнаруживаемый при автономной проверке программы, может переходить в разряд недействующих, если состояние аппаратуры делает её нечувствительной к данному виду программного отказа. Например, если в программе ошибочно не предусмотрена программная защита от аппаратного сбоя, то это программный отказ, но если при этом в аппаратуре не возникает сбоя, то отказ программный становится недействующим;

г) прогнозировать возникновение аппаратных отказов сравнительно легко, а прогнозировать возникновение отдельных программных отказов трудно, а часто и невозможно. Для отдельных программных отказов трудно предвидеть время, когда они становятся действующими, а когда – недействующими;

 д) аппаратные отказы целесообразно подразделять на внезапные и постепенные, т.е. отказы, различные по своей физической природе, законам распределения времени до отказа, методам борьбы за снижение их вероятности. Программные отказы нет смысла делить на внезапные и постепенные. Они возникают, как только программа переходит на такой участок, который содержит "ошибку". В то же время они по природе своей не совпадают с внезапными аппаратными отказами. Вероятность их возникновения не связана с продолжительностью работы изделия, а связана с условной вероятностью того, что программа содержит ошибку в данной части программы, и вероятностью того, что изделие будет работать под управлением этой части программы.

ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ ОТКАЗОВ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

 Основными причинами, вызывающими нарушения нормального  функционирования ПО, являются: ошибки, скрытые в самой программе; искажение входной информации; неверные действия пользователя; неисправность аппаратных средств ИС, на которой реализуется вычислительный процесс. Ошибки, скрытые в программе при разработке сложного ПО возможно возникновение ошибок, которые не всегда удаётся обнаружить и ликвидировать в процессе отладки. В силу этого в программах остается некоторое количество скрытых ошибок. Они являются причиной неверного функционирования этих программ. Среди ошибок подобного рода можно выделить следующие характерные группы. Ошибки вычислений. Ошибки этой группы связаны с некорректной записью или программированием математических выражений, а также неверным преобразованием типов переменных. Вследствие этого получаются неправильные результаты. Логические ошибки. Эта группа ошибок является причиной искажения алгоритма решения задачи. К ошибкам подобного рода можно отнести неверную передачу управления, неверное задание диапазона изменения параметра цикла, неверное условие и другие ошибки. Ошибки ввода-вывода. Эти ошибки связаны с неправильным управлением ввода-вывода, формированием выходных записей, определением размера записей и другими неправильно свершёнными действиями. Ошибки манипулирования данными. К числу таких ошибок относятся: неверное определение числа элементов данных; неверные начальные значения, присвоенные данным; неверное указание длины операнда или имени переменной и другие ошибки. Ошибки совместимости связаны с отсутствием совместимости разрабатываемого или применяемого ПО с операционной системой или другими прикладными программами. Ошибки сопряжений. Группа этих ошибок вызывает неверное взаимодействие ПО с другими программами или подпрограммами, с системными программами, устройствами ЭВМ или входными данными. Искажение входной информации Указанная причина вызывает нарушение функционирования ПО, когда входные данные не попадают в допустимую область значения переменных. В этом случае возникает несоответствие между исходной информацией и возможностями программы. Неверные действия пользователя связаны с неправильной интерпретацией сообщений, с неправильными действиями пользователя при работе в диалоговом режиме. Часто эти ошибки являются следствием некачественной программной документации. Неисправность аппаратных средств ИС. Эти неисправности оказывают определённое влияние на характеристики надёжности ПО. Появление отказов или сбои в работе аппаратуры приводят к нарушению хода обработки информации и, как следствие, могут искажать как исходные данные, так и саму программу. Следствием появления ошибок в программе является её отказ. Последствия отказов ПО можно разделить на: – полное прекращение выполнения функций программы; – кратковременное нарушение хода обработки информации в ИС. Степень серьёзности последствий отказов ПО оценивается соотношением между временем восстановления программы после отказа и динамическими характеристиками объектов, использующих результаты работы этой программы. Аварийное завершение работы прикладного ПО легко идентифицируется, так как операционная система выдаёт сообщения, содержащие аварийный код. Характерными причинами появления аварийного завершения являются ошибки при выполнении макрокоманды, неверное использование методов доступа, нарушение защиты памяти, нехватка ресурсов памяти, неверное использование макрокоманды, возникновение программных прерываний, для которых не указан обработчик, и другие причины.

ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЁЖНОСТИ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ХРАНЕНИИ ИНФОРМАЦИИ

Хранение информации в ИС производится как на программном, так и на аппаратном уровне. Если говорить о программном уровне, то в качестве информационных хранилищ могут рассматриваться базы и банки данных и знаний. Поскольку и те и другие являются программными продуктами, то они обладают теми же свойствами и характеристиками, что и программное обеспечение вообще. Если говорить об аппаратном уровне, то основным аппаратным средством, предназначенным для хранения информации, является память компьютера. Она имеет иерархическую организацию и состоит из верхней памяти, внешней памяти и съемных хранилищ. Верхняя память состоит из регистров процессора, составляющих внутреннюю память процессора, кэш-памяти, разделяемой в современных ЭВМ на два уровня, и оперативной памяти, реализованной в настоящее время чаще всего на базе микросхем динамической памяти с произвольным доступом. К внешней памяти относится жёсткий фиксированный магнитный диск (винчестер). Съёмные хранилища представляют собой внешние накопители на магнитной ленте, магнитооптические диски и другие виды носителей. Верхняя память предназначена для кратковременного хранения информации в процессе выполнения компьютером программы. Оперативная память в современных компьютерах является полупроводниковым устройством. Модули оперативной памяти изготавливаются на основе интегральной технологии. В процессе работы этих устройств возникают ошибки, которые разделяются на неустранимые и корректируемые. Причинами неустранимых ошибок являются дефекты физического характера. Они заключаются в том, что некоторые элементы микросхем перестают изменять состояние при записи, вследствие чего считываемый с них код не соответствует переданному при записи. Неустранимые ошибки являются следствием дефектов производственного характера, старения или условий эксплуатации. Корректируемые ошибки носят случайный характер и не являются результатом неисправности модуля. Они вызываются причинами, начиная от воздействия помех в цепях питания, внешней радиации и кончая температурной нестабильностью в работе микросхем. Оба этих типа ошибок представляют серьёзную опасность, как во время работы программы, так и при хранении информации. Поэтому в компьютерах предусмотрены схемы выявления и коррекции ошибок. Модули оперативной памяти относятся к невосстанавливаемым элементам ИС и потому показатели надёжности для них аналогичны тем, которые описаны в главе 2. При этом следует иметь в виду, что надёжность современных модулей памяти весьма высока – среднее время наработки на отказ (среднее время безотказной работы) составляет сотни тысяч часов. Регистровая кэш-память представляет собой буфер между оперативной памятью и центральным процессором компьютера. Она обладает высокой скоростью передачи данных и сравнительно небольшим объёмом. В кэш-памяти кратковременно хранятся копии блоков данных тех областей оперативной памяти, к которым выполнялись последние обращения, и весьма вероятны обращения в ближайшие такты работы. Создается кэш-память на основе тех же технологий, что и оперативная память. Поэтому особенности её работы и характеристики надёжности соответствуют тем, которыми обладает оперативная память. В современных ЭВМ внешняя память представлена накопителями на жестких магнитных дисках (винчестерах). Магнитный диск представляет собой пластину круглой формы из немагнитного металла или пластика, покрытую слоем магнитного материала. Данные записываются на носитель и считываются с него с помощью магнитной головки, являющейся миниатюрным электромагнитом. Винчестеры предназначены для долговременного хранения информации как во время работы компьютера, так и в периоды его отключения. Отдельные элементы винчестера (диск, магнитная головка) можно считать функционально независимыми с точки зрения хранения информации, так как состояние магнитной головки не может оказать влияние на качество уже записанной на диск информации. Поэтому речь будет идти именно о дисковой части винчестера как невосстанавливаемом элементе ИС, отказы которых представляют собой наибольшую опасность для хранимой на них информации. Практика их эксплуатации показывает, что среднее время наработки на отказ для винчестеров растёт и для ряда моделей в настоящий момент достигает значения 1 200 000 ч. Оценим этот показатель. Для этого введём некоторые допущения. Пусть оцениваемые нами винчестеры находятся в периоде нормальной эксплуатации. Все винчестеры принадлежат к одной серии и введены в эксплуатацию одновременно. Установим режим работы – 24 часа в сутки в течение всего года. Кроме того, будем предполагать, что винчестеры поставлены на эксплуатацию после прохождения периода приработки. Это означает, что отказы, связанные с дефектами проектирования, монтажа, изготовления, не учитываются. Допущение о круглосуточной работе даёт основание предполагать, что остановки накопителей информации будут связаны с отключением электроэнергии, бросками тока и напряжения. С одной стороны, эти остановки приводят к ускоренному износу оборудования, а с другой – постоянная работа винчестера будет причиной достаточно быстрого износа механических элементов диска. Будем также считать, что любой отказ винчестера связан с полной или частичной потерей или искажением записанной информации. Можно предполагать, что чем дольше диск работает, тем более ценная информация на нём хранится. Поэтому ущерб, наносимый при выходе винчестера из строя через 5 лет, будет более ощутим, чем при его отказе через год. Следовательно, при эксплуатации компьютеров чрезвычайно важными являются мероприятия, связанные с обеспечением сохранности информации. Прежде всего, к ним необходимо отнести работы по созданию и поддержанию стабильного электропитания и необходимого микроклимата. Затем необходимо создать системы антивирусной защиты и профилактики. И, наконец, необходимо обеспечить сохранность информации путём применения систем резервного копирования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Липатов, И.Н. Надежность  функционирования автоматизированных  систем : конспект лекций / И.Н. Липатов. – Пермь : Изд-во Пермского ГТУ, 1996. – 67 с.

2. ГОСТ 27.002–89. Надежность  в технике. Основные понятия. Термины  и определения. – М. : Изд-во стандартов, 1990.

3. Надежность технических  систем и техногенный риск. МЧС  России : электронное учебное пособие. – URL : http:// www.obzh.ru/nad/.

4. Ермаков, А.А. Основы надежности  информационных систем : учебное пособие / А.А. Ермаков. – Иркутск : ИрГУПС, 2006. – 151 с.

5. Матвеевский, В.Р. Надежность технических систем : учебное пособие / В.Р. Матвеевский. – М. : МГИЭМ, 2002. – 113 с.