基于GSPN的計算機硬件系統可靠性分析

孔陽

摘 要：計算機的應用與普及改變了人們的生活方式，并且與其它技術相結合，對社會發展產生了重大影響?，F如今計算機已經成為了人們生活的一部分，計算機功能的正常發揮需要相關方面為其提供支持與保障，而計算機硬件系統作為其功能實現的基礎，需要做好維護工作。本文就基于GSPN的計算機硬件系統可靠性分析作簡要闡述。

關鍵詞：基于GSPN；計算機硬件系統；可靠性分析

中圖分類號：TP303 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）21-0031-02

對計算機硬件系統動態特征進行準確的表述，依據傳統的方法難以實現，因此需要通過其它方法來達成工作目標，對計算機在運行過程中其硬件系統變化進行準確的分析，基于GSPN對計算機的硬件系統進行可靠性分析，研究工作已經取得了一定成果。

1 可靠性問題產生原因

在計算機問世的時候可靠性問題就被提出，并且受到當時的技術與生產工藝條件的影響，正常運行的時間非常短，而隨著技術發展，計算機運行可靠性有所增加，但是仍然會存在某些方面問題，對于計算機可靠性的要求可以從以下方面來論述其原因。

隨著社會與技術的發展，計算機的功能在不斷的完善，并且其復雜性有所提升，系統在運行過程中出錯的概率相應的就會增加，因此需要對計算機采取一定措施降低其出錯的概率。結合到當下社會環境，信息時代數據信息量大，并且對于數據處理結果方面的要求高，計算機作為關鍵設備需要確保其能夠正常工作，某些關鍵崗位或者是部門一旦出現了問題就會造成難以預料的后果與損失。計算機工作的環境出現了變化，并且在某些情況下會受到濕度，溫度，振動等方面影響。干擾因素的存在增大的計算機出錯的可能性[1]。

2 可靠性概念及其它

可靠性是可信性在某一方面的屬性，系統的可靠程度可以將其定義為在一定的工作時間下，處于規定的工作狀態，規定的功能可以完成的概率?？煽慷扰c失效元件存在一定的聯系，元件的失效率可以將其分為三個階段，失效率最高的是在最初階段，其原因可能是在初期元件存在的缺陷與問題比較多，中間階段將其稱之為生存期，該階段元件趨于穩定，而經過了該時期之后失效率又會迅速的增加，也可以將其稱之為晚期失效期，三個不同的階段可以用一條曲線來表示[2]。

從數學的角度來講，系統可靠度是一個概率值，代表了系統平均使用壽命，并且對于不可維修或者是可以進行維修的系統來說，平均壽命的含義是存在區別的。系統的維修性則是表示在規定的條件下，依據規定的程序及方法應用從而使系統保持或者是恢復到到正常功能狀態，對系統的可維修性進行評估時，通常應用的是平均維修時間與可維修度進行表述。

3 傳統的可靠性評估方法

系統可靠性評估工作的方法包括了，故障樹分析方法，事件樹分析，二項式開展，可靠性框圖分析，狀態圖分析等，不同的方法其依據的理論基礎不同，分析問題的角度也會存在差異，所體現的優勢與不足也有差別。

4 GSPN

4.1 GSPN相關定義及表述

從廣義理論的層面，用八個元素組為基礎定義隨機Petri網，即GSPN=（P、T、I、O、H、M、W0、λ）。其中這些不同的字母其代表的含義也不相同，按照其排列先后順序，各字母所代表的含義依次是：庫所的全部有窮集合，變遷所有集合，輸入弧有窮集合，輸出弧有窮集合，禁止弧有窮集合，系統初始標識集合，弧權函數有窮集合，變遷集合對應于λ。

更詳細的表述如下：在計算機工作的過程中，元素用法庫所主要作用在于表述硬件系統的資源以及狀態；瞬時變遷是用于表述硬件系統工作過程中運行邏輯與控制；時間變遷則是表述了硬件系統運轉過程中不同的事件；有向弧則主要表述了計算機工作狀態情況下的時間與工作狀態的因果聯系；在計算機硬件系統運行過程中，禁止弧表述的是運行邏輯與控制；標記則主要是用來表述硬件系統和行為的變化。

GSPN是近年隨著Petri發展而產生的一種較新穎的分析方法，其主要針對的對象是系統性能。

4.2 硬件系統GSPN模型

庫所結構中的參數含義分別表示為：計算機硬件系統運行狀態正常時用P1標記，運行異常時用P2標記，存在臨時性的故障用P3標記，系統硬件發生永久性故障用P4標記，計算機異常并且可自動恢復用P5標記，計算機存在故障且無法自動恢復用P6標記，這種情況下需要工作人員進行維修與檢查[3]。

變遷含義的參數含義分別為：硬件系統運行階段出現異常情況用T1標記，永久性的故障用T2標記，臨時性的故障用T3標記，檢查維護以后系統轉入正常運轉狀態用T4標記，當發生故障時系統能自動恢復正常運轉用T5標記，無法使系統進行自恢復功能則標記為T6，故障無法解決，故障已經發生了變化并且成為了永久性故障時用T7標記。綜合計算機硬件系統的實際情況，分析得到模型的具體原理：在正常工作情況下，如果硬件系統的基本單元發生故障，并且其基本單元也出現異常，該異常情況是無法確定的，可能是永久性的故障，也可以是暫時性的。后者可以將其細分為兩種工作狀態，系統可以自動恢復至正常工作狀態和無法自動恢復到正常工作狀態。如果能夠自動恢復，在系統基本單元下可以自行恢復，如果無法進行自動恢復，就需要人工維修從而找出問題所在并解決。對于永久性的故障而言，需要通過人工維修的方式從而使其恢復到正常的工作狀態。

4.3 GSPN模型設計及硬件系統分析

簡化假設主要是針對于較為關鍵模型分析而言的，對于這一類型的模型分析，工作需要依據流程開展，首先是對運行狀態進行區分，判斷其屬于故障或者是正常的范圍，之后假設硬件系統基本單元存在的故障均可以在λ基礎上通過泊松過程實現，最后將所有硬件系統維修成功作為條件，使其處于維修率泊松過程中。從計算機硬件系統GSPN運作原理、作用分析，其作用是對計算機硬件系統的故障變化情況進行反饋，計算機運轉在正常工作狀態時用PW標記。硬件系統部分發生故障時用Pf來標記，由于某些因素產生了干擾使硬件系統的基本單元產生故障用Tf標記，Tr標記的故障情況可以通過一定的維修方式解決，之后系統可以恢復正常工作。endprint

建立模型后，模型中矩形表示計算機硬件系統發生了全局性故障，矩形Yi表示其故障的位置在第i個單元上，其中i=1、2、3。硬件系統基本單元如果出現了故障，那么則用圓形Xi表示，并且i=1、2、3，需要注意故障邏輯關系?？煽啃苑治鰟t主要是通過模型達成目標，同時需要建立硬件系統GSPN分析模型。

4.4 可靠性測評方法建立

首先是建立模型，之后對狀態圖進行化簡，依據化簡的結果建立方程組。單工備份系統中，包含了備份備件與工作部件，代表部件的令牌在庫所中的分布就代表了系統不同狀態。GSPN共有四個庫所，工作部件如果失效后就需要切換到備份部件，因此可以認為能夠進行修理的部分是備份部件，同時考慮到瞬間轉移存在，可以對狀態圖進行簡化。分別表示部份部件與工作部件二者故障率，之后通過系統模型對系統的可靠程度進行求解。

依據系統GSPN模型可以得到系統可達樹，將可達樹的每一個節點看作是模型中的狀態，就可以得到系統模型，此種方法可以將其稱作是同構法。

如果為系統建立Markov模型，或者是將系統同構改成是該模型，當系統部件增加時，模型狀態就會增加并且是呈現出指數狀態，對于GSPN模型而言，當系統部件增加時，模型變化只是處所中的令牌數，模型轉型，結構，處所都保持原有的狀況不變。

以CPU模塊的GSPN模型進行說明，假設庫所pc中初始標記為3，其含義是有三個CPU在剛開始工作的時候處于正常工作狀態，延時變遷則用來表述失效變遷這一過程，假設每個CPU模塊失效的時間服從于一定參數的指數分布隨機變量。因此變遷的點火率就依賴于庫所PC中標記個數，當庫所的標記個數出現變化時，點火率也會發生同樣的變化。在不同的表決系統下，能夠容忍失效的CPU數量是不同的，2/3表決系統，最多允許失效的CPU數量是1，當庫所標記只有一個標記時則表明系統失效。庫所中pec標記數則表示的是已經失效但是還沒有通過檢測的模塊數量。模塊失效后，可以分為兩類情況，一類是可以通過系統檢測機進行判斷，而另一類則是不能通過系統檢測機進行判斷。由于系統自檢與運行是保持同步的，因此就可以認為通過自檢來判斷模塊數量是不需要給予單獨時間的。庫所PCD標記數則表示已經檢測出故障，但是故障尚未能得到有效修理。如果模塊的故障無法進行檢測，就會進入到失效工作狀態，失效的模塊數則是通過pcf來表示，模塊修理的過程用TCR來表示。假設CPU修理模塊服從于某一參數的指數分布，并且可以同時對多個模塊進行修理，則變遷trc點火率可以通過相應的表達式表示。

5 GSPN方法改進研究

在通過隨機網定義了兩種不同的轉移，瞬間轉移從選通到點火無需時間，隨機延時轉移這一過程中需要的時間則是一個隨機變量并且服從指數分布。為了使隨機Petri網對系統分析與計算的能力增強。在某些情況下，需要對點火延遲時間賦予分布函數，從而使建模的過程中與實際工作二者間更加相符。但是從另一外方面來考慮，該模型本來就具有一定的復雜性，分析與模擬的能力增加后，模型求解問題也會變得更加的復雜，因此在使用該模型對計算機系統進行評價時，點火的過程通常都將其假設為0，或者是利用隨機函數，函數具指數分布，而此種做法又會與實際工作狀況不符[4]。

后來在研究工作進行過程中，研究人員提出了具有延時的DSPN（deterministic and stochastic Petri nets）模型，該模型擁有三種類型轉移，確定時延轉移，無需時間的瞬時轉移，隨機進延轉換。該模型與GSPN模型相比，其表述能力更強。但是由于其模型中存在確定時延轉移，無法通過建立方程組的方法進行求解，模型雖然具有一定好處，但是無法利用其對實際問題進行求解，對于此類模型，求解工作通通常是利用仿真方法。對該模型的確定時延轉移進行重構，從而獲得能夠逼近原有模型的GSPN模型。

6 結語

計算機及其相關技術與社會發展已經緊密的聯系在一起，并且隨著社會發展，計算機在生活中應用的范圍將會更加擴大化，功能更加強大的同時，對于其可靠性的要求也會相應提升。可靠性可以從不同的方面多個角度衡量，但是其基本的前提是能夠保證工作的正常開展。為了提升計算機硬件設施的可靠性就需要從影響到其可靠性的因素著手，從而使采用的措施具有針對性，以確保計算機能夠更好的為社會發展進步服務。

參考文獻

[1]谷春英，姚青山.基于GSPN的計算機硬件系統可靠性分析[J].微電子學與計算機，2013，（6）：122-125.

[2]馬進毅.基于GSPN的計算機硬件系統的可靠性研究[J].信息技術與信息化，2015，（8）：145-146.

[3]李寧.基于GSPN的計算機硬件系統可靠性研究[J].電子制作，2015，（11z）：31.

[4]陳靜.試論計算機硬件系統維護原則與方法[J].科技與企業，2015，（4）：113.endprint