系统架构设计笔记（92）—— 可靠性与故障模型

拼搏现实的明天。 2022-12-11 13:50 100阅读 0赞

## 1 故障的来源以及表现 ##

下面先介绍几个概念。  
（1）失效：硬件的物理改变。  
（2）故障：由于部件的失效、环境的物理干扰、操作错误或不正确的设计引起的硬件或软件中的错误状态。  
（3）错误（差错）：故障在程序或数据结构中的具体位置。错误与故障位置之间可能出现一定距离。

故障或错误有如下几种表现形式。  
永久性：描述连续稳定的失效 、 故障或错误。在硬件中，永久性失效反映了不可恢复的物理改变。  
间歇性：描述那些由于不稳定的硬件或变化着的硬件或软件状态所引起的 、 仅仅是偶然出现的故障或错误。  
瞬时性：描述那些由于暂时的环境条件而引起的故障或错误。

一个故障可能由物理失效 、 不适当的系统设计 、 环境影响或系统的操作员所引起。永久性失效会导致永久性故障。间歇性故障可能由不稳定 、 临界稳定或不正确的设计所引起。环境条件会造成瞬时性故障。所有这些故障都可能引起错误。不正确的设计和操作员失误会直接引起错误。由硬件的物理条件，不正确的硬件或软件设计，或不稳定但重复出现的环境条件所引起的故障可能是可检测的，并且可以通过替换或重新设计来修复；然而，由于暂时的环境条件所引起的故障是不能修复的，因为其硬件本身实际上并没有损坏。瞬时和间歇故障已经成为系统中的一个主要错误源。

## 2 几种常用的故障模型 ##

故障的表现形式千差万别，可以利用故障模型对千差万别的故障表现进行抽象。故障模型可以在系统的各个级别上建立。一般说来，故障模型建立的级别越低，进行故障处理的代价也越低，但故障模型复盖的故障也越少。如果在某一级别的故障模型不能包含故障的某些表现，则可以用更高一级别的模型来概括。下面介绍几种常用的故障模型。

### 2.1 逻辑级的故障模型 ###

固定型故障指电路中元器件的输入或输出等线的逻辑固定为 0 或固定为1，如某线接地 、 电源短路或元件失效等都可能造成固定型故障。

短路故障是指一个元件的输出线的逻辑值恒等于输入线的逻辑值；

元件的开路故障是元件的输出线悬空，逻辑值可根据具体电路来决定。

桥接故障指两条不应相连的线连接在一起而发生的故障。

### 2.2 数据结构级的故障 ###

故障在数据结构上的表现称为差错。常见的差错如下。

独立差错：一个故障的影响表现为使一个二进制位发生改变。

算术差错：一个故障的影响表现为使一个数据的值增加或减少 2i(i= 0 ，1，2， …)。

单向差错：一个故障的影响表现为使一个二进制向量中的某些位朝一个方向（ 0 或1）改变。

### 2.3 软件故障和软件差错 ###

软件故障是指软件设计过程造成的与设计说明的不一致的情况，软件故障在数据结构或程序输出中的表现称为软件差错。与硬件不同，软件不会因为环境压力而疲劳，也不会因为时间的推移而衰老。因此，软件故障只与设计有关。

常见的软件差错有以下几种。  
非法转移：程序执行了说明中不存在的转移。  
误转移：程序执行了尽管说明中存在，但依据当前控制数据不应进行的转移。  
死循环：程序执行时间超过了规定界限。  
空间溢出：程序使用的空间超过了规定的界限。  
数据执行：指令计数器指向数据单元。  
无理数据：程序输出的数据不合理。

### 2.4 系统级的故障模型 ###

在系统级上的表现为功能错误，即系统输出与系统设计说明的不一致。如果系统输出无故障保护机构，则故障在系统级上的表现就会造成系统失效。

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