Синтез МСА

Рассмотрим математическую модель функционирования СА. Пусть анализируется последовательность длиной n разрядов.

Обозначим предыдущее состояние bj – состояние триггера. А следующее состояние обозначим bj1, тогда:

 

 

Таким образом, состояние каждого триггера зависит от состояние других триггеров, в соответствии с выражением, описывающим связи в одноканальном сигнатурном анализаторе.

 

Где aj = 1 при наличии соединения с выходом j триггера, и aj = 0 при отсутствие соединения.

 

Матрица S характеризует изменение состояния регистра. Эта матрица называется матрицей переходов.

 

Так как матрица S характеризует изменение состояния регистра от такта к такту, то это матрица переходов.

Предположим, что на вход регистра поступает 1 разряд входной последовательности ( 0 или 1 ).

V1 = {0 / 1 }

Так как запись анализа разряда производится в 1 триггер регистра, то его состояние может быть в следующем виде:

 

В соответствии с (1) после тактового сдвига состояния регистра может быть записана:

 

Если на вход поступает последовательность разрядов, причем старший поступает 1, то из-за линейности логических операций будет верно:

 

В отличии от S матрица H зависит и от входной последовательности. Такую матрицу называют проверочной матрицей.

 

 

 

Одноканальные сигнатурные анализаторы:

 

 

Входная последовательность:

10111010001010011011

1
0
1
1
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1

 

 

Для того, чтобы получить сигнатуру СМА, нужно построить матрицу h. Для получения матрицы h, необходимо в сдвиговый регистр подать 1 и все остальные нули. Для данной СМА нужно построить ее один раз.

 

1
0
0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0
0
0	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0
0	0	1	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0
0
0	0	1	0	1	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0
0	0	0	1	0	1	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0
0	1	0	0	1	0	1	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0
0
0	1	0	1	0	0	1	0	1	0	0	0	0	0	0	1	0	0
0
0
0
0	1	0	1	0	1	0	1	0	0	1	0	1	0	0	0	0	0
0

 

 

Работоспособность – состояние, при котором она выполняет заданные функции с параметрами, заданными технической документацией.

Ремонтопригодность – это приспособленность системы к предупреждению обнаружению и ликвидации отказов.

Долговечность – это свойство системы к длительной эксплуатации, при необходимом техническом обслуживании и ремонте.

Долговечность системы измеряется ее ресурсом ( наработка до предельного состояния ) и сроком службы ( календарная продолжительность эксплуатации до предельного состояния ).

Предельное состояние системы определяется не возможностью ее дальнейшей эксплуатации по дальнейшей причине:

1) Отказ, после которого восстановление невозможно или нецелесообразно.

2) Дальнейшая эксплуатация небезопасна.

3) Из-за низкой экономической эффективности дальнейшего использования.

Ремонтопригодность – затратами времени и средств на восстановление системы после отказа и на поддержание системы в работоспособном состоянии.

Технические системы могут быть ремонтируемыми и неремонтируемыми. Ремонтируемые имею срок службы и ресурсы. Определяемые снижением эффективности системы и целесообразность дальнейшего их эксплуатация.

Неремонтируемыми являются системы, ремонт которых невозможен или не предусмотрен нормативно технической, ремонтной или проектной документацией.

Сохраняемость – понимается свойство системы или ее элементов, сохранять свои параметры неизменными при определенных условий (колебание температуры, влажности, вибрация и т. д.)

 

Классификация отказов

Под отказом понимается событие, заключающееся полной или частичной работоспособностью системы.

Классификация отказов в зависимости:

1) По характеру изменение параметров до момента возникновения отказов. Отказ бывает: внезапный и постепенный.

2) По связи с другими отказанными. Отказ может быть: зависимый и независимый.

3) По возможности последующего использования. Отказы бывают: полные или частичные.

4) По характеру устранения отказа. Отказ может быть устойчивый или самоустраняющийся.

5) По наличию внешних проявлений бывают очевидный, явный или скрытый, неявный. Пример скрытый: распадающийся винчестер.

6) По причине возникновения. Отказы бывают: конструкционные, технологические и эксплуатационные.

7) По природе происхождения. Отказ может быть: естественный или искусственный, т.е. вызываемый намеренно. К примеру намеренно: испытание устройства на этапе проектирования, моделирования.

8) По времени возникновения отказа. Отказ: при испытаниях. Отказ периода приработке. Отказ периода нормальной эксплуатации. Отказ последнего периода эксплуатации.

 

Показатели надежности

Показатели безопасности: одним из важных показателей надежности ремонтируемых систем, является вероятность того, что наработка Tn превзойдет заданное время T.

 

Это вероятность, что при заданном времени не будет не отказа.

P(t) = 1 – F(t)

Где F(t) – это вероятность отказа, т.е. вероятность того, что система откажет хотя бы один раз в течении времени.

Для экспоненциального закона распределения. Вероятность безотказной работы вычисляется по времени.

 

Основными критериями безотказной системы являются следующими:

1) Безотказность больше времени.

2) Среднее число отказов системы за единицу времени.

3) Наработка на отказ. Т.е. среднее продолжительность работы системы между двумя критериями.

4) Гарантируемая или гамма процентная наработка до отказа. Вероятность того, что в пределах заданной наработке отказ системы не возникает.

Показатели ремонтопригодности:

1) Вероятность за заданное время.

2) Среднее время восстановления. Т.е. средние затраты времени на обнаружение и устранение.

3) Гамма процентное время восстановления. То есть время в течении которого восстановление работоспособность системы будет полностью осуществлено с вероятностью гамма. Выражено в процентах.

4) Коэффициент готовности. Определяет вероятность того, что система исправна в любой момент времени в промежутках плановой обслуживании и оценивается как отношение времени наработке на отказ к средней длительности работы на восстановление.

5) Коэффициент технического использования.

 

Показатели долговечности. Определяются ее ресурсом. А ресурс может быть временной или по объему выполненной работы.

Основные показатели:

1) Средний ресурс.

2) Гамма процентный ресурс. Т.е. суммарная наработка в течении которой система не достигает предельного состояния с вероятностью гамма выраженной в процентах.

3) Гамма процентный срок службы. Календарная продолжительность эксплуатации в течении которой система не достигает предельного состояния выраженной в гамма.

4) Показатели сохраняемости. Средний срок хранения – это средний срок хранения, в течение которых изменение параметров не превышает допустимых.

5) Гарантированный или процентный срок сохраняемости.

Нормальное функционирование системы зависит от действия составляющих ее элементов, т.е. вероятность безотказной работы системы зависит от безотказной работы системы.

 

Для обеспечения надежной работы всей системы, вводится понятие избыточности системы. Разделяют структурную и информационную избыточность.

Структурная избыточность определяется наличием дополнительных путей передачи сигналов. При отказе одного из элементов, его функции выполняют другие элементы. При нормальной работы системы дополнительные пути передачи невостребовательны.

Информационная избыточность. Определяется наличием в сигнале дополнительной информации, которая невостребовательная при нормальной работе всех элементов. А лишь при возникновении отказа. Введение избыточности увеличивает надежность всей системы за счет повышения безотказности.

Повышение ремонтопригодность достигается применение унифицированных блочных конструкций, устройств диагностики и индикации отказов.

 

 

Математические модели, которые учитывают их и реальных узлов. Основные методы надежности:

1) Метод расчета надежности по средним групповым. Исходными данными является среднее интенсивность отказов Лянда I (по числу элементов системы данной группы). И количество элементов в системе. Диапазон Лянда I выбирается из других систем и литературных источников. Тогда интенсивность системы:

 

2) Метод расчета данных по эксплуатации. При расчете используются данные различные по конструкции и назначении. Считается количество данных и элементов проектирования, наработка на отказ системы аналога при условии, что системы равны. Наработка на отказ проектированной системы вычисляется по следующему выражению:

3) Использование коэффициента пересчета с использованием эксплуатации. Коэффициент определяется выражением: Опытное поделить на расчетное. При проектированной системы:

Тнп = а*Тна.

4) Коэффициентный метод: исходными данными являются:
Ni - Количество элементов.
-интенсивность базового элемента
- интенсивность отказа i элемента.
Тогда параметр потока отказа определяется по выражению.


Самый простой и обладает высокой точности.

Все эти методы позволяют оценить надежность на этапе проектирования.

 

 

Методы повышения надежности

Все методы можно разделить на 4 группы:

1) Применения более надежных компонентов, которые выполняют тот же функционал.

2) Любая избыточность повышает надежность. Дублирование. Избыточность бывает: структурной, информационной, алгоритмической.
Структурная избыточность – это резервирование. Позволяет создавать надежную системы из ненадежной системы.

3) Улучшение условий эксплуатации. В процессе установки системы должна быть правильно выбрана компоновка элементов. Обеспечен отвод тепла, выделяющийся при работе и так далее. Пример: Персональный Компьютер. Радиатор ставиться на процессор.

4) Организация интенсивного профилактического обслуживания системы и отдельных ее элементов. Пример: убирать пыль, чистить, смазывать и так далее.

 

Первые два повышают надежность при проектировании устройства, системы. А 3 и 4 при работе системы или устройства в рабочем состоянии.

 

 

Резервирования при проектировании технических систем

Резервирование- это способ обеспечении надежности за счет дополнительных средств и возможностей избыточных по отношению к минимальным необходимым для выполнения требуемых функций.

Резервирование бывает общим и раздельным. В первом случае резервируется система в целом. Во втором случае – система резервируется по узлам, блокам и элементам.

Резервирование бывает постоянное или резервирование с замещением.

Резервирование постоянное: работает параллельно несколько резервирований.

Резервирование с замещения: резервные включаются только в случае отказа элементов. Пример: Жесткий диск – резервные кластера.

Основным параметром резервирования является его кратность:

M = (l – h)/h

L – общее число элементов, h – это число резервируемых элементов.

При общем резервировании, система представляет цепочку из элементов. Тогда вероятность безотказной работы.

 

При условии равной надежности основных и равных элементов при кратности m вероятность системы будет вычисляться по выражению:

 

При постоянном значении интенсивности отказа элементов параметр отказа цепочки – это сумма всех интенсивностей. И тогда вероятность безотказной работы может быть вычислено следующем образом:

 

При раздельном и общем резервировании вычисляется по следующем выражении:

 

При общем постоянном резервировании коэффициент эффективности вычисляется по следующем выражении:

 

Коэффициент эффективности при раздельном резервировании:

 

 

Программное резервирование. Проектирование ПО повышенной надежности

Надежность ПО – это вероятность безотказной работы в заданных условиям в течении определенного времени.

Ошибки в программном обеспечении возникают при разработке ПО, а также при эксплуатации, которые обусловлены ошибками в аппаратной части.

При проектировании ПО решается 2 задачи:

1. Выявление и исключение ошибок на этапе разработки ПО.

2. Проектирование отказоустойчивого ПО, которая выявляет ошибки программы за счет ошибок аппаратной части и восстанавливает нормальное состояние ПО.

Критерии оценки ПО:

1. Функциональные. То есть соответствие ПО с поставленной задачей.

2. Конструктивные характеристики, которые полностью характеризуют ПО. Сюда относят: сложность, надежность, используемые ресурсы и корректность.
Сложность бывает:
логическая – определяется числом операторов,
сложность взаимосвязи – число интерфейсов в программном модуле,
сложность вычислений – сложность математических вычислений,
сложность ввода вывода – что нужно вводить и что нужно выводить.
корректность – это правильность ПО с поставленной задачей. Некорректность – это некорректность текста программ, программных модулей и структур данных (90% ошибки ПО!!!).

Ошибки бывают: первичные, вторичные.

Первичные – синтаксические, алгоритмические, ошибки сопряжения, а также системные. Т.е. неправильное использование ресурсов.

Вторичные ошибки – искажение выходных результатов за счет не выявленных первичных ошибок. Поэтому 1/3 времени – это проектировании. 1/6 – это разработка ПО, 1/4 – это отладка модулей. 1/4 – это комплексная отладка всего ПО.

 

 

Виды контроля программ

Основные виды контроля:

· Статический

· Динамический

· Визуальный

Визуальный контроль – это проверка программы без использования компьютера. На первом этапе визуального контроля выполняется чтение программы, при этом особое внимание уделяется следующим элементам:

1. Комментарии и их соответствие к тексту программ.

2. Проверка всех условий в условных операторах и циклы.

3. Проверяется сложность логических выражений.

4. Возможность не завершения итерационных циклов.

Сквозной контроль программы – насколько корректно написана программа.

 

Статический контроль – проверка программы по ее тексту без выполнения с помощью инструментальных средств. Синтаксический контроль – выполняется компилятором. Проверка ошибок компилятора, необходимо проверять структурированность программ. Проверка соглашений, возможностей и т. д.

Контроль правдоподобия программы – выявление в тексте программы конструкций, в которых будучи синтаксически корректные могут содержать ошибку.

 

Основные неправдоподобные ситуации:

1. Использование в программе неинициализированных переменных.

2. Наличие в программе описание элементов, переменных, процедур, функций, меток, файлов в дальнейшем неиспользованных.

3. Наличие в тексте программы переменных, которые ни разу не использовались для чтения, после присвоения их значения.

4. Наличие в программе заведомо бесконечных циклов.

5. Верификация программ. Аналитическое доказательство их корректности. Здесь нужно отличать понятие надежность и корректность. Говоря о надежности обычно допускают небольшую вероятность ошибки. И поэтому оценивают вероятность появления таких ошибок. Надежность можно описано следующими характеристиками:
1. Целостность программного средства, т.е. способность его к защите от отказа.
2. «Живучесть» - способность входного контроля данных и их проверки в ходе работы.
3. Завершенность - это бездефектность готового программного средства.
4. Работоспособность – это способность программных средств к восстановлению после сбоев.

С учетом специфики появления ошибок в программе можно выделить 2 стороны понятия корректности.

1. Корректность, как точное соответствие цели разработки программы. При условии ее завершения.

2. Завершение программы, т.е. достижение программой конечной точки.

 

Динамический контроль – проверка правильности программы и ее выполнение на компьютере.

 

 

Цели принципы и этапы тестирования

Философия программиста и тестировщика противоположная.

Философия программиста – создать и не допустить ошибку.

Философия тестировщика – добиться ошибки.

 

Тестирование – это процесс выполнения программы с целью обнаружение в ней ошибок.

Существует два основных вида тестирования:

· Структурное тестирование - выполняется по принципу белого ящика. Т.е. текст открыт для проверки

· Функциональное тестирование – выполняется по принципу черного ящика. Т.е. текст не используется. Для полного тестирования нужно создать полный набор входных текстов всех возможных вариантов.

 

Структурное тестирование

В случае структурного тестирования происходит проверка логики программы. Полное тестирование – это такое тестирование, которое приведет к полному перебору всех возможных путей на графе передач управления программы.

Ни структурное, ни функциональное не может быть исчерпывающее. При тестировании программы комплексов можно выделить 4 этапа:

1. Тестирование отдельных модулей.

2. Совместное тестирование модулей.

3. Тестирование функций программного комплекса. Т.е. поиск различий между разработанной программой и ее внешней спецификации.

4. Тестирование всего комплекса в целом, т.е. поиск несоответствия созданного программного продукта, сформулированным ранее целям проектирования, которое отражено в техническом задании.

В первых 2-х этапах должны быть решены следующие задачи:

· Построение эффективного тестера

· Выбор способа комбинируемых модулей при создании тестируемого варианта программы.

 

Наиболее слабый критерий полноты структурного тестирования – это требование хотя бы однократного выполнение каждого оператора программы. Более сильный критерий – это требование, чтобы каждая ветвь алгоритма должен быть выполнен хотя бы один раз.

Для большинства программ покрытие операторов, подразумевает покрытие всех переходов.

Поэтому для такого тестирования является:

· Задача создания визуальных средств. Они позволяют накапливать информацию о покрытых и непокрытых ветвях всех используемых средств.

· Выделять разработчику еще непокрытые при тестировании участки программы.

· Поддерживать более мощный критерий полноты структурного тестирования.

 

 

Совместное тестирование модулей

Существует 2 подходя тестирование модулей:

· Пошаговый

· Монолитный

При монолитном тестировании сначала тестируется каждый модуль отдельно, а затем все модули объединяются в один.

При пошаговом тестировании – каждый модуль для своего тестирования подключается к уже проверенным модулем.

Для монолитного тестирования. Для того чтобы протестировать автономно протестировать каждый модуль, необходим вспомогательный модуль имитирующий тестированный модуль, а также определенный модуль заглушек.

При пошаговом тестировании модули не проверяются в изолированном друг от другу. Поэтому требуется либо драйвер, либо заглушки.

Достоинство монолитного тестирования:

1. Меньший расход машинного времени.

2. Больше возможности для параллельной работы на начальном этапе тестировании.

Достоинство пошагового тестирования

1. Меньшая трудоемкость.

2. Более раннее обнаружение ошибок в более ранних интерфейсах.

3. Легче производится отладка.

4. Результаты тестирования более совершены. И мы можем осуществить проверку быстрее.

При пошаговом тестировании используются 2 стратегии тестирования:

· Нисходящее

· Восходящее

Нисходящая стратегия – тестирование начинается с главного модуля. Так как при этой стратегии процесс проверки может продолжаться по-разному, то следует придерживаться следующих правил:

Модули, содержащие операторы ввода вывода должны подключаться как можно раньше.

Критические модули должны подключаться в первую очередь.

 

Восходящая стратегия – тестирование начинается с второстепенного модуля и заканчивается главным модулем. В этом случае нужен драйвер, который выполняет проверку ( тестирование ).

Нет проблем подключение следующего модуля.

Достоинство восходящего тестирования:

· Так как нет промежуточных модулей, нет проблем для создания теста.

· Нет возможности совмещение проектирования с тестированием.

· Нет трудностей вызывающие желание перейти к тестировании следующего модуля, не закончив тестирование предыдущего модуля.

Недостаток:

· Проверка всей структуры получается только в конце. После завершения тестирования второстепенных модулей.

 

Третий этап: проверка функций выполняется в помощью функционального тестирования.