计算机可靠性

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1、计算机的可靠性描述计算机的可靠性描述可靠性的定义：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。计算机系统的可靠性：在给定的时间内，计算机系统能实施应有功能的能力。一个产品验收合格投入运营后，时间一长往往因零部件故障（振动、磨损种、积尘、温差、放电等）使整个产品不能正常工作，当排除故障后又能工作得很好。这时好时坏的性质可用该产品的可靠性来表示。例如，某种型号火箭发射 5 次，4 次失败，则以次数度量可靠性为 20%。再如，一架飞机因故障停飞 156 小时而预期满 3000 小时才大修，则以无故障时间度量可靠性为（1-156/3000）100%94.8% 由于计算机系统由硬件和软件组成，

2、它们对整个系统的可靠性影响呈现完全不同的特性：硬件和一般人工产品的机件一样，时间一长就要出毛病。软件则相反，时间越长越可靠。因为潜藏的错误陆续被发现并排除，它又没有磨损、氧化、松动等问题。所以，计算机的可靠性是指分别研究硬件的可靠性和软件的可靠性。硬件故障主要和零部件制造工艺、组装质量、自然损耗、易维护性有关。它和产品设计有关系但不直接。硬件的可靠性度量在计算机界比较统一，用平均两次故障相隔时间度时。如一台机器每 78 小时左右出一次故障，另一台 200 小时左右，则后者比前者可靠。 软件故障表现为程序计算结果有时正确有时不正确。例如，某些输入组常常出错，其余的则没有问题。这些缺陷的原因往往可

3、追溯到软件设计上，是软件的内在缺陷。如果能够排除则软件可靠性增加。但往往排除了一个缺陷又引发了另外几个潜藏故缺陷，这就引起可靠性降低。 软件的可靠性和正确性虽然都以运行结果是否正确来考察，但测试正确交付验收的软件不一定可靠。例如，某子程序取值随运行次数偏移，在忽略对其超值的警戒条件时，会导致实际使用中出现失败，如同若干小时后出病毒一样。同样，可靠的程序不一定正确。如例如，每当一组数进去必然出错非常稳定，一改就消除了。我们说它是可靠的，但改前却是错误的。 软件可靠性的度量和测试目前还没有形成公认的模型和方法，也谈不上标准。从数学上研究它是一随机过程。工程上则以概率统计方法处理。例如，人为播下 K

4、 个错误，经过一段时间查出 J 个错误，则认为可靠度是 J/K% 软件工程强调在软件设计开发当中注意提高可靠性，具体措施包括：增强模块的局部性、内聚性，减少数据关联（耦合） ；多用重用件、标准库例程；改进测试分析，找出更多潜藏错误等等可靠性是网络信息系统能够在规定条件下和规定的时间内完成规定的功能的特性。可靠性是系统安全的最基于要求之一，是所有网络信息系统的建设和运行目标。网络信息系统的可靠性测度主要有三种：抗毁性、生存性和有效性。 抗毁性是指系统在人为破坏下的可靠性。比如，部分线路或节点失效后，系统是否仍然能够提供一定程度的服务。增强抗毁性可以有效地避免因各种灾害(战争、地震等)造成的大面积

5、瘫痪事件。 生存性是在随机破坏下系统的可靠性。生存性主要反映随机性破坏和网络拓扑结构对系统可靠性的影响。这里，随机性破坏是指系统部件因为自然老化等造成的自然失效。 有效性是一种基于业务性能的可靠性。有效性主要反映在网络信息系统的部件失效情况下，满足业务性能要求的程度。比如，网络部件失效虽然没有引起连接性故障，但是却造成质量指标下降、平均延时增加、线路阻塞等现象。 可靠性主要表现在硬件可靠性、软件可靠性、人员可靠性、环境可靠性等方面。硬件可靠性最为直观和常见。软件可靠性是指在规定的时间内，程序成功运行的概率。人员可靠性是指人员成功地完成工作或任务的概率。人员可靠性在整个系统可靠性中扮演重要角色，

6、因为系统失效的大部分原因是人为差错造成的。人的行为要受到生理和心理的影响，受到其技术熟练程度、责任心和品德等素质方面的影响。因此，人员的教育、培养、训练和管理以及合理的人机界面是提高可靠性的重要方面。环境可靠性是指在规定的环境内，保证网络成功运行的概率。这里的环境主要是指自然环境和电磁环境。计算机的组成部分及功能 由运算器，控制器，存储器，输入装置和输出装置五大部件组成计算机，每一部件分别按要求执行特定的基本功能。 运算器或称算术逻辑单元（Arithmetical and Logical Unit） 运算器的主要功能是对数据进行各种运算。这些运算除了常规的加、减、乘、除等基本的算术运算之外，还

7、包括能进行“逻辑判断”的逻辑处理能力，即“与” 、 “或” 、 “非”这样的基本逻辑运算以及数据的比较、移位等操作。 存储器（Memory unit） 存储器的主要功能是存储程序和各种数据信息，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。存储器是具有“记忆”功能的设备，它用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。这些器件也称为记忆元件。由于记忆元件只有两种稳定状态，因此在计算机中采用只有两个数码“0”和“1”的二进制来表示数据。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1” 。日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中。计算机中处理的各种字符，例如英文字母、运算符号等

8、，也要转换成二进制代码才能存储和操作。 存储器是由成千上万个“存储单元”构成的，每个存储单元存放一定位数（微机上为 8 位）的二进制数，每个存储单元都有唯一的编号，称为存储单元的地址。 “存储单元”是基本的存储单位，不同的存储单元是用不同的地址来区分的，就好像居民区的一条街道上的住户是用不同的门牌号码来区分一样。 计算机采用按地址访问的方式到存储器中存数据和取数据，即在计算机程序中，每当需要访问数据时，要向存储器送去一个地址指出数据的位置，同时发出一个“存放”命令（伴以待存放的数据） ，或者发出一个“取出”命令。这种按地址存储方式的特点是，只要知道了数据的地址就能直接存取。但也有缺点，即一个数

9、据往往要占用多个存储单元，必须连续存取有关的存储单元才是一个完整的数据。 计算机在计算之前，程序和数据通过输入设备送入存储器，计算机开始工作之后，存储器还要为其它部件提供信息，也要保存中间结果和最终结果。因此，存储器的存数和取数的速度是计算机系统的一个非常重要的性能指标。 控制器（Control Unit）控制器是整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调地工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤有条不紊地进行操作及处理。 控制器从存储器中逐条取出指令，分析每条指令规定的是什么操作以及所需数据的存放位置等，然后根据分析的结果向计算机其它部分发出控制信号，统一指挥整个计算机完成指令所规定的

10、操作。因此，计算机自动工作的过程，实际上是自动执行程序的过程，而程序中的每条指令都是由控制器来分析执行的，它是计算机实现“程序控制”的主要部件。通常把控制器与运算器合称为中央处理器（Central Processing Unit-CPU） 。工业生产中总是采用最先进的超大规模集成电路技术来制造中央处理器，即 CPU 芯片。它是计算机的核心部件。它的性能，主要是工作速度和计算精度，对机器的整体性能有全面的影响。 输入设备(Input device)用来向计算机输入各种原始数据和程序的设备叫输入设备。输入设备把各种形式的信息，如数字、文字、图像等转换为数字形式的“编码” ，即计算机能够识别的用 1

11、 和 0 表示的二进制代码(实际上是电信号)，并把它们“输入” （INPUT）到计算机内存储起来。键盘是必备的输入设备、常用的输入设备还有鼠标器、图形输入板、视频摄像机等。 输出设备(Output device)从计算机输出各类数据的设备叫做输出设备。输出设备把计算机加工处理的结果（仍然是数字形式的编码）变换为人或其它设备所能接收和识别的信息形式如文字、数字、图形、声音、电压等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。通常把输入设备和输出设备合称为 I/O 设备（输入输出设备） 。一台微型计算机功能的强弱或性能的好坏，不是由某项指标来决定的，而是由它的系统结构、指令系统、硬件组成、软件配置等

12、多方面的因素综合决定的。但对于大多数普通用户来说，可以从以下几个指标来大体评价计算机的性能。 (1)运算速度。运算速度是衡量计算机性能的一项重要指标。通常所说的计算机运算速度（平均运算速度），是指每秒钟所能执行的指令条数，一般用“百万条指令秒”（mips，Million Instruction Per Second）来描述。同一台计算机，执行不同的运算所需时间可能不同，因而对运算速度的描述常采用不同的方法。常用的有 CPU 时钟频率（主频）、每秒平均执行指令数(ips)等。微型计算机一般采用主频来描述运算速度，例如，Pentium/133 的主频为 133 MHz，Pentium/800 的主

13、频为 800 MHz，Pentium 4 1.5G 的主频为 1.5 GHz。一般说来，主频越高，运算速度就越快。 (2)字长。一般说来，计算机在同一时间内处理的一组二进制数称为一个计算机的“字”，而这组二进制数的位数就是“字长”。在其他指标相同时，字长越大计算机处理数据的速度就越快。早期的微型计算机的字长一般是8 位和 16 位。目前 586（Pentium， Pentium Pro， Pentium，Pentium，Pentium 4）大多是 32 位，现在的大多装人都装64 位的了 (3)内存储器的容量。内存储器，也简称主存，是 CPU 可以直接访问的存储器，需要执行的程序与需要处理的数

14、据就是存放在主存中的。内存储器容量的大小反映了计算机即时存储信息的能力。随着操作系统的升级，应用软件的不断丰富及其功能的不断扩展，人们对计算机内存容量的需求也不断提高。目前，运行 Windows 95 或 Windows 98 操作系统至少需要 16 M 的内存容量，Windows XP 则需要 128 M 以上的内存容量。内存容量越大，系统功能就越强大，能处理的数据量就越庞大。 (4)外存储器的容量。外存储器容量通常是指硬盘容量（包括内置硬盘和移动硬盘）。外存储器容量越大，可存储的信息就越多，可安装的应用软件就越丰富。目前，硬盘容量一般为 10 G 至 60 G，有的甚至已达到 120 G。

15、 计算机的发展现代计算机的划代原则主要是依据计算机所采用的电子器件不同来划分的，这就是人们通常所说的电子管、晶体管、集成电路、超大规模集成电路等四代。一、第一代(19461958)：电子管数字计算机 计算机的逻辑元件采用电子管，主存储器采用汞延迟线、磁鼓、磁芯；外存储器采用磁带；软主要采用机器语言、汇编语言；应用以科学计算为主。其特点是体积大、耗电大、可靠性差、价格昂贵、维修复杂，但它奠定了以后计算机技术的基础。 二、第二代(19581964)：晶体管数字计算机 晶体管的发明推动了计算机的发展，逻辑元件采用了晶体管以后，计算机的体积大大缩小，耗电减少，可靠性提高，性能比第一代计算机有很大的提高

16、。 主存储器采用磁芯，外存储器已开始使用更先进的磁盘；软件有了很大发展，出现了各种各样的高级语言及其编译程序，还出现了以批处理为主的操作系统，应用以科学计算和各种事务处理为主，并开始用于工业控制。 三、第三代(19641971)：集成电路数字计算机 20 世纪 60 年代，计算机的逻辑元件采用小、中规模集成电路(SSI、MSI)，计算机的体积更小型化、耗电量更少、可靠性更高，性能比第十代计算机又有了很大的提高，这时，小型机也蓬勃发展起来，应用领域日益扩大。 主存储器仍采用磁芯，软件逐渐完善，分时操作系统、会话式语言等多种高级语言都有新的发展。 四、第四代(1971 年以后)：大规模集成电路数字计算机 计算机的逻辑元件和主存储器都采用了大规模集成电路(LSI)。所谓大规模集成电路是指在单片硅片上集成 10002000 个以上晶体管的集成电路，其集成度比中、小规模的集成电路提高了 12 个以上数量级。这时计算机发展到了微型化、耗电极少、可靠性很高的阶段。大规模集成电路使军事工业、空间技术、原子能技术得到发展，这些领域的