第七講-系統(tǒng)配置與性能評價

1、第七屆系統(tǒng)構(gòu)成和性能評價系統(tǒng)可靠性：系統(tǒng)故障模型、可靠性模型和組合模型等計算公式、概念、評價標(biāo)準(zhǔn)性能評價方法軟件的容錯性系統(tǒng)可靠性的基本概念可靠性：系統(tǒng)的可靠性R(t )是指在t=0、系統(tǒng)正常的條件下，系統(tǒng)在時間區(qū)間0，t正常工作的概率?？捎眯裕合到y(tǒng)的可靠性A(t )是系統(tǒng)在時刻t可以執(zhí)行的概率。維度可能性：系統(tǒng)的維度可能性M(t )是指在系統(tǒng)故障后，在時間間隔t內(nèi)可以修復(fù)的概率。平均無故障時間(MTTF ) :將可靠性R(t )的系統(tǒng)的平均無故障時間(MTTF )定義為從t=0時到故障發(fā)生時的系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行時間的期望值如果是，MTTF=1/； 是指效率低，設(shè)備或系統(tǒng)在單位時間內(nèi)故障的預(yù)期次數(shù)，

2、并且假定為常數(shù)。平均故障修復(fù)時間(MTTR ) :可用性為A(t )的系統(tǒng)的平均故障修復(fù)時間(MTTR )設(shè)A1(t )是風(fēng)險函數(shù)Z(t)=0，系統(tǒng)初始狀態(tài)為1狀態(tài)的條件下為A(t )的特殊情況。假設(shè)修復(fù)率(t)=，則單位時間內(nèi)可修復(fù)的系統(tǒng)的平均次數(shù)為MTTR=1/。平均故障間隔時間(MTBF ) :在可靠性遵循指數(shù)分布的系統(tǒng)中，從任何時刻t0到故障的期待時間相等，有MTBF=MTTR MTTF。系統(tǒng)的可靠性計算一般的系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型如下所示串聯(lián)系統(tǒng)：如果系統(tǒng)的每個子系統(tǒng)的可靠性分別為R1、R2、Rn，則系統(tǒng)的可靠性R=R1*R2*Rn串聯(lián)連接的子系統(tǒng)越多，系統(tǒng)的可靠性就越低。如果系統(tǒng)中每個

3、子系統(tǒng)的效率分別為1、2、n，則系統(tǒng)的效率為=12、n。并行系統(tǒng)：假設(shè)系統(tǒng)中每個子系統(tǒng)的可靠性分別為R1、R2、Rn，則系統(tǒng)的可靠性R=1-(1-R1)*(1-R2)*(1-Rn )，并行子系統(tǒng)的數(shù)量越多，系統(tǒng)的可靠性越好。如果所有子系統(tǒng)的效率都為0，則系統(tǒng)的效率低下只有一個并行系統(tǒng)中真正需要的子系統(tǒng)，其馀的n-1子系統(tǒng)被稱為冗馀子系統(tǒng)。冗馀系統(tǒng)：m模塊冗馀系統(tǒng)包括m個(m=2n 1)相同的子系統(tǒng)和一個表確定器，且在用表確定器進(jìn)行投票之后，m個子系統(tǒng)中占據(jù)相同結(jié)果的輸出成為系統(tǒng)的輸出。如果m個子系統(tǒng)中n 1個以上的子系統(tǒng)正常工作，那么系統(tǒng)就正常工作并輸出正確的結(jié)果。如果所有子系統(tǒng)的可靠性都為R

4、0，則m模塊冗馀系統(tǒng)的可靠性r為。性能評價方法時鐘頻率法：計算機(jī)的時鐘頻率在一定程度上反映了機(jī)械速度的同一架構(gòu)的機(jī)器，工作頻率越高，速度就越快。 根據(jù)體系結(jié)構(gòu)的差異、指令系統(tǒng)的差異、各指令使用的設(shè)備的周期的差異，平均指令執(zhí)行速度只是對各種指令執(zhí)行速度加權(quán)后的平均值，不能完全反映實際的程序執(zhí)行速度。命令執(zhí)行速度法：表示機(jī)器運(yùn)算速度的單位是MIPS (每秒百萬的命令)、峰值MIPS、基準(zhǔn)程序MIPS、以特定系統(tǒng)為基準(zhǔn)的MIPS。為了測量計算機(jī)的科學(xué)計算速度，MFLOPS (每秒百萬次的浮點運(yùn)算速度)中，峰值MFLOPS和基準(zhǔn)程序測得的MFLOPS可以用于對同一系統(tǒng)中解決相同問題的不同算法的性能進(jìn)行

5、比較和評估，可以使用相同的源程序、相同的編譯器、相同的可以用于測試在同一執(zhí)行環(huán)境中不同系統(tǒng)中得到的浮點運(yùn)算速度，但是沒有考慮運(yùn)算部件和存儲器、I/O系統(tǒng)等速度之間的協(xié)調(diào)等。等效指令速度法：根據(jù)各種指令在程序中所占的比例來計算。 如果各指令的執(zhí)行時間為ti，則由于沒有考慮同等指令的執(zhí)行時間，n是指令類型數(shù)數(shù)據(jù)的長度，高速緩存的命中率，流水線效率帶來的不確定的指令執(zhí)行時間，因此如果采用等價指令速度法，則有可能偏離實際。數(shù)據(jù)處理速度法(pdr ) :用計算pdr值的方法測定機(jī)器的性能，pdr值越大機(jī)器的性能越好pdr是每指令每操作數(shù)的平均位數(shù)和每指令的平均運(yùn)算速度有關(guān)系的pdr值主要測定CPU和主存

6、儲器的速度，允許并行處理和指令預(yù)取的功能1991年9月停止使用。綜合理論性能法(CTP ) :美國政府為了限制高性能計算機(jī)的出口而設(shè)置的計算部件綜合性能推定方法。 CTP是每秒百萬次的理論計算MTOPS，于1991年9月1日生效。 CTP的估計方法首先計算處理部件的每個計算單元(例如，定點加法單元、定點乘法單元、浮點加法單元、浮點乘法單元)的有效計算速率r，并以不同的字長度進(jìn)行調(diào)整以獲得該計算單元的理論性能TP，然后獲得構(gòu)成該處理部件的所有計算單元TP基準(zhǔn)(Benchmark ) :Khrystone基準(zhǔn)程序：綜合整數(shù)基準(zhǔn)程序是用c語言編寫的。Linpack基準(zhǔn)程序：主要操作是浮點加法和浮點乘

7、法，結(jié)果用MFLOPS表示，用FORTRAN語言寫成。Whetstone基準(zhǔn)程序：主要由執(zhí)行浮點運(yùn)算、功能調(diào)用、數(shù)組修飾、條件遷移和超越函數(shù)的程序組成，測試結(jié)果用Kwips表示，用FORTRAN語言編寫。SPEC基準(zhǔn)： SPEC CPU2000基準(zhǔn)程序測試CPU、內(nèi)存系統(tǒng)和編譯器的性能，并以SPEC標(biāo)記、SPECint和SPECfp表示測試結(jié)果。TPC基準(zhǔn)： TPC開發(fā)的測試程序用于評估計算機(jī)的事務(wù)性能，包括事務(wù)、數(shù)據(jù)庫處理、企業(yè)管理和決策支持系統(tǒng)等。評估結(jié)果是每秒完成的事務(wù)數(shù)TPCTPC-A :在不同系統(tǒng)之間以性價比進(jìn)行比較，以評估在線交易環(huán)境中的數(shù)據(jù)庫和硬件性能TPC-B :測試不含網(wǎng)絡(luò)的

8、純事務(wù)量，以模擬企業(yè)的計算環(huán)境TPC-C :網(wǎng)上訂購系統(tǒng)的測試TPC-D :決策支持系統(tǒng)的測試TPC-w :基于web業(yè)務(wù)的測試標(biāo)準(zhǔn)可以視為服務(wù)器的測試標(biāo)準(zhǔn)。軟件的容錯性高品質(zhì)軟件的可靠性技術(shù)可分為兩類：避免錯誤的技術(shù)，是在開發(fā)中不使錯誤潛入軟件的技術(shù)，是進(jìn)行質(zhì)量管理，使軟件具有質(zhì)量所必需的技術(shù)，軟件工程中先進(jìn)的軟件開發(fā)和管理技術(shù)，在管理中避免錯誤。容錯技術(shù)是對不可避免的錯誤使影響最小的技術(shù)，主要采用冗馀的手段，以便在發(fā)生錯誤時不影響系統(tǒng)特性。冗馀是實現(xiàn)系統(tǒng)規(guī)定功能的所有資源，包含硬件、軟件、信息和時間，通過冗馀資源的加入，系統(tǒng)的可靠性大幅提高。主要冗馀技術(shù)：結(jié)構(gòu)冗馀、信息冗馀、時間冗馀、冗馀

9、附加。故障恢復(fù)策略有以下兩個方面：前向恢復(fù)：需要繼續(xù)向下進(jìn)行當(dāng)前計算，將系統(tǒng)恢復(fù)到一致的正確狀態(tài)，以補(bǔ)償當(dāng)前狀態(tài)不一致的情況的錯誤的詳細(xì)說明。向后恢復(fù)：系統(tǒng)恢復(fù)到以前的正確狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行。不適用于實時處理。軟件容錯的主要目的是通過提供充分的冗馀信息和算法程序，在系統(tǒng)實際執(zhí)行時發(fā)現(xiàn)程序設(shè)計的錯誤，采取補(bǔ)充措施，提高軟件可靠性，保證計算機(jī)系統(tǒng)整體的正常運(yùn)行。軟件容錯能力主要包括以下幾個方面：恢復(fù)塊方法：采用動態(tài)掩碼技術(shù)、反向恢復(fù)策略，提供具有相同功能的主塊和一些備份塊，其中一個塊是完全執(zhí)行段。 主模塊首先運(yùn)行，結(jié)束后進(jìn)行驗證測試，如果失敗，系統(tǒng)將在恢復(fù)現(xiàn)場后在備份模塊上運(yùn)行，以下同樣會用盡所有備份模塊發(fā)生異常處理。 在設(shè)計恢復(fù)塊時，確保主塊和備份塊之間的獨立性，避免相關(guān)錯誤的發(fā)生，并將兩者的共性錯誤最小化。 驗證測試程序完成故障檢測的功能，必須保證驗證測試程序的正確性。n版本的程序設(shè)計：靜態(tài)故障屏蔽技術(shù)采用前向恢復(fù)策略，在具有相同功能的n個程序上同時運(yùn)行，結(jié)果由多數(shù)決定。 n版本程序必須由不同的人使用不同的設(shè)計方法、不同的程序語言、不同的開發(fā)環(huán)境來實現(xiàn)，解決n版本程序需要減少投票點相關(guān)錯誤的概率的程序運(yùn)行的同步問題。 n版本的編程時間冗長，反復(fù)計算，表決會產(chǎn)生正確的結(jié)果。防衛(wèi)式程序設(shè)計：不采用傳統(tǒng)的容錯技術(shù)，當(dāng)程序