第七讲-系统配置与性能评价

1、第七届系统构成和性能评价系统可靠性：系统故障模型、可靠性模型和组合模型等计算公式、概念、评价标准性能评价方法软件的容错性系统可靠性的基本概念可靠性：系统的可靠性R(t )是指在t=0、系统正常的条件下，系统在时间区间0，t正常工作的概率。可用性：系统的可靠性A(t )是系统在时刻t可以执行的概率。维度可能性：系统的维度可能性M(t )是指在系统故障后，在时间间隔t内可以修复的概率。平均无故障时间(MTTF ) :将可靠性R(t )的系统的平均无故障时间(MTTF )定义为从t=0时到故障发生时的系统持续运行时间的期望值如果是，MTTF=1/； 是指效率低，设备或系统在单位时间内故障的预期次数，

2、并且假定为常数。平均故障修复时间(MTTR ) :可用性为A(t )的系统的平均故障修复时间(MTTR )设A1(t )是风险函数Z(t)=0，系统初始状态为1状态的条件下为A(t )的特殊情况。假设修复率(t)=，则单位时间内可修复的系统的平均次数为MTTR=1/。平均故障间隔时间(MTBF ) :在可靠性遵循指数分布的系统中，从任何时刻t0到故障的期待时间相等，有MTBF=MTTR MTTF。系统的可靠性计算一般的系统可靠性数学模型如下所示串联系统：如果系统的每个子系统的可靠性分别为R1、R2、Rn，则系统的可靠性R=R1*R2*Rn串联连接的子系统越多，系统的可靠性就越低。如果系统中每个

3、子系统的效率分别为1、2、n，则系统的效率为=12、n。并行系统：假设系统中每个子系统的可靠性分别为R1、R2、Rn，则系统的可靠性R=1-(1-R1)*(1-R2)*(1-Rn )，并行子系统的数量越多，系统的可靠性越好。如果所有子系统的效率都为0，则系统的效率低下只有一个并行系统中真正需要的子系统，其馀的n-1子系统被称为冗馀子系统。冗馀系统：m模块冗馀系统包括m个(m=2n 1)相同的子系统和一个表确定器，且在用表确定器进行投票之后，m个子系统中占据相同结果的输出成为系统的输出。如果m个子系统中n 1个以上的子系统正常工作，那么系统就正常工作并输出正确的结果。如果所有子系统的可靠性都为R

4、0，则m模块冗馀系统的可靠性r为。性能评价方法时钟频率法：计算机的时钟频率在一定程度上反映了机械速度的同一架构的机器，工作频率越高，速度就越快。 根据体系结构的差异、指令系统的差异、各指令使用的设备的周期的差异，平均指令执行速度只是对各种指令执行速度加权后的平均值，不能完全反映实际的程序执行速度。命令执行速度法：表示机器运算速度的单位是MIPS (每秒百万的命令)、峰值MIPS、基准程序MIPS、以特定系统为基准的MIPS。为了测量计算机的科学计算速度，MFLOPS (每秒百万次的浮点运算速度)中，峰值MFLOPS和基准程序测得的MFLOPS可以用于对同一系统中解决相同问题的不同算法的性能进行

5、比较和评估，可以使用相同的源程序、相同的编译器、相同的可以用于测试在同一执行环境中不同系统中得到的浮点运算速度，但是没有考虑运算部件和存储器、I/O系统等速度之间的协调等。等效指令速度法：根据各种指令在程序中所占的比例来计算。 如果各指令的执行时间为ti，则由于没有考虑同等指令的执行时间，n是指令类型数数据的长度，高速缓存的命中率，流水线效率带来的不确定的指令执行时间，因此如果采用等价指令速度法，则有可能偏离实际。数据处理速度法(pdr ) :用计算pdr值的方法测定机器的性能，pdr值越大机器的性能越好pdr是每指令每操作数的平均位数和每指令的平均运算速度有关系的pdr值主要测定CPU和主存

6、储器的速度，允许并行处理和指令预取的功能1991年9月停止使用。综合理论性能法(CTP ) :美国政府为了限制高性能计算机的出口而设置的计算部件综合性能推定方法。 CTP是每秒百万次的理论计算MTOPS，于1991年9月1日生效。 CTP的估计方法首先计算处理部件的每个计算单元(例如，定点加法单元、定点乘法单元、浮点加法单元、浮点乘法单元)的有效计算速率r，并以不同的字长度进行调整以获得该计算单元的理论性能TP，然后获得构成该处理部件的所有计算单元TP基准(Benchmark ) :Khrystone基准程序：综合整数基准程序是用c语言编写的。Linpack基准程序：主要操作是浮点加法和浮点乘

7、法，结果用MFLOPS表示，用FORTRAN语言写成。Whetstone基准程序：主要由执行浮点运算、功能调用、数组修饰、条件迁移和超越函数的程序组成，测试结果用Kwips表示，用FORTRAN语言编写。SPEC基准： SPEC CPU2000基准程序测试CPU、内存系统和编译器的性能，并以SPEC标记、SPECint和SPECfp表示测试结果。TPC基准： TPC开发的测试程序用于评估计算机的事务性能，包括事务、数据库处理、企业管理和决策支持系统等。评估结果是每秒完成的事务数TPCTPC-A :在不同系统之间以性价比进行比较，以评估在线交易环境中的数据库和硬件性能TPC-B :测试不含网络的

8、纯事务量，以模拟企业的计算环境TPC-C :网上订购系统的测试TPC-D :决策支持系统的测试TPC-w :基于web业务的测试标准可以视为服务器的测试标准。软件的容错性高品质软件的可靠性技术可分为两类：避免错误的技术，是在开发中不使错误潜入软件的技术，是进行质量管理，使软件具有质量所必需的技术，软件工程中先进的软件开发和管理技术，在管理中避免错误。容错技术是对不可避免的错误使影响最小的技术，主要采用冗馀的手段，以便在发生错误时不影响系统特性。冗馀是实现系统规定功能的所有资源，包含硬件、软件、信息和时间，通过冗馀资源的加入，系统的可靠性大幅提高。主要冗馀技术：结构冗馀、信息冗馀、时间冗馀、冗馀

9、附加。故障恢复策略有以下两个方面：前向恢复：需要继续向下进行当前计算，将系统恢复到一致的正确状态，以补偿当前状态不一致的情况的错误的详细说明。向后恢复：系统恢复到以前的正确状态，继续执行。不适用于实时处理。软件容错的主要目的是通过提供充分的冗馀信息和算法程序，在系统实际执行时发现程序设计的错误，采取补充措施，提高软件可靠性，保证计算机系统整体的正常运行。软件容错能力主要包括以下几个方面：恢复块方法：采用动态掩码技术、反向恢复策略，提供具有相同功能的主块和一些备份块，其中一个块是完全执行段。 主模块首先运行，结束后进行验证测试，如果失败，系统将在恢复现场后在备份模块上运行，以下同样会用尽所有备份模块发生异常处理。 在设计恢复块时，确保主块和备份块之间的独立性，避免相关错误的发生，并将两者的共性错误最小化。 验证测试程序完成故障检测的功能，必须保证验证测试程序的正确性。n版本的程序设计：静态故障屏蔽技术采用前向恢复策略，在具有相同功能的n个程序上同时运行，结果由多数决定。 n版本程序必须由不同的人使用不同的设计方法、不同的程序语言、不同的开发环境来实现，解决n版本程序需要减少投票点相关错误的概率的程序运行的同步问题。 n版本的编程时间冗长，反复计算，表决会产生正确的结果。防卫式程序设计：不采用传统的容错技术，当程序