Введение к работе
Актуальность работы.
Анализ результатов функционирования современных вычислительных систем выявляет отставание программных методов повышения надежности вьшислительных систем от аппаратных. Это определяет необходимость совершенствования, как самих программных средств, так и способов их реализации и применения. В настоящее время все чаще используются сложные вычислительные системы (ВС), работающие под управлением целевого программного обеспечения в режиме реального времени. Целевое программное обеспечение (ЦПО) реализует основные алгоритмы работы конкретного изделия в различных условиях его применения.
Все более широкая область применения, а, следовательно, и спектр задач, выполняемых ВС на базе операционных систем реального времени (ОСРВ), определяет ужесточение требований к надежности функционирования вьшислительных систем в целом и целевых программных средств, которыми они оснащены.
Проблемы достижения требуемой степени надежности функционирования вьшислительных систем рассматривались в работах отечественных и зарубежных ученых Б. А. Головкина, А. В. Гордеева, В. В. Липаева, Г. Майерса и других авторов. Основными направлениями в этих работах являются:
изучение программных ошибок, выявление причин их вызывающих и последствий их проявления;
рассмотрение различных моделей оценки надежности вычислительной системы и ее программного обеспечения;
повышение надежности технических элементов ВС;
классификация существующих способов повышения надежности программного обеспечения и их применение.
Однако, наряду с глубокой проработкой отдельных направлений в проведенных исследованиях, вопрос об использовании программной избыточности при построении ЦПО вьшислительных систем на базе операционных систем реального времени практически не рассматривался.
Основными этапами проверки правильности функционирования ЦПО является так называемые статическая и комплексная отладки. Статическая отладка проводится вне режима реального времени, т. е. без учета временных интервалов между запросами абонентов, прерываниями, моментами поступления входных данных, выдачи управляющих воздействий и т. п. Основной ее целью является поиск и устранение ошибок в теле рабочих программ. Для дальнейшего устранения программных ошибок применяется комплексная отладка всего ЦПО, которая осуществляется уже в режиме реального времени. Тем не менее, ошибки в ЦПО остаются и после выполнения процесса отладки.
Между тем, использование программной избыточности позволяет исправлять сбои, возникшие в процессе работы ЦПО. При этом результаты работы сбойного программного модуля замещаются результатами функционирования исправного.
Условия функционирования вьшислительных систем в режиме реального времени, а также отсутствие четкого научно-методического аппарата применения метода повышения надежности работы ЦПО путем добавления программной избыточности не позволяют использовать ранее предложенные подходы к добавлению программной избыточности при модернизации серийно освоенных или при разработке новых изделий на базе ОСРВ.
Всё ещё не в полной мере разрешено противоречие между возрастающими требованиями к повышению надежности ЦПО вьшислительных систем реального времени (В СРВ) и реальными показателями существующего ЦПО.
Эти обстоятельства определяют актуальность данной работы.
Целью диссертационной работы является повышение надежности работы целевого программного обеспечения вычислительных систем реального времени.
Научная задача исследования - совершенствование научно-методического аппарата разработки целевого программного обеспечения на этапе проектирования путем добавления программной избыточности.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие теоретические и практические задачи:
Проведен анализ методов повышения надежности работы ЦПО путем добавления программной избыточности.
Предложены изменения, которые необходимо внести в технологический процесс разработки ЦПО.
Разработан усовершенствованный метод повышения надежности работы функционального программного обеспечения путем добавления программной избыточности.
Создана методика управления целевыми программными модулями.
Разработана модель состояний ЦПО, учитывающая особенности использования предлагаемого метода повышения надежности.
Обоснованы основные показатели для оценки влияния различных подходов к добавлению программной избыточности на живучесть комплекса ЦПО и эффективность использования ресурсов ВС при реализации метода повышения надежности путем добавления программной избыточности.
Проведено исследование влияния известных методов введения программной избыточности на надежность работы целевого программного обеспечения вычислительных систем реального времени и эффективность использования ЦПО ресурсов вычислительной системы.
Обоснованы предложения по применению метода повышения надежности путем добавления программной избыточности при создании нового и модернизации существующего целевого программного обеспечения.
Методы исследования.
Для решения поставленных задач использовались методы структурного анализа, имитационного моделирования, матричного исчисления, теории множеств, статистического анализа, теории графов, теории планирования экспериментов, теории оценивания и корреляционного анализа.
На защиту выносятся:
Модель состояний ЦПО при использовании метода управления с критериальным подключением модулей.
Методика управления целевыми программными модулями.
Метод повышения надежности работы ЦПО путем введения программной избыточности, включающий в себя усовершенствованный процесс разработки ЦПО.
Научную новизну работы составляют:
модель состояний ЦПО для разработанного метода управления;
методика выбора резервных программных модулей;
метод управления с критериальным подключением целевых программных модулей.
Практическая значимость работы определяется:
разработанным алгоритмом программной реализации метода управления с критериальным подключением резервных программных модулей;
проведенными экспериментальными исследованиями по оценке влияния подходов к добавлению программной избыточности на живучесть ЦПО;
разработанными предложениями по применению метода управления с критериальным подключением резервных модулей.
Реализация и внедрение результатов работы:
Метод повышения надежности разрабатываемых и модернизируемых комплексов целевого программного обеспечения на основе введения структурной избыточности, модель оценки надежности функционирования комплекса ЦПО, разработанного на основе данного метода, методика выбора программных модулей, рекомендуемых для введения избыточности были использованы в ОАО «Концерн «Моринформсимтема - «Агат» (г. Москва) при разработке и отладке функционального программного обеспечения в ходе ОКР «Линкор» (акт от «20» января 2010 г.).
Методика выбора программных модулей, рекомендованных для добавления программной избыточности и модель состояний ЦПО при использовании метода повышения надежности путем добавления программной избыточности были использованы в ЦНИИ «Курс» (г. Москва) при разработке комплекса моделирования внешней обстановки в ходе ОКР «Олимп» (акт от «26» января 2010 г.).
Апробация результатов работы.
Теоретические положения и практические результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях:
«Вычислительные системы реального времени и цифровые устройства». ОАО «Концерн «Моринформсистема - Агат». Москва, 2009 г.
«VII молодежная научно-техническая конференция «Взгляд в будущее - 2009». ОАО «ЦКБ МТ «Рубин». Санкт-Петербург, 2009 г.
«Вычислительные системы реального времени и цифровые устройства». ОАО «Концерн «Моринформсистема - Агат». Москва, 2010 г.
«VIII молодежная научно-техническая конференция «Взгляд в будущее - 2010». ОАО «ЦКБ МТ «Рубин». Санкт-Петербург, 2010 г.
«II Российская научно-практическая конференция судостроителей «Единение науки и практики». ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. Санкт-Петербург, 2010 г.
«XVI Макеевские чтения». ОАО «Концерн «Моринформсистема - Агат». Москва, 2010 г.
Публикации.
Результаты исследований по теме диссертации изложены в 7 опубликованных работах, в том числе статья в журнале, включенном в перечень ведущих журналов и изданий ВАК РФ. Структура и объем диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы из 115 наименований. Работа изложена на 128 страницах и содержит 44 рисунка и 10 таблиц.
