Математическое и программное обеспечение повышения живучести управляющих модулей систем реального времени

Актуальность. Развитие современной аппаратной базы вычислительных средств, основанной на инновационных технологиях, предъявляет более жесткие требования к надежности программного обеспечения. Анализ результатов функционирования современных ЭВМ различных архитектур свидетельствует о несоответствии качества между аппаратными возможностями вычислительных средств и программных продуктов. Это предопределяет необходимость постоянного совершенствования, как самих программных средств, так и способов их реализации и применения. Все большее место в современном мире занимают сложные вычислительные системы (ВС), выполняющие свои задачи под управлением целевого программного обеспечения в режиме реального времени. Целевое программное обеспечение (ЦПО) содержит комплекс программ, реализующих алгоритмы режимов работы заданного изделия в различных условиях их применения [55].

Постоянно возрастающая область применения, а следовательно и спектр задач, выполняемых ВС на базе ОСРВ, приводит к повышению требований по надежности их функционирования не только со стороны аппаратной составляющей, но и со стороны целевых программных средств, которыми они оснащены [5, 29, 54, 66].

Проблемы в достижении требуемой степени надежности программного обеспечения рассматривались в работах отечественных и зарубежных ученых Б. А. Головкина, А. В. Гордеева, В. В. Липаева, Г. Майерса и других авторов [27, 29, 60, 62, 64, 67, 68]. Основными направлениями в этих работах являются: изучение программных ошибок, выявление причин их вызывающих и последствия их проявлениярассмотрение различных моделей оценки надежности программного обеспеченияповышение надежности технических элементов ВСклассификация существующих способов повышения надежности программного обеспечения и их применение.

Вместе с тем, наряду с глубокой проработкой отдельных направлений в ранее проведенных исследованиях, вопрос об использовании программной избыточности при построении ЦПО управляющих вычислительных систем реального времени практически не рассматривался.

Основными этапами проверки правильности функционирования ЦПО является так называемая 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 и проводится либо на стенде Главного конструктора, либо непосредственно на образце изделия. Тем не менее, ошибки в ЦПО остаются и после выполнения процесса отладки.

Между тем, использование программной избыточности позволяет исправлять возникшие в процессе работы ЦПО сбои. Это производится путем замещения результатов работы отказавшего программного модуля результатами функционирования исправного.

Условия функционирования вычислительных систем в режимах реального времени, а так же отсутствие четкого научно-методического аппарата применения метода повышения надежности ЦПО путем добавления программной избыточности не позволяют использовать ранее предложенные методы и подходы к введению 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 управляющих вычислительных систем реального времени и реальными показателями существующего ЦПО.

Эти обстоятельства определяют актуальность данной работы, целью которой является повышение надежности работы ЦПО управляющей вычислительной системы реального времени, применяемой в комплексах моделирования внешней обстановки радиолокационных и навигационных систем.

Решаемая в работе научная задача состоит в совершенствовании научно-методического аппарата разработки целевого программного обеспечения на этапе проектирования путем добавления программной избыточности.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие теоретические и практические задачи: проведен анализ подхода к повышению надежности работы ЦПО путем добавления программной избыточностипредложены изменения в технологический процесс разработки ЦПОпредложен усовершенствованный метод повышения надежности целевого программного обеспечения путем добавления программной избыточностиразработана методика выбора программных модулей, рекомендуемых для добавления программной избыточностиразработана модель состояний ЦПО, учитывающая особенности использования предлагаемого метода повышения надежностиобоснованы показатели влияния различных методов добавления программной избыточности на надежность работы ЦПО и эффективности использования ресурсов ВС при использовании метода повышения надежности путем добавления программной избыточности и надежности ЦПОпроведена оценка влияния методов добавления программной избыточности на надежность работы целевого программного обеспечения управляющих вычислительных систем реального времени и эффективность использования ЦПО ресурсов вычислительной системыобоснованы предложения по применению метода повышения надежности путем добавления программной избыточности при создании нового и модернизации существующего целевого программного обеспечения.

Объектом исследования избрано ЦПО вычислительной системы реального времени, а предметом исследования — методы и способы повышения надежности целевого программного обеспечения управляющих вычислительных систем реального времени комплексов радиолокационных и навигационных систем.

Методы исследования. В диссертации используются методы структурного анализа, имитационного и структурного моделирования, матричного исчисления, теории множеств, статистического анализа, теории графов, теории планирования экспериментов, теории оценивания и корреляционного анализа.

Научную новизну работы составляют: усовершенствованный процесс разработки ЦПО, заключающийся во введении коррекции структуры ЦПО после проведения процесса статической отладки, особенностью которого является использование программной избыточности с целью повышения его надежностипредложенный метод повышения надежности работы ЦПО путем добавления программной избыточности с последовательным подключением программных модулей, особенностью которого является эффективное использование ресурсов ВСразработанная методика выбора программных модулей, рекомендуемых для добавления программной избыточности, особенностью которой является учет уровня отводимых программным модулям ресурсов вычислительной системы, удельного количества неустраненных отказов на единицу объема каждого программного модуля и возможностей используемых программно-инструментальных средств проведения процесса разработки и отладки программного обеспеченияразработанная модель состояний ЦПО при использовании метода повышения надежности путем добавления программной избыточности с последовательным подключением программных модулей, учитывающая особенности предложенного метода добавления программной избыточности.

Практическая значимость работы определяется: разработанным алгоритмом реализации метода повышения надежности работы ЦПО путем добавления программной избыточности с последовательным подключением программных модулейпроведенными экспериментальными исследованиями по оценке влияния методов добавления программной избыточности на надежность работы ЦПОразработанными предложениями по применению метода повышения надежности работы ЦПО путем добавления программной избыточности.

Достоверность полученных научных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается корректным применением методов исследования и подтверждается совпадением теоретических и практических результатов при разработке и модернизации ЦПО с использованием метода повышения надежности путем добавления программной избыточности.

Реализация результатов работы.

Метод повышения надежности разрабатываемых и модернизируемых комплексов целевого программного обеспечения на основе внесения структурной избыточности, модель оценки надежности функционирования комплекса целевого программного обеспечения, разработанного на основе данного метода и методика выбора программных модулей, рекомендованных для введения избыточности были реализованы в ОАО «Концерн «Морин-формсистема — Агат» (г. Москва) при проведении исследований в ОКР «Линкор» и проведении отладки целевого программного обеспечения модулей МСВ/С (акт от 17 января 2011 г.).

Метод повышения надежности разрабатываемых и модернизируемых комплексов целевого программного обеспечения на основе внесения структурной избыточности и методика выбора программных модулей, рекомендованных для введения избыточности были внедрены в ОАО «ЦНИИ «Курс» г. Москва) при разработке программного обеспечения комплексов моделирования внешней обстановки (акт от 26 января 2011 г.).

На защиту выносятся:

1. Метод повышения надежности ЦПО путем добавления программной избыточности с последовательным подключением программных модулей;

2. Методика выбора программных модулей, рекомендуемых для добавления программной избыточности;

3. Модель состояний ЦПО при использовании метода повышения надежности путем добавления программной избыточности с последовательным подключением программных модулей, на основе графа состояний.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на VII и VIII молодежных научно-технических конференциях «Взгляд в будущее — 2009» и «Взгляд в будущее -2010» (г. Санкт-Петербург, 2009 г. и 2010 г.), на научно-технической конференции «XVT Макеевские чтения» (г. Москва, 2010 г.), на научно-технических конференциях «Состояние, проблемы и перспективы создания корабельных информационно-управляющих комплексов» (г. Москва, 2009 г. и 2010 г.), на II российской научно-практической конференции судостроителей «Единение науки и практики 2010» (г. Москва, 2010 г.). Они опубликованы в 8 работах (7 статьях / в том числе в 1 статье, опубликованной в ведущем рецензируемом научном журнале в соответствии с перечнем ВАК Министерства образования и науки РФ), в 1 свидетельстве о государственной регистрации программ для ЭВМ в Роспатенте РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 115 наименований.

3.5. Выводы.

1. Предложена методика проведения экспериментальных исследований влияния позволившая определить степень влияния различных подходов к добавлению программной избыточности на надежность ЦПО, характер влияния различных подходов к добавлению программной избыточности на показатели эффективности использования целевым программным обеспечением ресурсов вычислительной системы и оценить эффективность применения предлагаемого метода добавления программной избыточности относительно имеющегося уровня надежности целевого программного обеспечения.

2. В качестве показателей оценки влияния различных методов добавления программной избыточности на надежность работы ЦПО были выбраны: вероятность устранения последствий отказа программного модуля Рш вероятность возникновения ложного отказа программного модуля / вероятность пропуска отказа программного модуля Ррг — В качестве показателей характера влияния различных методов добавления программной избыточности на показатели эффективности использования целевым программным обеспечением ресурсов вычислительной системы были выбраны: средний прирост времени реализации функции — средний прирост объема используемого программным модулем адресного пространства А? пмсредний прирост объема адресного пространства используемого промежуточными данными программного модуля, А Упд.

Оценка эффективности применения предлагаемого метода добавления программной избыточности проводилась с использованием в качестве показателя надежности — вероятности безотказной работы ЦПО.

3. Проведенные экспериментальные исследования указывают на положительный эффект от применения предлагаемого метода, по своим показателям превысив К-версное и дуальное программирование. Данный эффект в большей степени определен нулевым значением вероятности возникновения ложного отказа.

4. Анализ результатов экспериментальных исследований указывает на более эффективное использование временного ресурса и адресного пространства памяти, выделяемой под промежуточные данные программного модуля, вычислительной системы при использовании предлагаемого метода добавления программной избыточности. Это позволит применять данный метод при создании НПО управляющих вычислительных систем, предъявляющих жесткие требования ко времени функционирования программных модулей.

5. Результаты экспериментальных исследований позволили сделать вывод о положительном эффекте от применения предлагаемого метода добавления программной избыточности. Применение данного метода позволило получить прирост степени безотказной работы ЦПО, равный 3−6%.

6. Разработаны предложения по повышению надежности ЦПО на основе использования программной избыточности.

Данные предложения охватывают как процесс проектирования целевого программного обеспечения, так и процесс его отладки. Внесены изменения в общую структуру вычислительной системы, позволяющие снизить затраты на выявление программных ошибок в процессе эксплуатации изделий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Среди множества проблем создания новых и модернизации существующих комплексов радиолокационных и навигационных систем с особой остротой проявляется проблема повышения надежности работы ЦПО. Существующие методы и средства создания ЦПО управляющих вычислительных систем реального времени не позволяют в достаточной мере повысить уровень надежности ЦПО.

Практика требует повышения надежности работы ЦПО, что в настоящей работе осуществляется путем совершенствования научно-методического аппарата метода повышения надежности путем добавления программной избыточности ЦПО управляющих вычислительных систем реального времени комплексов радиолокационных и навигационных систем.

Основой решения задачи является совокупность научно обоснованных технических решений по применению программной избыточности при создании нового и модернизации существующего ЦПО. При этом получены следующие результаты:

1. Проведен анализ существующих методов добавления программной избыточности целевого программного обеспечения. Проведенный анализ позволил выявить основную сложность использования данных методов — большая ресурсоемкость.

2. Предложено изменение в процесс разработки целевого программного обеспечения, позволяющее произвести добавление программной избыточности на этапе проектирования, на основе информации, полученной на этапе статической отладки.

3. Предложен усовершенствованный метод повышения надежности работы целевого программного обеспечения путем добавления программной избыточности, основанный на методике выявления явных признаков сбоя.

Применение данного метода при разработке нового и модернизации существующего ЦПО позволило повысить степень безотказной работы на 3−6%.

4. Разработана методика выбора программных модулей, рекомендуемых для добавления программной избыточности. Особенностью данной методики является учет следующих факторов: наличие ресурсов вычислительной системы для каждого программного модуля согласно его спецификации и статистической информации по их использованиюудельное количество неустраненных отказов на единицу объема программного модуля, полученное на основе статистической информации по не-устраненным отказам программного модуля на предыдущих этапах отладкиособенности используемых программно-инструментальных средств проведения процесса комплексной отладки целевого программного обеспечения.

5. Разработана модель состояний ЦПО, использование которой позволит получить значения показателей надежности целевого программного обеспечения, разрабатываемого с применением предлагаемого метода повышения надежности путем добавления программной избыточности.

Данная модель учитывает как структуру ЦПО, так и показатели надежности функционирования различных групп модулей, полученных на этапах статической отладки резервных программных модулей, разработанных с целью повышения программной избыточности.

6. Обоснованы: показатели влияния различных методов добавления программной избыточности на надежность работы ЦПО: вероятность устранения последствий отказа программного модуля вероятность возникновения ложного отказа программного модуля Р/.- вероятность пропуска отказа программного модуля Ррг — показатель надежности ЦПО: вероятность безотказной работы ЦПОэффективности использования ресурсов вычислительной системы при использовании метода повышения надежности путем добавления программной избыточности: средний прирост времени реализации функции — средний прирост объема используемого программным модулем адресного пространства, А Упм средний прирост объема используемого промежуточными данными программного модуля адресного пространства А? пд.

7. Проведена оценка влияния методов добавления программной избыточности на надежность работы целевого программного обеспечения вычислительных систем реального времени и показатели эффективности использования целевым программным обеспечением ресурсов вычислительной системы. Результаты экспериментальных исследований позволяют сделать вывод о более эффективном использовании ресурсов (временного ресурса и адресного пространства памяти, используемого промежуточными данными программных модулей).

8. Выработаны рекомендации по применению метода повышения надежности путем добавления программной избыточности при создании нового и модернизации существующего целевого программного обеспечения.

Полученные результаты можно характеризовать как научно-методический аппарат метода повышения надежности путем добавления программной избыточности ЦПО вычислительных систем реального времени комплексов радиолокационных и навигационных систем.

Основные теоретические и практические результаты работы использованы при создании и модернизации комплексов радиолокационных и навигационных систем, что подтверждено соответствующими актами.