计算机应用系统的故障诊断与可靠性技术基础（第二版）

以教育部“卓越工程师计划”为牵引，凝炼作者及所在单位多年来从事教学、科研的成果经验，融入了国内外有关领域的最新发展，系统介绍了计算机应用系统的故障诊断与可靠性设计、分析的基本理论和主要方法、技术。

全书贯彻了原理、技术与应用并重，软硬兼顾、以硬为主的原则，注重内容选取的基础性、实用性、先进性和内容组织的科学性、严谨性、教学适用性，突出“设计与分析结合，以设计为主，分析为设计服务”的编写思想。

为了更好地反映软件可靠性技术的发展和体现可靠性技术“软硬结合”的特点，结合科研实践介绍了计算机应用系统特别是计算机控制系统的故障检测与诊断技术中，目前常见或正在发展中的一些以软件为主导的方法。

第二版前言

本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材，是对1999年12月出版的同名国家“面向21世纪课程教材”的修订版。

原书（《计算机系统的故障诊断与可靠性技术》）主要是针对研究生编写的。随着计算机在社会的各领域、各层面的日益广泛的应用，目前迅速发展中的社会经济活动，乃至每个家庭的日常生活，已越来越全面地依赖计算机了。在这种情况下，对于计算机的可靠性也提出了越来越高的要求。为此，国内有越来越多的理工科院校/理工科专业已经或将要面向本科生开设相关课程（本人也强烈呼吁各有关院校/专业应该这样做）。尤其在全国工科院校、工科专业普遍以教育部“卓越工程师计划”为牵引，高度重视工程教育的今天，让学生从本科甚至专科开始就认识“可靠好用”是任何工程的第一要务，就掌握必要的可靠性技术基础和技能，是非常重要的、必要的。

为了更好地适应本科生的教学特点及要求，本书在保持原有体系结构和总体编写原则基本不变的情况下，主要在以下方面对内容作了一定的增删、修改、更新：

（1）适当强调了避错技术在提高计算机系统可靠性方面所起的基础性作用，为此专门增加了避错技术中相对最重要的两种技术——电磁兼容设计和热兼容设计，将它们分别专列为一章，作为本书的第2章、第3章。前者包括电磁兼容技术概述、电磁兼容设计、电磁干扰抑制技术（屏蔽技术、滤波技术、接地与搭接技术）等内容；后者包括热兼容技术概述、防热设计、统计信号处理和温度补偿等内容。

（2）考虑到故障诊断与冗余容错技术在控制工程中的应用已越来越广泛深入，并且实际上已融合催生出控制领域一个新的学科分支——容错控制，而计算机控制系统显然又是本书定位的计算机应用系统的一个最重要的方面，所以新增了一章“容错控制技术”，将它放在讲完了各种避错、容错技术以后的第9章。

（3）为了更好地突出本书“设计与分析结合，以设计为主，分析为设计服务”的编写思想，将原书最后两章（“容错系统的可靠性分析评估”和“高可靠性计算机应用系统设计”）合并为一章“容错系统的可靠性分析与设计”。合并时，对可靠性分析部分，只保留对主要分析方法的介绍，而略去对不可维修系统、可维修系统和与预维修系统的可靠性分析的具体介绍。

（4）为了更好地反映软件可靠性技术的发展和体现可靠性技术“软硬结合”的特点，对原书第3章3.3节“以软件为主导的故障检测与诊断技术”（本书调整为第5章5.3节）进行了充实加强，介绍了计算机应用系统特别是计算机控制系统的故障检测与诊断技术中，目前常见或正在发展中的一些以软件为主导的方法技术，并结合科研实践介绍了基于状态观测器、基于卡尔曼滤波器和基于强跟踪滤波器的三种实用故障检测与诊断方法。同时，为更好地实现先进性和实用性的统一，对“软件可靠性技术”一章（原书第7章，本书调整为第8章）内容，也做了适当更新改造，删除了原书“软件可靠性模型”这节（原7.5节），而新增了“容错软件设计的其他常用技术”（现8.3.4节）和“虚拟化技术”（现8.4节）两小节。

（5）为篇幅所限，对原书中与故障诊断和可靠性技术的关系不很直接的“可测性设计技术”一章（原第6章）和“信息保护技术”一节（原7.4节），予以删除。

这次对全书内容进行增删、修改、更新，对全书体系结构进行优化调整，目的是想更好地突出故障诊断与可靠性技术的概念性、基础性及先进性、实用性内容，使之模块化特性更好，以更利于适应不同学校，不同层次教学的需求。但能否达到目的，有待于实践的检验和读者的评判。

本书凝炼了作者及所在单位多年来从事有关教学、科研的成果经验，融入了国内外有关领域的最新发展，系统介绍了计算机应用系统的故障诊断与可靠性设计、分析的基本理论和主要技术。经过修订后的本书，包括可靠性与可靠性技术概述、避错技术之电磁兼容设计、避错技术之热兼容设计、可靠性编码技术、故障自检测与自诊断技术、故障屏蔽技术、动态冗余技术、软件可靠性技术、容错控制技术、失败安全设计技术、应用系统的可靠性分析与设计等11章内容。全书贯彻了原理、技术与应用并重、软硬兼顾以硬为主的原则，注重内容选取的基础性、实用性、先进性和内容组织的科学性、严谨性、教学适用性。

本书修订改编工作仍主要由原书作者邹逢兴、张湘平负责完成。新编和主要更新/改编部分，本书修订改编工作仍主要由原书作者邹逢兴、张湘平负责完成。新编和主要更新/改编部分，第2、3、11章和8.4节由邹逢兴完成，张湘平参与了第2章的整理；汪张生主笔编写了第9章和5.3节，汪张生和李迅参与更新了第11章中两个高可靠性系统设计实例，结合自己科研实践成就了11.4.2节和11.4.3节。全书由邹逢兴主编，在申请并获批“普通高等教育‘十一五’国家级规划教材”之后，策划、提出了修订思想，确定了全书内容及组织结构，撰写了三级目录，交稿后审读修改、协调统一了全部书稿。

本书配有电子教案和素材文件，读者可以从中国水利水电出版社网站和万水书苑免费下载，网址为：http://www.waterpub.com.cn/softdown/和http://www.wsbookshow.com。

衷心感谢中国水利水电出版社万水公司杨庆川总经理、雷顺加总编辑和李炎责任编辑在本书申报“普通高等教育‘十一五’国家级规划教材”及随后的修订出版过程中付出的辛勤劳动！

本书可作为高等学校信息类、控制类各专业的本科高年级学生和研究生的教科书使用，也可供从事故障诊断与可靠性技术研究、应用的工程技术人员参考。欢迎读者、专家随时指出书中可能存在的不足和错误！

邹逢兴

2011年6月于长沙

第二版前言
第一版前言

第1章 可靠性与可靠性技术概论 1
1.1 可靠性技术研究的必要性 2
1.2 可靠性技术研究的范畴 3
1.2.1 避错技术 3
1.2.2 容错技术 4
1.2.3 可测性设计 5
1.2.4 失败安全设计 6
1.3 可靠性研究的四层次结构模型 7
1.4 故障与故障模型 9
1.4.1 故障分类 9
1.4.2 故障模型 11
1.5 表征系统可靠性的参数指标 16
1.5.1 可靠性与可靠度（Reliability） 16
1.5.2 可维性与可维度（Maintainability） 17
1.5.3 可用性与可用度（Availability） 18
1.5.4 安全性与安全度（Safety） 19
1.5.5 保能性与保能度（Performability） 19
1.5.6 可测性与可测度（Testability） 19
1.5.7 简化可靠性参数 20
1.6 简单系统的可靠性分析计算 21
1.6.1 串联系统 21
1.6.2 并联系统 21
1.6.3 串并联系统 22
1.6.4 并串联系统 23
习题一 23
第2章 避错技术之电磁兼容设计 25
2.1 电磁兼容概述 26
2.1.1 电磁兼容与电磁兼容性 26
2.1.2 与电磁兼容有关的常用术语 26
2.1.3 电磁干扰形成三要素与
电磁干扰效应 29
2.1.4 电磁兼容的实施 30
2.2 电磁兼容设计的主要内容与基本参数 31
2.2.1 系统内电磁兼容设计 31
2.2.2 系统间电磁干扰控制 31
2.2.3 电磁兼容设计的基本参数 32
2.3 电磁兼容设计要点 33
2.3.1 抑制干扰源的设计要点 33
2.3.2 抑制干扰耦合的设计要点 33
2.3.3 敏感设备的设计要点 34
2.3.4 搭接的设计要点 34
2.3.5 接地的设计要点 34
2.3.6 屏蔽设计要点 35
2.4 屏蔽技术 36
2.4.1 屏蔽与屏蔽分类 36
2.4.2 电屏蔽原理 36
2.4.3 磁屏蔽原理 39
2.4.4 电磁屏蔽原理 41
2.4.5 几种实用屏蔽技术 42
2.5 滤波技术 47
2.5.1 滤波器的特性与分类 47
2.5.2 EMI滤波器的特点 49
2.5.3 EMI滤波器的特殊组件 50
2.5.4 滤波器的选择与使用 51
2.5.5 几种实用滤波方法 54
2.6 接地与搭接技术 55
2.6.1 搭接与接地概念 56
2.6.2 接地线类型 56
2.6.3 安全接地 56
2.6.4 信号接地 58
2.6.5 接地设计 61
2.6.6 地环路干扰及抑制 63
2.6.7 搭接技术 67
习题二 69
第3章 避错技术之热兼容设计 70
3.1 概述 71
3.2 防热设计 71
3.2.1 防热设计的基本原理 71
3.2.2 防热设计的基本原则和主要内容 72
3.3 统计信号处理方法 77
3.3.1 减小阻尼降低热噪声强度 77
3.3.2 引入滤波器实现信号复原 79
3.4 温度补偿 82
3.4.1 温度补偿基本原理 82
3.4.2 硬件温度补偿 82
3.4.3 软件温度补偿 87
习题三 93
第4章 可靠性编码技术 94
4.1 检错纠错码概述 95
4.1.1 检错纠错编码原理 95
4.1.2 关于编码技术的几个基本概念 97
4.1.3 码距与检错、纠错能力的关系 97
4.2 常用可靠性编码 98
4.2.1 奇偶校验码 98
4.2.2 循环码（循环冗余码，CRC） 105
4.2.3 汉明码 110
4.2.4 算术码 115
4.2.5 校验和码 120
4.2.6 n中取m码（m/n码） 121
4.2.7 伯格码 123
4.3 可靠性编码的码制选择 125
习题四 126
第5章 故障自检测与自诊断技术 128
5.1 故障自检测与自诊断概述 129
5.1.1 故障检测与诊断概念 129
5.1.2 故障自检测与自诊断 129
5.1.3 检测与诊断技术的评价标准 133
5.2 以硬件冗余为主导的故障检测与
诊断技术 133
5.2.1 基于检错码的自检测技术 133
5.2.2 基于冗余模块的比较检测技术 144
5.2.3 基于自对偶函数的交替逻辑
检测技术 146
5.2.4 基于监视定时器的检测技术 147
5.3 以软件冗余为主导的故障检测与
诊断技术 148
5.3.1 故障检测与诊断的基本方法 148
5.3.2 基于状态观测器的故障诊断方法 155
5.3.3 基于卡尔曼滤波器的故障检测与
诊断方法 157
5.3.4 基于强跟踪滤波器的控制系统故障
诊断 160
习题五 163
第6章 故障屏蔽技术 166
6.1 故障屏蔽概述 167
6.2 元件级故障屏蔽技术 167
6.2.1 二倍冗余结构 167
6.2.2 四倍冗余结构 168
6.2.3 桥接冗余结构 169
6.3 逻辑级故障屏蔽技术 170
6.3.1 交织逻辑 170
6.3.2 编码状态机逻辑 172
6.4 模块级故障屏蔽技术 173
6.4.1 模块级故障屏蔽模型 174
6.4.2 N模冗余中校正器的设计 174
6.4.3 三模冗余技术 177
6.4.4 三模－单模系统 183
6.5 系统级故障屏蔽技术 184
6.6 故障屏蔽技术在PC控制系统设计中
的应用 185
6.6.1 可编程控制器的基本概念 185
6.6.2 控制系统的静态冗余设计 188
6.6.3 控制系统供电系统设计 191
习题六 192
第7章 动态冗余技术 194
7.1 动态冗余概述 195
7.2 重组 195
7.2.1 后援备份重组 196
7.2.2 缓慢降级重组 196
7.2.3 重组中的状态切换 197
7.3 可重组的动态N模冗余技术 198
7.3.1 待命储备式N模冗余 199
7.3.2 可重组二模冗余 199
7.3.3 混合N模冗余 202
7.3.4 自适应重组N模冗余 206
7.3.5 自清除冗余 208
7.3.6 筛除冗余 210
7.3.7 双机－三模冗余 212
7.3.8 动态N模冗余小结 212
7.4 恢复 214
7.4.1 向前/向后恢复技术 214
7.4.2 常用恢复算法 216
7.4.3 计算机系统基本部分的恢复技术 222
7.4.4 文件恢复技术 225
7.4.5 通信系统的恢复技术 228
7.5 多处理机系统的动态冗余结构与
容错处理 229
7.5.1 常用多处理机系统冗余结构 229
7.5.2 容错处理 236
7.6 模拟部件的冗余容错 239
7.6.1 模拟部件的错误屏蔽技术 239
7.6.2 中值选择模拟信号表决器 240
7.6.3 模拟TMR表决器的VLSI实现与
应用 241
7.6.4 磁通和技术在模拟TMR系统中的
应用 242
7.6.5 模拟TMR表决的软件实现 243
7.7 动态冗余设计的综合考虑 243
习题七 245
第8章 软件可靠性技术 248
8.1 软件可靠性概述 249
8.1.1 软件可靠性与硬件可靠性的联系和
区别 249
8.1.2 软件可靠性技术的内涵 250
8.1.3 软件可靠性定义 250
8.1.4 软件可靠性指标 251
8.2 软件避错排错技术 254
8.2.1 软件可靠性管理技术 254
8.2.2 可靠性程序设计技术 255
8.2.3 程序验证技术 257
8.3 软件容错技术 267
8.3.1 容错软件的基本概念及原理 267
8.3.2 容错软件设计的基本技术 270
8.3.3 容错软件设计的先进技术 272
8.3.4 容错软件设计的其他常用技术 273
8.3.5 容错软件的相异性设计准则 277
8.4 虚拟化技术 278
8.4.1 基于虚拟机监控器的安全日志 279
8.4.2 基于虚拟机监控器的冗余 279
8.4.3 软件动态更新 280
习题八 284
第9章 容错控制技术 285
9.1 容错控制概述 286
9.1.1 容错控制的主要方式 286
9.1.2 容错控制发展状况 290
9.2 被动容错控制技术 291
9.2.1 基于可靠镇定的被动容错控制 291
9.2.2 一类基于T-S模型的非线性系统
模糊完整性控制 294
9.2.3 基于同时镇定的容错控制 299
9.3 主动容错控制技术 303
9.3.1 基于反馈增益重构的主动容错控制 304
9.3.2 基于状态观测器的主动容错控制 307
9.3.3 基于跟踪微分器的主动容错控制 308
习题九 311
第10章 失败安全设计技术 313
10.1 失败安全设计概述 314
10.2 失败安全设计和失败安全的条件 314
10.3 输出失败安全设计 315
10.4 系统失败安全设计 317
10.4.1 基于检错码原理的失败安全设计 317
10.4.2 分块法失败安全设计 320
习题十 324
第11章 系统可靠性设计与分析 326
11.1 系统可靠性设计与分析概述 327
11.2 系统可靠性设计方法 327
11.2.1 需求分析 328
11.2.2 方案选择 328
11.2.3 方案论证 329
11.2.4 详细设计 329
11.2.5 研制测试 329
11.3 系统可靠性分析方法 330
11.3.1 可靠性框图分析法 330
11.3.2 马尔可夫模型分析法 342
11.3.3 故障树分析法 349
11.3.4 实际系统可靠性分析举例 361
11.4 系统可靠性设计举例 364
11.4.1 高可靠性飞机测控计算机系统
的设计 364
11.4.2 高可靠性星载接口计算机的设计 373
11.4.3 高可靠性磁浮列车测控系统设计 379
习题十一 390
参考文献 394

1. 实用运筹学 [主编　邢育红　于晋臣]
2. 电子技术（第二版） [主编 覃爱娜 李飞]
3. 劳动争议处理实务 [主编 王秀卿 罗静]
4. 语音识别理论与实践 [主编　莫宏伟]
5. 武术基础教程 [主编 李代勇 谢志民]
6. 画法几何与机械制图习题集（多学时） [主编 赵军]
7. 机械设计基础（第二版） [主编 田亚平 李爱姣]
8. 画法几何与机械制图 [主编 赵军]
9. C语言程序设计习题与实验指导（第二版） [主编 甄增荣 张宾]
10. C语言程序设计（第二版） [主编 甄增荣 田云霞]
11. Unity3D虚拟现实应用开发实践 [主 编 刘龙]
12. 面向对象程序设计 [主编 张勇 张平华 赵小龙]
13. 网络营销 [主编 夏薇薇 刘婷 尚洁]
14. 数据库技术与应用实践教程（SQL Server 2019） [主 编 严晖 周肆清]
15. 功能材料制备与表征实验指导书 [龚伟平 赵军峰 梅海娟 等编著]
16. 信号与系统（第二版） [主编 张宇]
17. Python 语言程序设计实践指导 [主编　张双狮]
18. 体育舞蹈教程 [主编 刘伟 陈志明 曾明]
19. 线性代数导学篇 [主编 史昱]
20. 信息技术基础实训与习题指导（Windows7+Office2016） [主编 周金容 唐天国]
21. 高等数学导学篇（下册） [主编 李文婧 胡雷 尹金生]
22. 高等数学导学篇（上册） [主编 李文婧 胡雷 尹金生]
23. 高等数学（下册） [主编 李爱芹 胡雷 尹金生]
24. 高等数学（上册） [主编 李爱芹 胡雷 尹金生]
25. 中华水文化（慕课版）（第二版） [毕雪燕 杨华轲 罗玲谊 等编著]
26. 电路与电子技术Ⅱ——电路分析基础 [主编 陈晓 金哲]
27. Spark大数据处理技术 [主编　刘仁山　周洪翠　庄新妍]
28. 人工智能算法与实践 [主编　梁琨　张翼英]
29. 数据清洗 [黄源　刘智杨　孙大松]
30. 电路设计与PCB制作实操教程 [主编 周永宏]