高功能計算機系統架構設計作業指導書TOC\o"1-2"\h\u24376第一章緒論 2222541.1高功能計算機系統概述 2278821.2系統架構設計的重要性 37178第二章處理器架構設計 3169332.1處理器基本結構 3249172.2多核處理器設計 429282.3處理器功能優化策略 4395第三章存儲系統設計 4244873.1存儲層次結構 4273873.1.1緩存層（Cache） 5253963.1.2主存儲器層（MainMemory） 5190343.1.3輔助存儲器層（AuxiliaryStorage） 525953.2存儲器功能優化 5320053.2.1緩存優化 561053.2.2數據布局優化 536813.2.3存儲系統并行化 5126553.3存儲器能耗管理 6248973.3.1動態電壓與頻率調整（DVFS） 6163893.3.2存儲器休眠與喚醒 6280273.3.3存儲器分區與數據遷移 626953.3.4存儲器壓縮與去重 631498第四章總線與通信系統設計 6273204.1總線系統概述 6203474.2高速總線設計 6244504.3通信協議與功能優化 710093第五章高速緩存設計 838045.1緩存基本原理 8259675.2緩存結構設計 871085.3緩存功能優化 826762第六章并行計算與分布式系統設計 964296.1并行計算基本概念 9205186.2分布式系統架構 9267406.3并行計算功能優化 1024636第七章虛擬化技術 1030667.1虛擬化基本原理 1040797.1.1虛擬化的概念 11279537.1.2虛擬化技術的發展 11240607.1.3虛擬化技術的核心原理 11261407.2虛擬機監控器設計 1186127.2.1虛擬機監控器概述 1123047.2.2虛擬機監控器的設計目標 1110267.2.3虛擬機監控器的設計方法 11171277.3虛擬化功能優化 12278797.3.1虛擬化功能影響因素 1260257.3.2虛擬化功能優化策略 12183507.3.3虛擬化功能評估 1226960第八章能耗管理 12265408.1能耗管理概述 1257648.2動態電壓與頻率調整 12207758.3能耗優化策略 1315598第九章可靠性與容錯設計 1348569.1可靠性與容錯基本概念 13162389.1.1可靠性定義 13323229.1.2容錯定義 14177479.1.3可靠性與容錯的關系 14135439.2容錯機制設計 14270089.2.1故障分類 1432379.2.2容錯機制設計原則 14162849.2.3常見容錯機制 14296849.3可靠性優化策略 14184019.3.1硬件可靠性優化策略 14120769.3.2軟件可靠性優化策略 15282319.3.3系統級可靠性優化策略 1514197第十章未來發展趨勢與展望 152255510.1高功能計算機系統發展趨勢 15474710.2面向特定應用的高功能計算機系統設計 15698110.3高功能計算機系統在我國的研發與應用前景 16第一章緒論1.1高功能計算機系統概述高功能計算機系統，簡稱高功能計算系統，是指具有強大計算能力、高速度、高可靠性和高可擴展性的計算機系統。這類系統主要用于解決大規模科學計算、工程模擬、數據分析等復雜問題，是現代科學技術發展的重要支撐。高功能計算機系統具有以下特點：（1）高計算能力：高功能計算機系統能夠在短時間內完成大量計算任務，為科學研究、工程設計等領域提供快速、準確的計算結果。（2）高速度：高功能計算機系統具備高速數據處理和傳輸能力，以滿足大規模數據計算的需求。（3）高可靠性：高功能計算機系統在長時間運行過程中，能夠保持穩定、可靠的功能，保證計算結果的準確性。（4）高可擴展性：高功能計算機系統可以靈活地擴展計算資源，適應不斷增長的計算需求。1.2系統架構設計的重要性系統架構設計是高功能計算機系統研發的核心環節，它決定了系統的功能、可靠性、可擴展性等關鍵指標。以下是系統架構設計在高功能計算機系統中的重要性：（1）功能優化：系統架構設計直接影響計算機系統的功能。合理的設計可以充分發揮硬件資源的優勢，提高系統運行速度和計算能力。（2）可靠性保障：系統架構設計要考慮各種故障情況，通過冗余設計、故障檢測與恢復機制等手段，提高系統的可靠性。（3）可擴展性：高功能計算機系統需要具備較強的可擴展性，以滿足不斷增長的計算需求。系統架構設計要充分考慮硬件和軟件的升級擴展，保證系統在未來仍具備競爭力。（4）資源利用：系統架構設計要合理利用各種資源，包括計算資源、存儲資源、網絡資源等，提高資源利用率，降低系統成本。（5）兼容性：高功能計算機系統需要與現有的軟件、硬件、網絡等兼容，以滿足用戶的使用需求。系統架構設計要充分考慮兼容性問題，保證系統的順利運行。（6）技術前瞻：系統架構設計要具有一定的前瞻性，緊跟國際高功能計算領域的發展趨勢，為我國高功能計算機系統的發展奠定基礎。系統架構設計在高功能計算機系統中具有舉足輕重的地位，它是決定系統功能、可靠性、可擴展性等關鍵指標的關鍵因素。第二章處理器架構設計2.1處理器基本結構處理器作為計算機系統的核心部件，其基本結構主要包括以下幾個部分：（1）控制單元：負責對指令進行譯碼并產生相應的控制信號，以協調各個部件的操作。（2）算術邏輯單元（ALU）：負責執行算術運算和邏輯運算。（3）寄存器組：用于臨時存儲數據和地址信息。（4）緩存：用于存儲近期使用的數據和指令，以減少訪問主存儲器的次數。（5）總線接口：負責與外部設備進行數據傳輸。2.2多核處理器設計計算機應用需求的不斷增長，多核處理器逐漸成為主流。多核處理器設計主要包括以下幾個方面：（1）核心數量：根據應用需求和功能要求，確定核心的數量。（2）核心類型：選擇同構或異構核心，同構核心具有相同的功能，異構核心具有不同的功能。（3）緩存結構：設計多級緩存，提高數據訪問效率。（4）互連結構：設計高效的互連結構，實現各個核心之間的通信。（5）電源管理：優化電源管理策略，降低能耗。2.3處理器功能優化策略為了提高處理器功能，以下幾種策略被廣泛應用：（1）流水線技術：通過將指令執行過程分解為多個階段，實現指令的并行執行。（2）超標量和超流水線技術：通過增加執行單元和流水線級數，提高指令吞吐率。（3）動態調度技術：根據指令之間的依賴關系，動態調整指令執行順序，減少執行延遲。（4）數據級并行技術：通過挖掘數據之間的并行性，提高數據處理速度。（5）分支預測技術：預測程序中分支指令的執行路徑，減少分支預測失誤帶來的功能損失。（6）存儲優化技術：通過優化緩存結構、預取策略等，提高數據訪問效率。（7）能耗優化技術：通過降低處理器工作頻率、動態調整核心數量等方法，降低能耗。第三章存儲系統設計3.1存儲層次結構存儲層次結構是高功能計算機系統設計中的重要組成部分，其目的是在滿足功能、容量和成本要求的前提下，實現數據的高效存儲與訪問。存儲層次結構通常包括以下幾層：3.1.1緩存層（Cache）緩存層是存儲層次結構中最靠近處理器的一層，其主要功能是提供快速的數據訪問。緩存層通常分為一級緩存（L1Cache）和二級緩存（L2Cache），有時還包括三級緩存（L3Cache）。各級緩存的大小、速度和訪問模式有所不同，但總體目標是減少處理器訪問主存儲器的次數，提高系統功能。3.1.2主存儲器層（MainMemory）主存儲器層是存儲層次結構的第二層，其主要作用是存儲操作系統、應用程序以及運行時數據。主存儲器通常采用動態隨機存取存儲器（DRAM）技術，具有較高的容量和訪問速度。但是與緩存層相比，主存儲器的訪問速度仍然較慢。3.1.3輔助存儲器層（AuxiliaryStorage）輔助存儲器層包括硬盤驅動器（HDD）、固態硬盤（SSD）等設備，其主要作用是存儲大量數據。輔助存儲器的容量較大，但訪問速度相對較慢。在存儲層次結構中，輔助存儲器通常用于存儲非活躍數據或備份。3.2存儲器功能優化為了提高存儲系統的功能，以下幾種策略被廣泛應用于高功能計算機系統：3.2.1緩存優化緩存優化包括緩存數據替換策略、緩存行大小調整、緩存一致性維護等。通過合理調整緩存參數，可以降低緩存缺失率，提高緩存命中率，從而提高存儲系統的功能。3.2.2數據布局優化數據布局優化主要針對主存儲器層，包括數據壓縮、數據局部性優化、數據對齊等。通過優化數據布局，可以減少訪問主存儲器的次數，提高存儲系統的功能。3.2.3存儲系統并行化存儲系統并行化是指將多個存儲設備或存儲模塊組織成并行結構，以實現更高的數據訪問速度。常見的并行化策略包括存儲器條帶化、數據分割等。3.3存儲器能耗管理計算機系統功能的提高，存儲系統的能耗問題日益突出。以下幾種策略可用于降低存儲系統的能耗：3.3.1動態電壓與頻率調整（DVFS）動態電壓與頻率調整技術根據存儲系統的負載動態調整工作電壓和頻率，從而降低能耗。在低負載情況下，降低電壓和頻率可以顯著降低功耗。3.3.2存儲器休眠與喚醒存儲器休眠與喚醒技術通過將存儲器置于低功耗狀態，減少能耗。當需要訪問存儲器時，系統將其喚醒至正常工作狀態。3.3.3存儲器分區與數據遷移存儲器分區與數據遷移技術將存儲器劃分為多個分區，根據數據訪問模式將數據遷移至不同分區。通過合理分配存儲資源，降低能耗。3.3.4存儲器壓縮與去重存儲器壓縮與去重技術通過對數據進行壓縮和去重，減少存儲器中的數據量，從而降低能耗。在保證數據完整性和功能的前提下，這些技術可以有效地降低存儲系統的能耗。第四章總線與通信系統設計4.1總線系統概述總線系統是高功能計算機系統的重要組成部分，它負責連接各個計算機硬件組件，如CPU、內存、I/O設備等，并實現數據的高速傳輸。總線系統設計的合理性直接影響到整個計算機系統的功能。總線系統主要包括以下幾個部分：總線控制器、總線接口、總線傳輸介質和總線協議。總線控制器負責管理總線的操作，協調各個設備之間的數據傳輸；總線接口負責將設備與總線相連，實現數據的高速傳輸；總線傳輸介質是數據傳輸的載體，如電纜、光纖等；總線協議則規定了數據傳輸的規則和格式。4.2高速總線設計高速總線設計是提高計算機系統功能的關鍵。以下從幾個方面介紹高速總線的設計要點：（1）總線寬度：總線寬度決定了數據傳輸的帶寬。增加總線寬度可以提高數據傳輸速率，但也會增加硬件成本和功耗。因此，在滿足功能需求的前提下，合理選擇總線寬度。（2）總線時鐘頻率：提高總線時鐘頻率可以增加數據傳輸速率。但過高的時鐘頻率會導致信號完整性問題，如信號失真、反射等。因此，在保證信號完整性的前提下，選擇合適的總線時鐘頻率。（3）總線拓撲結構：總線拓撲結構決定了數據傳輸的路徑和延遲。常見的總線拓撲結構有星型、環型、菊花鏈等。根據系統需求和功能要求，選擇合適的總線拓撲結構。（4）總線協議：總線協議規定了數據傳輸的規則和格式。合理設計總線協議可以提高數據傳輸效率，降低誤碼率。常見的總線協議有PCIe、USB、SATA等。4.3通信協議與功能優化通信協議是計算機系統中各個組件之間進行數據傳輸的規則。合理設計通信協議可以提高系統功能，降低誤碼率。以下從以下幾個方面介紹通信協議與功能優化：（1）通信協議層次：通信協議分為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層等。合理設計各個層次的通信協議，可以使數據傳輸更加高效、可靠。（2）錯誤檢測與糾正：在數據傳輸過程中，可能會出現誤碼。通過在通信協議中加入錯誤檢測與糾正機制，可以提高數據傳輸的可靠性。常見的錯誤檢測與糾正方法有奇偶校驗、CRC校驗等。（3）流量控制：為了防止數據丟失或重復，需要在通信協議中引入流量控制機制。常見的流量控制方法有停等協議、后退N幀協議等。（4）數據壓縮與解壓縮：通過數據壓縮技術，可以減少數據傳輸量，提高傳輸效率。在通信協議中引入數據壓縮與解壓縮算法，可以進一步提高系統功能。（5）數據緩存：在通信協議中引入數據緩存機制，可以降低數據傳輸的延遲，提高系統功能。同時合理設置緩存大小和替換策略，可以進一步提高緩存利用率。通過以上幾個方面的優化，可以有效地提高計算機系統的通信功能，為高功能計算機系統架構設計提供有力支持。第五章高速緩存設計5.1緩存基本原理緩存（Cache）是計算機體系結構中的一個重要組成部分，其主要目的是減小處理器與內存之間的速度差距。緩存的基本原理是利用程序訪問的局部性原理，即程序在一段時間內往往只訪問內存中的一部分數據。當處理器需要訪問一個數據時，首先會查找緩存中是否存在該數據。如果緩存命中（CacheHit），則直接從緩存中讀取數據，從而避免了訪問較慢的內存。如果緩存未命中（CacheMiss），則需要從內存中讀取數據，并將數據寫入緩存，以便下次訪問時可以直接從緩存中讀取。5.2緩存結構設計緩存結構設計主要包括緩存容量、緩存行大小、緩存映射方式和緩存替換策略等方面。（1）緩存容量：緩存容量決定了緩存能夠存儲多少數據。一般而言，緩存容量越大，緩存命中的概率越高，但也會增加緩存的設計復雜度和成本。（2）緩存行大小：緩存行是緩存中存儲數據的基本單元，其大小一般為2的冪次。緩存行大小決定了緩存可以存儲的數據塊大小，較小的緩存行可以提高緩存利用率，但可能導致緩存未命中的概率增加。（3）緩存映射方式：緩存映射方式決定了數據在緩存中的存儲位置。常見的緩存映射方式有直接映射、組相聯映射和全相聯映射等。不同的映射方式在緩存容量、緩存行大小和緩存未命中率等方面有不同的表現。（4）緩存替換策略：當緩存發生未命中時，需要從內存中讀取數據并寫入緩存。如果緩存已滿，則需要根據替換策略選擇一個緩存行進行替換。常見的緩存替換策略有最近最少使用（LRU）、最少使用（LFU）和隨機替換等。5.3緩存功能優化緩存功能優化是提高計算機系統整體功能的關鍵環節。以下是一些常見的緩存功能優化方法：（1）增加緩存容量：增加緩存容量可以提高緩存命中的概率，從而減少訪問內存的次數。但需要注意，緩存容量增加會導致成本和功耗的增加。（2）優化緩存映射方式：選擇合適的緩存映射方式可以提高緩存利用率，減少緩存未命中的概率。例如，采用組相聯映射可以在保持緩存容量的同時提高緩存命中的概率。（3）優化緩存替換策略：選擇合適的緩存替換策略可以提高緩存利用率，減少緩存未命中的概率。例如，采用LRU替換策略可以優先保留最近訪問過的數據，從而提高緩存命中的概率。（4）采用多級緩存：多級緩存可以將緩存分為多個級別，每個級別具有不同的容量和訪問速度。處理器首先訪問較高級別的緩存，如果未命中，再訪問較低級別的緩存。這樣可以進一步提高緩存命中的概率，降低訪問內存的次數。（5）采用預取技術：預取技術可以在處理器訪問數據之前，提前將數據加載到緩存中。這樣可以減少緩存未命中的概率，提高處理器訪問數據的速度。通過以上方法，可以在一定程度上提高緩存功能，從而提升計算機系統的整體功能。但是在實際應用中，需要根據具體場景和需求進行權衡，以確定最佳的緩存設計方案。第六章并行計算與分布式系統設計6.1并行計算基本概念并行計算是指將一個較大的計算任務分解為若干個子任務，通過多個處理器或多臺計算機協同工作，同時執行這些子任務，從而提高計算速度和效率的一種計算方式。并行計算的基本概念主要包括以下幾點：（1）并行性：并行性是指任務可以分解為多個子任務，且這些子任務可以同時執行。并行性分為數據并行性和任務并行性兩種類型。（2）并行度：并行度是指一個計算任務可以被分解為多少個子任務，以及這些子任務可以同時在多少個處理器上執行。（3）并行計算模型：并行計算模型是描述并行計算任務執行過程的一種抽象，常見的并行計算模型有共享內存模型、消息傳遞模型和混合模型等。（4）并行算法：并行算法是指針對特定問題，利用并行計算模型設計的算法，以提高計算效率。6.2分布式系統架構分布式系統架構是指將一個計算任務分散到多臺計算機上執行，通過計算機網絡實現這些計算機之間的協同工作。分布式系統架構主要包括以下幾種類型：（1）客戶端服務器架構：客戶端服務器架構是將計算任務分為客戶端和服務器兩部分，客戶端發送請求給服務器，服務器處理請求并將結果返回給客戶端。（2）對等網絡架構：對等網絡架構中，所有計算機地位平等，既可以作為客戶端發送請求，也可以作為服務器處理請求。（3）層次化架構：層次化架構是將計算任務按照層次進行劃分，每個層次負責完成特定的功能，相鄰層次之間通過接口進行通信。（4）分布式數據庫架構：分布式數據庫架構是將數據庫分布在多臺計算機上，通過計算機網絡實現數據共享和一致性。6.3并行計算功能優化在并行計算與分布式系統設計中，功能優化是提高計算效率的關鍵。以下是一些常見的并行計算功能優化方法：（1）負載平衡：負載平衡是指在并行計算過程中，合理分配計算任務到各個處理器或計算機，以充分利用系統資源，降低計算時間。（2）數據通信優化：數據通信是分布式系統中的瓶頸之一，優化數據通信策略，如減少通信次數、選擇合適的通信模式等，可以提高系統功能。（3）并行算法優化：針對特定問題，選擇合適的并行算法，如快速傅里葉變換（FFT）、矩陣乘法等，可以有效提高計算效率。（4）緩存優化：合理利用緩存，減少內存訪問次數，降低內存訪問延遲，可以提高并行計算的功能。（5）指令級并行：通過編譯器優化和指令調度，充分利用處理器的指令級并行能力，提高計算效率。（6）線程級并行：通過合理分配線程到處理器核心，以及優化線程之間的同步和通信，提高并行計算的功能。（7）異構計算：結合CPU和GPU等不同類型處理器的特點，進行任務分配和優化，以提高計算效率。通過以上方法，可以有效提高并行計算與分布式系統的功能，為高功能計算機系統架構設計提供有力支持。第七章虛擬化技術7.1虛擬化基本原理7.1.1虛擬化的概念虛擬化技術是一種將物理計算資源抽象為多個邏輯資源的技術，使得一臺物理計算機能夠同時運行多個獨立的操作系統或應用程序。虛擬化技術主要包括硬件虛擬化、操作系統虛擬化和應用虛擬化等。7.1.2虛擬化技術的發展虛擬化技術起源于20世紀60年代，經過多年的發展，現已成為高功能計算機系統架構設計中不可或缺的一部分。虛擬化技術的發展經歷了以下幾個階段：（1）早期虛擬化：通過軟件模擬硬件，實現多個操作系統的運行。（2）硬件虛擬化：利用CPU硬件支持，提高虛擬化功能。（3）操作系統虛擬化：通過操作系統層面的虛擬化，提高資源利用率和系統穩定性。7.1.3虛擬化技術的核心原理虛擬化技術的核心原理主要包括以下幾個方面：（1）資源抽象：將物理硬件資源抽象為虛擬資源，實現資源的隔離和共享。（2）虛擬機監控器（VMM）：負責管理虛擬機，實現虛擬機與物理硬件的交互。（3）虛擬設備驅動：為虛擬機提供硬件設備驅動，實現虛擬機與物理設備的通信。7.2虛擬機監控器設計7.2.1虛擬機監控器概述虛擬機監控器（VMM）是虛擬化技術的核心組件，負責管理和調度虛擬機。VMM運行在物理硬件之上，介于操作系統和硬件之間，實現對虛擬機的創建、運行、遷移和銷毀等操作。7.2.2虛擬機監控器的設計目標（1）功能：保證虛擬機運行功能，降低虛擬化開銷。（2）可擴展性：支持多種硬件平臺和操作系統。（3）安全性：保證虛擬機之間的隔離，防止惡意攻擊。（4）可管理性：方便用戶對虛擬機進行管理。7.2.3虛擬機監控器的設計方法（1）硬件虛擬化：利用CPU硬件支持，實現虛擬化。（2）軟件虛擬化：通過軟件模擬硬件，實現虛擬化。（3）混合虛擬化：結合硬件虛擬化和軟件虛擬化，實現高功能虛擬化。7.3虛擬化功能優化7.3.1虛擬化功能影響因素（1）硬件資源：CPU、內存、存儲等硬件資源的功能。（2）虛擬化技術：虛擬化技術的實現方式和功能。（3）操作系統：操作系統的功能和兼容性。（4）應用程序：應用程序的功能和資源需求。7.3.2虛擬化功能優化策略（1）硬件優化：提高CPU、內存、存儲等硬件資源的功能。（2）虛擬化技術優化：采用高效的虛擬化技術，降低虛擬化開銷。（3）操作系統優化：選擇高效穩定的操作系統，提高系統功能。（4）應用程序優化：優化應用程序，減少資源消耗。7.3.3虛擬化功能評估（1）基準測試：通過基準測試程序，評估虛擬化功能。（2）實際應用測試：在實際應用場景中，評估虛擬化功能。（3）功能分析工具：使用功能分析工具，分析系統功能瓶頸。通過對虛擬化功能的優化，可以進一步提高高功能計算機系統架構設計的功能和可用性。在未來的發展中，虛擬化技術將繼續發揮重要作用，為高功能計算領域帶來更多創新和突破。第八章能耗管理8.1能耗管理概述信息技術的快速發展，高功能計算機系統的能耗問題日益凸顯。能耗管理旨在降低計算機系統的能耗，提高能源利用效率，從而降低運營成本，減少環境污染。能耗管理涉及到計算機系統的各個方面，包括硬件設計、系統架構、能耗優化策略等。8.2動態電壓與頻率調整動態電壓與頻率調整（DVFS）是一種有效的能耗管理技術。它通過實時調整處理器的工作電壓和頻率，根據系統負載變化進行動態調整，以達到降低能耗的目的。在處理器設計時，應考慮以下因素：（1）電壓和頻率的離散化：將電壓和頻率劃分為多個級別，以便在不同負載下選擇合適的工作點。（2）轉換策略：合理選擇轉換策略，保證在電壓和頻率調整過程中，系統穩定性和功能不會受到太大影響。（3）負載預測：通過實時監測系統負載，預測未來的負載變化，提前調整電壓和頻率，以實現能耗的最優化。8.3能耗優化策略能耗優化策略是計算機系統能耗管理的重要組成部分。以下列舉幾種常見的能耗優化策略：（1）硬件層面的優化：采用低功耗處理器、內存等硬件設備，降低系統的基礎能耗。（2）軟件層面的優化：優化操作系統、編譯器等軟件，提高代碼執行效率，降低能耗。（3）系統架構優化：采用分布式、并行計算等架構，提高計算效率，降低能耗。（4）能耗感知的調度策略：根據系統負載和能耗情況，動態調整任務分配和調度策略，實現能耗的最優化。（5）能耗監控與評估：實時監測系統能耗，評估能耗優化效果，為后續優化提供依據。通過以上能耗優化策略，可以在保證系統功能的前提下，有效降低高功能計算機系統的能耗。第九章可靠性與容錯設計9.1可靠性與容錯基本概念9.1.1可靠性定義可靠性是指計算機系統在規定的時間內、規定的環境下，能夠正常執行規定任務的能力。可靠性是衡量計算機系統功能的重要指標之一，高可靠性意味著系統在長時間運行過程中故障率較低。9.1.2容錯定義容錯是指計算機系統在發生故障時，仍能保持正常功能的能力。容錯設計旨在提高系統的可靠性，降低因故障導致的系統停機時間。9.1.3可靠性與容錯的關系可靠性與容錯是相互關聯的兩個概念。高可靠性意味著系統在運行過程中故障發生的概率較低，而容錯設計則是為了在故障發生時，使系統仍能正常運行，從而提高系統的可靠性。9.2容錯機制設計9.2.1故障分類根據故障的性質，可分為以下幾種類型：（1）硬件故障：包括處理器、內存、硬盤等硬件設備的故障；（2）軟件故障：包括操作系統、應用程序等軟件的故障；（3）人為故障：如操作失誤、誤操作等；（4）環境故障：如溫度、濕度、電源等環境因素引起的故障。9.2.2容錯機制設計原則（1）冗余設計：通過增加硬件或軟件的冗余，提高系統的可靠性；（2）故障檢測與診斷：及時檢測和診斷系統中的故障，為故障處理提供依據；（3）故障恢復：在故障發生后，采取措施使系統恢復正常運行；（4）故障預防：通過預防措施，