容錯是容忍錯誤的簡稱，容錯系統(tǒng)是指在發(fā)生硬件故障或存在軟件錯誤的情況下，仍能繼續(xù)正確完成指定任務的系統(tǒng)。設計與分析容錯系統(tǒng)的各種技術稱為容錯技術。有關計算機容錯技術的各種理論及研究已經(jīng)發(fā)展成為計算機學科的一個重要分支，稱為容錯計算(Fault－tolerant Computing)。設計容錯系統(tǒng)的指導思想是：系統(tǒng)發(fā)生故障時能自動檢出并使系統(tǒng)自動恢復正常運行。
　　為保證系統(tǒng)具有高可靠、長壽命和響應迅速，必須采用容錯技術。從功能上講，一個容錯系統(tǒng)可用圖1所示框圖來描述，系統(tǒng)模塊可由若干個功能相同的子模塊并聯(lián)組成，故障檢測模塊對系統(tǒng)模塊的功能進行檢測，檢測到故障后由故障處理模塊對系統(tǒng)模塊進行重新配置，使系統(tǒng)在部分模塊失效的情況下，仍能輸出正確結(jié)果。在這個系統(tǒng)中，故障檢測模塊和故障處理模塊起著至關重要的作用，它們往往是系統(tǒng)的薄弱點。因此，容錯系統(tǒng)要有高的可靠性必須保證故障檢測和處理模塊的可靠性，故障檢測系統(tǒng)不僅要檢測系統(tǒng)模塊的故障，而且還要能夠檢測自身的故障，使故障處理模塊得以正確處理所發(fā)生的故障。

　　自校驗技術是用于故障快速檢測的一種有效手段，特別是具有完全自校驗性質(zhì)的自校驗裝置，它不僅能及時檢出系統(tǒng)模塊的差錯，還能檢測出自身的差錯。在容錯系統(tǒng)設計中，將自校驗網(wǎng)絡置于系統(tǒng)中，可大大提高系統(tǒng)對差錯的反應能力，使差錯潛伏期縮短，有效地防止錯誤傳播。
1 自校驗網(wǎng)絡定義
　　一個容錯系統(tǒng)，其所有可能的輸出值組成的集合U(稱輸出空間)由S和U－S兩部分組成。當系統(tǒng)中無故障時，系統(tǒng)輸出S中的元素，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障則輸出U－S中的元素。
　　如果一個電路的正常輸出集S是一個檢錯碼集，則該電路稱為自校驗電路。在無故障發(fā)生的情況下，自校驗電路輸出碼向量；當預定故障發(fā)生時，則輸出非碼向量。連接在自校驗電路輸出端的校驗器監(jiān)督電路的輸出，當非碼向量出現(xiàn)時，校驗器給出差錯指示。自校驗電路與校驗器一起構(gòu)成了自校驗網(wǎng)絡，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　下面我們給出自校驗網(wǎng)絡的幾個概念，設S(X)是輸入向量空間，S_n(X)是合法輸入向量空間，S_a(X)是非法輸入向量空間，S(F)是輸出向量空間，S_n(F)是合法輸出向量空間，S_a(F)是非法輸出向量空間，F(xiàn)_s^c是組合邏輯網(wǎng)絡所考慮的單故障集，網(wǎng)絡的所有輸入取自其合法輸入集。
　　定義1：組合邏輯網(wǎng)絡對F_s^c是自測試的(簡稱ST)，若：對任意故障f∈F_s^c存在X∈S_n(X)，使網(wǎng)絡輸出Gf(X)∈S_a(F)。
　　該定義是說對給定單故障集中的任何一個故障，總存在一個合法輸入，它將導致組合邏輯網(wǎng)絡產(chǎn)生非法輸出，即用該輸入可檢測此故障。
　　定義2：組合邏輯網(wǎng)絡對F_s^c是故障保險的(簡稱FSE)，若：對任意故障f∈F_s^c、存在X∈S_n(X)、使網(wǎng)絡輸出G_f(X)＝G(X)，或者G_f(X)∈S_a(F)，其中G(X)是網(wǎng)絡的正確輸出。
　　該定義是說在合法輸入條件下，對給定單故障集中的任何一個故障，組合邏輯網(wǎng)絡將給出一個合法輸出或一個非法輸出，但不會給出同該合法輸入不相對應的另一個合法輸出。
　　定義3：組合邏輯網(wǎng)絡對F_s^c是完全自校驗的，若它對F_s^c是自測試的和故障保險的。
　　對給定單故障集中的任何一個故障，完全自校驗的組合邏輯網(wǎng)絡在合法輸入的情況下，或者產(chǎn)生一個合法輸出，或者產(chǎn)生一個非法輸出，且后者在故障存在期間是必然要出現(xiàn)的。這就使得網(wǎng)絡在不產(chǎn)生不正確合法輸出的同時，能并發(fā)檢測F_s^c中的所有故障，這也正是在線測試對差錯檢測及時性的要求。
　　若采用檢錯編碼技術實現(xiàn)自校驗邏輯網(wǎng)絡時，校驗器的任務是用來檢查功能模塊輸出碼字的有效性，它能區(qū)分功能模塊輸出是否合法，這種特性被稱為碼分離特性，其定義如下。
　　定義4：一個邏輯網(wǎng)絡具有碼分離特性，若滿足：
　　(1)任給X∈S_n(X) ，有G(X)∈S_n(F)(合法輸入映射為合法輸出)
　　(2)任給X∈S_a(X)，有G(X)∈S_a(F)(非法輸入映射為非法輸出)
　　定義5：一個邏輯網(wǎng)絡是完全自校驗器，若它具有完全自校驗及碼分離特性。
　　設組合邏輯網(wǎng)絡正確輸入矢量為S_c(X)，則矢量空間S_n(X)－S_c(X)稱作錯誤輸入空間，記作S_e(X)；空間S(X)－S_c(X)被稱作非法及錯誤輸入空間，記作S_ae(X)。由正確輸入空間S_c(X)經(jīng)電路G可在S(F)中產(chǎn)生一個子空間，這個子空間稱為正確輸出空間，記為S_c(F)。同樣，對于合法輸入S_n(X)，由組合邏輯網(wǎng)絡可映射為合法輸出空間S_n(F)、它也是輸出矢量空間S(F)的子集。同樣，空間S_n(F)－S_c(F)被稱作錯誤輸出空間，記作S_e(F)；空間S(F)－S_c(F)被稱為非法及錯誤輸出空間，表示為S_ae(F)。上述輸出之間有如下關系：
　　S(F)＝S_c(F)∪S_ae(F)＝S_n(F)∪S_a(F)
　　S_ae(F)＝S_a(F)∪S_e(F)
　　由上面集合之間的關系我們可以看出，對于無故障組合網(wǎng)絡的正確輸入，其輸出應落入正確輸出空間Sc(F)中。通過對網(wǎng)絡的輸出可部分判定系統(tǒng)工作是否正常(無法判斷某些故障)。當網(wǎng)絡發(fā)生故障時，可分成以下幾種情況：①非法及錯誤輸入被映射成S_c(F)；②輸入S_c(X)被映射成為S_ae(F)；③S_c(X)映入S_c(F)但已不是正確的映射關系，也就是說輸入輸出關系發(fā)生了變化。對于一個高可靠容錯系統(tǒng)來說，必須能夠以比較高的故障覆蓋率來檢測出以上三類差錯(最好在一拍內(nèi)檢出)，使系統(tǒng)及時采取措施，隔離故障，將其影響減小到最低限度。在三類錯誤中，第①類和第②類與第③類相比要好檢測一些，高效檢測第③類錯誤是提高系統(tǒng)故障覆蓋率的關鍵，只有設計出對以上三類錯誤檢出率均較高的檢錯系統(tǒng)，才能保證系統(tǒng)有較高的可靠性。
2 自校驗網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)
　　自校驗網(wǎng)絡具有在無任何外加激勵的情況下能自動檢測其內(nèi)部是否存在故障，這些故障或是永久性的或是暫時性的。設計自校驗網(wǎng)絡的主要技術有檢錯編碼技術，基于自對偶函數(shù)的交替邏輯技術(交織邏輯技術)，基于對偶函數(shù)的互補邏輯技術，還有基于多值邏輯的實現(xiàn)方法，下面我們主要討論一些實用的實現(xiàn)方法。
2.1 雙軌碼校驗器
　　雙軌碼校驗器的原理圖如圖3所示。

　　輸入矢量為(Y₁，Y₂)，其中Yi＝(y_il、y_i2、…y_in)，(i＝1、2)，輸出矢量為Z_e且滿足：
　　Z_e∈S_n(Z_e)＝{(0、0)、(1、1)}、若Y₁≠、且校驗器無故障。
　　利用雙軌碼校驗器的上述特點，設計一對偶組合邏輯網(wǎng)絡，使其輸出向量Y₁和Y₂恰好反相，將Y₁和Y₂加到雙軌碼校驗器輸入端，根據(jù)Z_e就可以判定系統(tǒng)是否發(fā)生故障。
2.2 可分碼校驗器
　　可分碼校驗器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。校驗器的輸入矢量為Y＝(Y1，Y2)，矢量Y₁和Y₂分別對應可分碼的信息分量和校驗分量。其中，信息分量寬度為‖Y1‖＝I，
　　‖Y₂‖＝K，K＝[log2(I＋1)]是校驗分量的寬度，且I＋K＝n，
　　n＝‖Y‖。校驗位生成電路根據(jù)信息位Y₁重新生成校驗位W，由雙軌碼校驗器比較W與Y₂的一致性，在無故障的情況下，校驗器的輸出Z_e指示輸入矢量的有效性。下面的定理給出了圖4完全自校驗可分碼校驗器的構(gòu)造條件。
　　定理：圖4所示的可分碼校驗器是完全自校驗的，若校驗位生成器是一個無冗余的組合邏輯網(wǎng)絡，且比較器是完全自校驗的。

2.3 互補邏輯網(wǎng)絡
　　利用互補邏輯也可以構(gòu)成自校驗電路，如果某一邏輯網(wǎng)絡其輸入輸出關系為f＝g(x₁,x₂、,…,x_n,·,＋)，則可構(gòu)造一互補邏輯網(wǎng)絡，使其輸入輸出關系為其中f和f是互補的，在無故障的情況下，其輸出是互補的；若發(fā)生輸出相同，則兩個邏輯電路中必定有存在故障的情況。互補邏輯網(wǎng)絡實現(xiàn)原理比較直觀，但對較復雜的系統(tǒng)，有許多故障它是檢測不出來的。
2.4 交織邏輯網(wǎng)絡
　　交織邏輯網(wǎng)絡是基于自對偶函數(shù)的自校驗邏輯網(wǎng)絡。一個二進制變量是交替的，記作(x、x)、若x在兩個連續(xù)的時間間隔內(nèi)所取的值互補。