8.5. Программные методы следящего самоконтроля

Помимо аппаратных методов следящего самоконтроля в вычислительных устройствах широкое распространение получили программные методы следящего самоконтроля. Программные методы следящего самоконтроля основаны на установлении определённых соотношений между объектами, участвующими в ходе выполнения вычислительного процесса, для обнаружения ошибок. В качестве таких объектов могут выступать отдельные команды и микрокоманды, программные модули, функциональные блоки алгоритмов и т.п. Контрольные соотношения устанавливаются на системном, алгоритмическом, программном и микропрограммном уровнях.

В основе формирования контрольных состояний лежат два принципа:

• реализация программными средствами методов функционального диагностирования на основе использования корректирующих кодов;

• составление специальных соотношений по различным правилам, на основе использования временной алгоритмической избыточности (например, двойной или многократный счёт, сравнение с заранее рассчитанными пределами, усечение выполняемого алгоритма и др.).

Оба принципа с успехом используются для контроля всех основных операций, выполняемых вычислительными средствами: операций ввода-вывода, хранения и пересылки информации, арифметических и логических операций.

Достоинством программных методов следящего диагностирования является их гибкость и возможность использования любого их сочетания. Но для своей реализации они требуют дополнительных затрат машинного времени и ресурсов памяти, а также дополнительных операций по программированию и подготовке данных.

Первый принцип, использующий корректирующие коды, принципиально не отличается от его аппаратной реализации, рассмотренной выше (см. подраздел 8.3). Его программная реализация требует лишь использования расширенных форматов данных и команд, поэтому мы его рассматривать не будем. Рассмотрим лишь некоторые наиболее простые методы, реализующие второй принцип.

Контроль методом двойного или многократного счёта состоит в том, что решение всей задачи в целом или отдельных её частей выполняется два и более раза с последующим сравнением результатов. Реализация двойного или многократного счёта состоит в том, что алгоритм вычислений разбивается на отдельные участки, для которых определяются контрольные точки. В этих точках производится сравнение, а результаты при совпадении заносятся в специально выделяемые зоны памяти. После повторного счёта каждого такого участка производится операция сравнения и проверка условий перехода к следующему фрагменту вычислений или повторному счёту.

Контроль методом экстраполяции отличается сравнительной простотой при высокой эффективности обнаружения ошибок, происходящих как из-за сбоев, так и ошибок в исходных данных. Сущность метода состоит в том, что кроме вычисления текущих значений величины (при пошаговой вариации входных данных) производится экстраполирование её значения по результатам предыдущих шагов. Экстраполируемое значение вычисляемой величины чаще всего определяется по трём предыдущим точкам по формуле Лагранжа:

, (8.20)

где – вычисленные значения величины на (i-1)-ом, (i-2)-ом и (i-3)-м шаге вариации входных данных.

Вычисленное значение величины на i-м шаге сравнивается с экстраполируемым значением для данного шага и, если разница не превышает заданного допуска Δy, то вычисление считается правильным, если же превышает допуск, то это является сигналом ошибки и производится повторное вычисление. Но если результат повторного вычисления совпадает с предыдущим, то он признаётся правильным и происходит переход к следующему шагу. Величина Δy может превысить допуск из-за того, что вычисляемая функция в данной точке резко изменяет своё значение. Однако это может произойти и при постоянной ошибке во входных данных или при константном отказе, что выявляется при следующих шагах.

Контроль по методу усечённого алгоритма заключается в следующем. При составлении программы вычислительного процесса анализируются выполняемые алгоритмы, которые разбиваются на отдельные фрагменты, и для каждого фрагмента помимо точного (полного) алгоритма строится упрощённый (усечённый) алгоритм с оценкой возможных пределов ошибки. В процессе вычислений весь алгоритм или его фрагменты вычисляются дважды – по точной (полной) программе и по усечённой (приближённой) программе. Результаты вычислений сравниваются с заданными пределами возможной ошибки усечённого алгоритма. Если разница результатов вычислений по точному и усечённому алгоритму не превышает заданных пределов погрешности усечённого алгоритма, то результат считается правильным.

Проверка предельных значений или метод ˝вилок˝ может использоваться во многих вычислительных задачах, где можно вычислить предельные значения, между которыми должна находиться вычисляемая величина. Этот метод позволяет находить грубые ошибки, вызванные как сбоями, так и ошибками в исходных данных.

Контроль методом обратного счёта заключается в том, что по полученным значениям функции вычисляют соответствующие значения аргумента и сравнивают их с исходными. Для обратного просчёта часто используют обратные функции (например, sin(x) и arcsin(x), e^х и ln(x)). Применение данного метода оправдано в тех случаях, когда расчёт обратных функций требует меньше машинного времени, чем прямых. Например, операция умножения выполняется быстрее, чем деление.

Метод контрольных сумм заключается в том, что отдельным, не изменяющимся в процессе вычислений массивам кодовых слов (исходным данным, программам, содержимому ПЗУ и т.п.) ставятся в соответствие контрольные слова, которые получаются путём суммирования всех кодовых слов данного массива. Данный метод широко используется при контроле ПЗУ и при пересылке массивов данных в ДЗУ и внешние устройства ЭВМ.

Метод обратной связи широко используется при обмене информацией между различными устройствами ЭВМ. Он заключается в том, что принятые данные тут же передаются обратно в устройство, из которого получены, или в процессор (если передача осуществлялась через процессор) и там сравниваются с исходными. Если они совпадают, то передача проведена правильно, если нет, то эти данные передаются повторно. Если же и повторная передача проведена неверно, то это является признаком неисправности.

Контроль за временем решения задач часто используется для контроля правильности хода вычислительного процесса, особенно при использовании циклических алгоритмов. Для этих же целей используют маркерные метки времени, реализуемые в системах реального времени. При использовании данного метода программно реализуется счётчик программного времени, куда при переходе к каждому новому фрагменту программы заносится число, соответствующее предельному времени выполнения данного фрагмента программы. Если выполнение данного фрагмента превысит данное предельное время, то в счётчике образуется нулевое число, что свидетельствует об ошибке или неисправности.

Существуют и другие способы программного следящего контроля, которые находят применение и как самостоятельные, и в сочетании с теми или иными вышеизложенными методами.

Таким образом, следящий самоконтроль и самодиагностирование применяется как на уровне функциональных узлов, так и на уровне вычислительного средства в целом, может осуществляться как аппаратными, так и программными методами и их всевозможными сочетаниями. Но в любом случае такой контроль требует либо аппаратной избыточности, либо снижает производительность вычислительного процесса, а чаще всего происходит и то, и другое вместе.

Вопросы для самоконтроля:

1. В чём состоит сущность двух основных методов самоконтроля электронных средств – тестового и следящего?

2. Каким образом реализуется самотестирование методом сигнатурного анализа при неавтоматизированном сканировании контрольных точек?

3. Каковы возможные варианты самотестирования с неавтоматизированным сканированием контрольных точек?

4. Что необходимо для полной автоматизации самотестирования методом сигнатурного анализа?

5. Что представляет собой элемент BILBO, позволяющий автоматизировать самотестирование электронных средств с использованием метода сигнатурного анализа?

6. Как реализуется автоматическое самотестирование с использованием элементов BILBO?

7. Что представляют собой корректирующие коды и каковы общие теоретические основы их построения?

8. Что такое минимальное кодовое расстояние двоичного кода и какова его связь с корректирующей способностью кода?

9. Описать процедуру кодирования и декодирования простейшего корректирующего кода, обнаруживающего однократные ошибки.

10. Описать процедуру кодирования и декодирования кода Хэмминга исправляющего однократные ошибки.

11. Каковы теоретические основы построения циклических кодов?

12. Какова процедура кодирования циклического кода?

13. Какова процедура декодирования циклического кода?

14. Как производится выбор порождающего полинома циклического кода?

15. Описать процедуру построения циклического кода, исправляющего однократные и обнаруживающего двойные ошибки.

16. Назвать другие виды корректирующих кодов и указать их корректирующую способность.

17. Нарисуйте структурные схемы аппаратной реализации следящего контроля методами простого и мажоритарного дублирования и поясните их работу.

18. В чём состоит метод самоконтроля по модулю?

19. В чём состоит суть программного метода самоконтроля путём многократного счёта?

20. В чём состоит суть программного метода самоконтроля путём экстраполяции результата?

21. В чём состоит программный метод самоконтроля с использованием усечённого алгоритма?

22. В чём состоит самоконтроль с использованием метода обратного счёта?

23. В чём состоит самоконтроль с использованием метода контрольных сумм?

24. В чём состоит самоконтроль с использованием принципа слежения за временем решения задач?

25. В чём состоит самоконтроль с использованием метода обратной связи и в каких случаях он используется?

9. Анализ качества технологических процессов

производства электронных средств

9.1. Структурный анализ технологического процесса и

общая структурная схема управления им

Любой технологический процесс можно разбить на последовательность технологических и контрольных операций. Технологические операции, как правило, выполняются с помощью специализированного технологического оборудования. Контрольные операции могут выполняться автоматически, с помощью встроенных в технологическую линию автоматических контрольно-измерительных средств, и вручную – с помощью стандартных или специализированных неавтоматических контрольно-измерительных средств. Причём, помимо контроля параметров самих изделий, полуфабрикатов, сырья, основных, вспомогательных материалов и комплектующих изделий, могут контролироваться различные параметры самого технологического процесса, определяющие режимы работы технологического оборудования.

Комплект технологического оборудования, на котором выполняется определённая технологическая операция (или группа тесно связанных между собой технологических операций), образует аппаратурно-процессорную единицу (АПЕ). АПЕ помимо чисто технологического оборудования обычно включает в себя встроенные исполнительные устройства для ручного или автоматического регулирования (управления) технологическим процессом и датчики или контрольно-измерительные приборы для контроля наиболее важных параметров технологического процесса, который также может осуществляться автоматически или вручную.

Комплект специального контрольно-измерительного оборудования для автоматического или ручного контроля качества выходного продукта или входного сырья (заготовок, материалов) образует контрольный пост (КП).

С учётом этого структурную схему любого технологического процесса можно представить в виде последовательности аппаратурно-процессорных единиц и контрольных постов. Кроме них, для осуществления эффективного управления технологическим процессом эта структурная схема, как правило, должна содержать: систему сбора и обработки технологической информации (ССОТИ); систему отображения, регистрации и хранения технологической информации (СОРХТИ) и, в общем случае, систему анализа технологической информации и выработки управляющих воздействий (САТИиВУВ). В итоге, структурная схема технологического процесса изображается в виде, показанном на рис. 9.1. На этом рисунке каждая АПЕ снабжена встроенными контрольно-измерительными средствами и исполнительными устройствами. Реально это бывает не всегда. Для выполнения некоторых простейших (особенно ручных) операций могут использоваться простейшие технологические приспособления, не имеющие встроенных контрольно-измерительных средств, а органы регулирования используются ручные. В этом случае и соответствующие технологические операции, и контрольные выполняет рабочий-оператор. Централизованная система сбора и обработки технологической информации также может отсутствовать, но в этом случае её функции выполняют операторы и контролёры на своих рабочих местах, т. е. аппаратно она представляет собой встроенные и ручные контрольно-измерительные средства АПЕ и контрольные посты, рассредоточенные по всей технологической линии. Соответственно, и система отображения, регистрации и хранения технологической информации (СОРХТИ) в этом случае будет рассредоточена по всей технологической линии. При этом часть информации может регистрироваться автоматически (с помощью аналоговых или цифровых регистрирующих измерительных приборов), а часть фиксируется вручную (в журналах контролёров, дефектных ведомостях, контрольных картах и т.п.). Анализ технологической информации с целью выработки управляющих воздействий в этом случае выполняется в основном на рабочих местах (АПЕ и КП) на основе локальной, имеющейся на данном рабочем месте, информации. Централизованно обрабатывается лишь небольшая часть всей собираемой информации. Обобщающая информация концентрируется в центральном диспетчерском пункте и происходит это с существенным запаздыванием. По этой информации диспетчер или дежурный технолог принимает наиболее важные решения по корректировке технологического процесса.

В автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП) подсистемы ССОТИ, СОРХТИ, САТИиВУВ выполняются на основе микропроцессорных средств и ЭВМ и большинство их функций выполняется программно. Такие системы обычно бывают иерархическими, включая в себя подсистемы автоматического регулирования отдельными параметрами технологического процесса и автоматизированного управления отдельными АПЕ или их определённых групп. Однако при этом не исключается наличие централизованной системы сбора и обработки информации, в которую поступает не только информация с датчиков и других автоматических контрольно-измерительных средств, но и информация, вводимая вручную с терминалов, имеющихся на контрольных постах.

Система отображения, регистрации и хранения технологической информации также может иметь несколько иерархических уровней. Нижний уровень включает средства отображения и регистрации технологической информации непосредственно на рабочих местах операторов, обслуживающих отдельные АПЕ, и контролёров. А на верхний уровень (в центральный диспетчерский пункт) поступает уже обобщённая информация из системы ССОТИ. В современных системах для отображения технологической информации, как правило, используются мониторы операторских станций диспетчера, технолога, начальников участков и т.д. Сами операторские станции входят в указанные подсистемы управления технологическим процессом и построены на базе персональных ЭВМ в промышленном исполнении. Это обеспечивает очень широкие возможности отображения самой разнообразной технологической информации в наиболее наглядном и удобном для восприятия виде. Как правило, общий ход технологического процесса отображается в виде мнемосхемы технологического процесса, сопровождаемой цифровой и сигнальной информацией о важнейших его параметрах и их отклонений от номинальных значений. В фоновом режиме на эти дисплеи выдаётся текущая обобщённая информация о ходе технологического процесса: текущие значения основных параметров технологического процесса, обобщённые показателем качества выходного продукта, количество произведённой продукции к данному моменту времени и т.п.; но по запросу оператора может выдаваться любая другая информация, хранящаяся в системе.

Степень автоматизации управления технологическим процессом может быть разной в зависимости от сложности процесса, наличия достаточно адекватной математической модели и наличия в АПЕ программно-управляемых исполнительных устройств. В большинстве случаев для управления сложными технологическими процессами используется многоуровневое управление. Ряд параметров технологического процесса, которые требуется поддерживать на заданном уровне или изменять по жёстко заданной программе, управляются полностью автоматически. Сюда же может относиться управление выдержками времени (например, выдержка экспозиций в операциях фотолитографии или при изготовлении печатных плат). Что же касается вмешательства в режимы технологических процессов с целью устранения обнаруженных в процессе контроля готовой продукции или полуфабрикатов отклонений по качественным характеристикам, то они осуществляются чаще всего технологами, а подсистема САТИиВУВ выступает здесь в роли «советчика», подсказывая технологу наиболее оптимальные управляющие воздействия и предоставляя ему всю необходимую для принятия решения информацию.

Одновременно с задачами контроля и управления технологическим процессом АСУТП выполняет функции диспетчеризации производства и учёта изготовленной продукции, а также расхода основных и вспомогательных материалов и комплектующих изделий, ресурса инструмента, технологической оснастки, основного и вспомогательного технологического оборудования. На основе накапливаемой информации АСУТП регулярно (после каждой рабочей смены, раз в сутки, раз в неделю или в декаду, раз в месяц) формирует итоговые сводки о ходе производственного процесса за соответствующие периоды, необходимые для административного управления производством, для бухгалтерского учёта, материально-технического обеспечения производства, начисления заработной платы персоналу и т.д. Эта же информация поступает в автоматизированную систему управления более высокого уровня, например, в интегрированную систему управления цехом или предприятием в целом.

В настоящее время явственно наблюдается тенденция строить интегрированные автоматизированные системы управления производством на базе АСУТП. Это вполне оправдано, поскольку все дополнительные функции интегрированной системы управления, такие как: оперативное планирование производства, бухгалтерский учёт, управление кадрами, управление запасами, учёт выполнения заказов и поставок, материально-техническое обеспечение производства и т.п., осуществляются, в основном, программными средствами, и могут быть выполнены на тех же ЭВМ, которые задействованы в АСУТП. Обычно для построения интегрированной системы управления производством создаётся локальная сеть персональных ЭВМ, в которой большая часть ПЭВМ используется в виде интеллектуальных терминалов, но их вычислительные ресурсы и ресурсы памяти могут использоваться для решения общих задач, многократно увеличивая ресурсы центральной ЭВМ.

В данном случае на рис. 9.1 была представлена простейшая структура технологического процесса, где все технологические операции выполняются строго последовательно и отсутствуют параллельные участки и перекрёстные материальные и информационные потоки. Структура реальных технологических процессов может быть более сложной. Материальные и информационные потоки на отдельных участках способны расходиться на параллельные ветви и вновь сходиться. Выходная информация с определённой АПЕ может быть использована в качестве входной не только в следующей АПЕ, но и в нескольких других и т.п. Поэтому оценить и проанализировать взаимодействие информационных потоков в такой системе бывает весьма сложно и построение структурной схемы технологического процесса, аналогичной той, что была показана на рис. 9.1, помогает наглядно отобразить все материальные и информационные потоки. Это облегчает анализ их взаимодействия, выбор контролируемых параметров и оценку их информативности.

Даже если технологический процесс не автоматизирован, построение его структурной схемы весьма полезно, т.к. позволяет рационально расположить технологическое оборудование и облегчить транспортировку материальных потоков от одной АПЕ к другой, определить узкие места, сдерживающие производительность всего процесса, лучше организовать диспетчеризацию производства, учёт и анализ сопутствующей технологической и производственной информации и, тем самым, повысить эффективность управления всем производственным процессом.