Оценка эффективности контроля по третьему крите рию носит в основном апостериорный характер и поэто му здесь не рассматривается.
2. Программный контроль. Наличие некоторого резер ва машинного времени в каждом цикле управления дает возможность применять оперативный тестовый контроль с целью увеличения значений критериев А'го и Г„. Основ ное назначение оперативного тестового контроля заклю чается в обнаружении отказа в управляющей ЦВМ до того момента, как он станет причиной выдачи ложного сигнала на объекты управления. При соответствующем построении тестового контроля его эффективность мо жет приближаться к эффективности аппаратурного конт роля, но благодаря тому что при этом общее количество оборудования ЦВМ будет меньше по сравнению с вари антами аппаратурного контроля, он может оказаться предпочтительнее из-за уменьшения частоты ремонтов и стоимости. К недостаткам оперативного тестового контроля следует отнести:
—необходимость увеличения номинального быстро действия ЦВМ,
—слабую разрешающую способность тестов при вы явлении места отказа,
—задержку времени обнаружения факта наличия отказа, равную периоду прохождения теста.
Для повышения разрешающей способности теста его рекомендуется делать диагностическим с целью обеспе чить максимальную разрешающую способность с точ ностью до функционального узла, содержащего неболь шое количество элементов, и минимальной длитель ности.
Наилучший эффект дают диагностические тесты, по строенные по принципу зацикливания или по принци пу непрерывного выполнения. В первом случае тест со стоит из фиксированной последовательности элементар ных тестов с минимальным приростом контролируемого оборудования.
Т е с т - п р о г р а м м а с зацикливанием работает сле дующим образом. Элементарные тесты выполняются поочередно. При наличии отказа соответствующий эле ментарный тест зацикливается и после определенного числа циклов происходит останов машины (по показани ям счетчика циклов или счетчика времени). Номер эле ментарного теста указывает в данном случае место от
каза. Если при выполнении элементарного теста произо шел случайный сбой, то после его повторения и при от сутствии этого сбоя происходит выход из цикла с пере дачей управления следующему элементарному тесту.
В случае диагностического теста, построенного по принципу непрерывного выполнения, тест-программа так же состоит из фиксированной последовательности элемен тарных тестов, однако при его реализации выполняется вся последовательность вне зависимости от результатов прохождения каждого элементарного теста. Номера не прошедших тестов фиксируются и образуют своего рода диагностическую таблицу. Поскольку такие тест-програм мы реагируют на случайные сбои, то фильтрация их осу ществляется повторным выполнением всего теста с после дующим сравнением полученных диагностических таблиц.
Целесообразность использования тестового контроля оценивается с помощью приведенных выше критериев так лее, как и в случае аппаратурного контроля. При этом стремление уменьшить значение суммы (Тф0 + Тр), входящей в обобщенный коэффициент готовности Кто, до стигается увеличением частоты прохождения тестов и их разрешающей способности. Увеличение частоты прохож дения тестов уменьшает вероятность H(t) выдачи лож ного сигнала на управляемые объекты и тем самым уве личивает значение Тм второго критерия оценки эффек тивности контроля.
Действительно, пусть t —•период включения тест-про грамм с нулевой (для простоты) длительностью, тогда имеем уравнение Вольтерра с разностным ядром
t
Н (t) =
о
где G(i), F(i) — интегральные законы распределения по токов заявок и отказов соответственно.
При пуассоновском распределении этих потоков
Н (0 = X f (1 — e“ v('_х)) е~хЖ 6
откуда следует
H {t)=
где К, v — интенсивности потока отказов ЦВМ и потока заявок соответственно.
Величина H(t) — стремится к нулю при приближении к нулю интервала t, который включает в себя время <tc выработки машиной управляющих воздействий и время tT прохождения тест-программы. Поскольку
и ф О, tT = at ф 0, а = ! ^ - Ф 0 ,
то вероятность посылки ложного сигнала на объекты уп равления при тестовом контроле не может быть сделана сколь угодно малой. К тому же максимальная возможная частота прохождения тестов определяется их конструк цией (количеством элементарных тестов, количеством команд, выйолняемых каждым тестом) и быстродей ствием машины.
Поэтому при изучении целесообразности использова ния тестового контроля следует иметь в виду наличие верхней границы показателя эффективности контроля Тм, обусловленной тем обстоятельством, что в случае не исправности некоторых функциональных узлов прохож дение тест-программы может оказаться вообще невоз можным. В этом случае программный контроль обяза тельно должен сочетаться с аппаратурным.
3.Аппаратурно-микропрограммный контроль. Наряду
сшироко известными методами программного и аппара турного контроля в последнее время находит примене ние аппаратурно-микропрограммный метод контроля оборудования, предложенный И. И. Буровиковым.
Впроцессе вычислений параллельная работа всех устройств машины и тем более всех функциональных
блоков и узлов практически не имеет места. Очередность и продолжительность загрузки оборудования на уровне устройств определяется программой вычислений, а на уровне функциональных блоков и узлов — алгоритмами выполняемых команд. Характер программ конкретных задач может в той или иной степени перераспределять нагрузку между устройствами, но не может создать ус ловий для их непрерывной работы. Поскольку часть обо рудования в некоторые моменты времени работы ЦВМ фактически простаивает, то целесообразно использовать эти моменты времени для ее контроля.
Сущность аппаратурно-микропрограммного контроля заключается в том, что одновременно с выполнением ос новной программы вычислительного процесса с помощью специальных контрольных микропрограмм, заложенных
в конструкции ЦВМ, в те промежутки времени, когда отдельные устройства, блоки и узлы машины не прини мают непосредственного участия в вычислительном про цессе, производится контроль их состояния.
Аппаратурно-микропрограммный контроль выгодно отличается от аппаратурного контроля по объему исполь зуемого оборудования и является перспективным. Аппа ратурно-микропрограммный контроль может быть орга низован как для отдельных узлов и блоков, так и для устройств в целом. Несколько проще эта задача решает ся для отдельных устройств, имеющих, как правило, мест ные блоки управления. При этом необходимое дополни тельное оборудование для организации контроля можно ограничить в пределах 5—7% от контролируемого.
Алгоритм контроля разрабатывается с учетом конк ретной структуры устройства и логики ее функциониро вания и представляет собой полную совокупность микро операций, выполняемых в устройстве. Микрооперации, составляющие алгоритм контроля, группируются в от дельные участки таким образом, чтобы каждый из них выполнялся независимо от результатов, полученных при реализации остальных участков. Кроме того, каждый участок алгоритма контроля имеет такой набор микро операций, выполнением которого достигается конечный результат, необходимый для оценки состояния той части оборудования, которая была занята его реализацией. Это позволяет сократить время обнаружения отказа, повы сить разрешающую способность контроля и исключить необходимость запоминания промежуточных результа тов, получаемых в режиме обслуживания ЦВМ, и тем самым уменьшить объем дополнительного оборудования.
Последовательность микроопераций в участках алго ритма контроля должна отражать естественный ход вы числительного процесса. Алгоритм контроля не исключа ет возможности построения параллельных ветвей внутри каждого участка. Объем алгоритма и соответственно ко личество участков в нем определяется набором всех мик роопераций, выполняемых в данном устройстве. Все из ложенное остается справедливым для объектовой, управ ляющей и задающей частей ЦВМ. Что касается памяти, то идея использования свободных временных интервалов признается в равной мере, как и для других частей ЦВМ, а контрольный алгоритм имеет свою специфику, обуслов ленную особенностями этого устройства. В частности,
это вызвано тем, что оценка состояния оборудования должна проводиться по видам хранимых кодов чисел и команд, для которых невозможно иметь эталоны. Поэ тому контрольный алгоритм памяти должен предусмат ривать такое преобразование воспроизводимых кодов, которое бы позволило выявлять всякое их нарушение, вызванное отказом оборудования.
Аппаратурно-микропрограммный контроль позволяет сократить время запаздывания в обнаружении отказа и затраты специального времени, отводимого на контроль. Такие характеристики контрольной программы, как на дежность и коэффициент полезного действия, становятся практически близкими к единице. Контроль получается более гибким в том смысле, что представляется возмож ность контролировать с относительной оптимальной час тотой различные функциональные узлы в зависимости от их надежностных характеристик. Степень эффективности контроля с точки зрения его полноты и повторяемости зависит от распределения свободных временных интер валов в работе того или иного устройства машины, а также от объема перерабатываемой контрольной инфор мации. Как правило, расчетная частота контроля будет достигнута за счет времени простоя, так как объем конт рольной информации, подлежащей обработке в цикле контроля, всегда неизмеримо меньше объема рабочей информации, перерабатываемой в других устройствах. Если встретится такой маловероятный случай, что тре буемая полнота и кратность контроля в цикле работы ма шины за счет простоя не будут достигнуты, то можно допустить задержку основной программы на время, необ ходимое для завершения контроля. Это время будет опре деляться несколькими тактами контроля, что по отноше нию к общему количеству тактов в цикле будет состав лять весьма малую величину. Объем контрольной информации существенно уменьшается при проверке устройства по программе, разработанной на языке микро операций по сравнению с программой, составленной из полных команд, выполняемых в данном устройстве. Кроме того, выполнение контрольной программы, кото рой присваивается низший приоритет по отношению к программе решаемой задачи, не оказывает каких-либо влияний на ход вычислительного процесса.
При разработке алгоритма контроля ОЗУ необходи мо учитывать следующие требования.
1. Контроль ОЗУ должен быть организован парал лельно с вычислительным процессом в те временные ин тервалы, когда ОЗУ свободно от выполнения команд ос новной программы.
2. Допустимое дополнительное оборудование, необхо димое для организации контроля, не должно превышать (5—7)% от основного контролируемого оборудования.
3.Проведение контроля исправности оборудования ОЗУ не должно влиять на режим работы машины по ос новной программе и увеличивать расчетное время реше ния задачи.
4.Контроль должен гарантировать достоверное выяв ление отказа, вызывающего ошибку любой кратности с указанием места отказа с точностью до разряда.
Алгоритм контроля, разработанный с учетом этих требований, должен обеспечить выполнение следующих функций.
1.Переключение ОЗУ от реализации команд основной программы к автоматическому самоконтролю.
2.Двукратное обращение по каждому адресу в пре
делах |
всей емкости ОЗУ. |
3. Выявление систематической ошибки (отказа) с ука |
занием |
места неисправности. |
4.Формирование сигнала «останов машины» при не исправном оборудовании или сигнала на продолжение контроля при условии, что нет запроса от основной про граммы.
5.Возврат ОЗУ к работе в составе машины по основ ной программе.
Выполнение функций контроля устройством означает следующее. Во временные интервалы, в которые ОЗУ не занято основной программой, устройство переключается
из режима работы в составе машины в автономный ре жим — режим контроля. Блокируются связи ОЗУ с дру гими устройствами машины, которые осуществляются через адресные, числовые и сигнальные магистрали. Од новременно с этим ОЗУ подключается к блоку управле ния автономным режимом. При этом адресная и управ ляющая информация имитируется подключенным к ОЗУ блоком. В качестве рабочей информации используются хранимые в ОЗУ коды чисел и команд. По каждому ад ресу в пределах всей емкости памяти организуется дву кратное обращение, что необходимо для получения конт рольной информации без изменения содержимого ОЗУ,
а результат первого считывания при обращении по дан ному адресу запоминается на время двух тактов работы устройства. Поскольку в режиме контроля анализирует ся состояние оборудования, то задачей проверки являет ся обнаружение систематической ошибки. Систематичес кая ошибка при двукратном обращении выявляется с по мощью алгоритма контроля. Результат первого обраще ния по данному адресу сравнивается с восстановленной информацией. Результаты сравнения используются для выявления факта и места неисправности.
Алгоритм контроля операционного устройства должен удовлетворять следующим требованиям:
1.Охватывать полный набор микроопераций, выпол няемых в устройстве; микрооперации, входящие в алго ритм контроля, должны быть сгруппированы в отдель ные участки с сохранением той последовательности, ко торая существует в алгоритмах команд.
2.Обеспечивать возможность его выполнения в от
дельные такты |
работы |
устройства. |
3. Выявлять |
ошибки |
любой кратности практически |
достоверно и определять место неисправности с точностью до разряда (конструктивного модуля).
4.Не увеличивать расчетное время решения задачи.
5.Сохранять текущую информацию в устройстве и исключать влияние на ход вычислительного процесса по основной программе.
6.Требовать дополнительного оборудования для его технической реализации не более 5—7%.
Кроме этого, алгоритм контроля должен обеспечивать включение операционного устройства в режим обслужи вания ЦВМ при наличии разрешающих признаков, пос ледовательное выполнение отдельных участков контроля или их произвольный выбор, повторное включение того участка, в котором обнаружен сбой, возврат к основной программе или останов машины по сигналу «отказ».
Выбор неповторяющихся последовательностей можно
обеспечить представлением алгоритма выполнения каж дой команды в виде графа с последующей минимиза цией или построением матриц сопряжений и выполнени ем над ними операции логического суммирования. Для выявления состава отдельных участков алгоритма не обходимо из общего набора микроопераций выделить определяющие как по длительности, так и по охвату участвующего при этом оборудования. Для выбранной
микрооперации определяются начало и конец пути про хождения и переработки информации в устройстве с уче том ее логической завершенности. Этапы переработки информации определяют дополнительные микроопера ции, которые совместно с выбранной ранее микроопера цией и составляют одну ветвь участка алгоритма конт роля. Так как устройство в режиме контроля использует в качестве рабочей информации текущие результаты вычислений (хотя возможно генерирование специальных кодов) и не связано с другими устройствами машины, то оказывается возможным уплотнение такта с целью задания более жесткого частного режима работы эле ментов. Аналогично может быть построен алгоритм кон троля устройств управления.
Конкретные виды алгоритмов аппаратурно-микропро граммного контроля основных устройств машины и ме тоды расчета времени обнаружения отказов и оптималь ных частот контроля приведены в работах [53—56].
§6.6. ЗАМЕЧАНИЕ
Вглаве рассмотрены далеко не все вопросы, связанные с вы бором и расчетом основных технических характеристик управляющих ЦВМ. Особое место занимает проблема согласования разрядной сет ки чисел и команд, связанная с унификацией запоминающих устройств. В общем случае при проектировании управляющей ЦВМ для некоторой конкретной автоматизированной системы управления может оказаться, что разрядности команд, исходных чисел, проме жуточных и окончательных результатов, рассчитанные в соответствии
срекомендациями, приведенными во 2-й и в 4-й главах, различны. Применение во всех основных устройствах управляющей ЦВМ
единой разрядной сетки, приспособленной к размещению операндов с наибольшей разрядностью может привести к значительному сни жению коэффициента использования информационной емкости па мяти, а следовательно, к неоправданному завышению объемов всех запоминающих устройств, снижению быстродействия машины, ухуд шению показателей надежности и т. д. В то же время единая раз рядная сетка обладает тем преимуществом, что позволяет унифици ровать запоминающие устройства ЦВМ.
Стремление повысить значение коэффициента использования ин формационной емкости памяти с одновременной ориентацией на при менение унифицированных блоков ЗУ привело к созданию байтовой структуры памяти и процессоров, приспособленных к обработке слов переменной длины (см., например, [18]). При этом байт имеет разрядность, выступающую в роли наибольшего общего делителя для разрядностей других операндов,
ГЛАВА 7
ПОРЯДОК ВЫБОРА И РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УПРАВЛЯЮЩИХ ЦВМ
§ 7.1. ПОРЯДОК ВЫБОРА И РАСЧЕТА ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Как указывалось в первой главе, математически строгое и корректное решение проблемы расчета опти мальной совокупности основных технических характери стик проектируемых управляющих ЦВМ в настоящее время практически невозможно.
В этой связи необходимо, по-видимому, выявить не которую последовательность процедур, связанных с вы бором и расчетом отдельных технических характеристик, которая по своему логическому построению обеспечи вала бы некоторые гарантии выбора если не самой оп тимальной совокупности основных технических характе ристик, то близкой к ней.
В общем случае для расчета некоторой отдельно взя той технической характеристики машины могут потре боваться в качестве исходных следующие сведения:
—требования, предъявляемые к проектируемой ЦВМ,
—некоторые технические характеристики, от которых существенно зависит рассчитываемая характеристика,
—некоторые параметры, которые одновременно за висят и от выбранных уже технических характеристик машины и от характеристик задач, подлежащих реали зации с помощью проектируемой машины.
Обобщение методов выбора и расчета отдельных тех нических характеристик, описанных в предыдущих гла вах, анализ категорий и состава исходной информации, необходимой для эффективного использования этих ме тодов, позволили конкретизировать общий перечень всей информации, требуемой для последовательного решения задач системного проектирования управляющих ЦВМ— выявления совокупности основных технических характе-
ристнк. Ниже по группам приводятся далеко не все па раметры, необходимые при решении задач системного проектирования, а только лишь те, которые нужны для выбора и расчета технических характеристик проекти руемых ЦВМ, рассмотренных в предыдущих главах на стоящей работы.
1-я группа. Требования, предъявляемые к проектируе мой ЦВМ. В этой группе должны быть в первую оче редь названы параметры, характеризующие алгоритмы
управления, |
а именно: |
описание |
задачи |
y = F ( x 1 , |
х2, . |
. хт ) — формульное |
управления |
и особенности численных |
методов, |
выбран |
ных для реализации этой задачи; |
схема вычисли |
Q(La) — операторная (или блок-) |
тельного процесса |
с вероятностными |
оценками |
частот |
выполнения тех или иных блоков, простых и сложных
циклов и т. |
п.; |
слов исходного числового материа |
jVi — количество |
ла, поступающего |
на обработку от внешних объектов; |
N2 — количество |
слов окончательных результатов, |
полученных |
при решении задачи управления и направ |
ляемых на внешние объекты системы в качестве управ ляющих сигналов;
N3 — количество промежуточных результатов, одно временно хранящихся в памяти.
Параметры Nu N2, N3 , как правило, имеют вероятно стный характер, поэтому должны быть указаны их верх ние границы. Кроме того, эти параметры должны отра жать объем информации, задействованной по каждому внешнему объекту системы. В случае, когда управляю щая ЦВМ решает несколько различных задач управле ния разнородными объектами, аналогичные сведения должны быть указаны для каждой задачи.
К этой же группе относятся параметры, отражающие требования к точности решения задачи (задач):
cti^Xi<^.bi—пределы изменения входных аргументов
(i = 1, |
2, .... /л); А ^ у ^ В —пределы изменения значе |
ний |
функции управления; щ — среднеквадратическое |
значение ошибки t-ro аргумента до его поступления в в машину; ам — среднеквадратическое значение ошиб ки выбранного численного метода; сг— допустимое зна чение среднеквадратической ощибки результата на вы ходе управляющей ЦВМ; N — максимальная длина це почки последовательных округлений среди различных
