книги из ГПНТБ / Каган Б.М. Цифровые вычислительные машины и системы учеб. пособие

Микрооперация (команда) может быть повторена, если не исказилась используемая в операции информа­ ция (операнды, адреса и т. д.), т. е. если не пройден

«порог повторения». Это проверяет входящая в систему программа обработки сбоев, которая по записанной си­ туации, соответствующей появлению ошибки, определя­ ет, пройден ли порог повторения микрооперации или

650

команды*. Если соответствующий порог пройден, то вмес­ то микрооперации повторяется команда, а вместо коман­

агностируется как сбой и происходит возврат к точке прерывания программы, но перед этим в память запи­ сывается дополнительная информация о состоянии в мо­ мент сбоя вычислительной системы (какие в это время выполнялись операции в периферийных и других уст­ ройствах, название программы, адрес команды, операн­ ды, время). Информация о ситуациях при сбоях и об отказах накапливается во внешнем запоминающем уст­ ройстве и в последующем обрабатывается специальной программой, вырабатывающей определенные рекоменда­ ции обслуживающему персоналу, выполняющему про­ филактические работы.

Если при определенном числе повторений (например, 16) ошибка сохраняется, событие диагностируется как отказ и автоматически приводятся в действие диагности­ ческие процедуры и соответствующие средства для опре­ деления места неисправности. Диагностические проце­ дуры также могут включаться вручную с пульта, напри­ мер, при пуске машины.

Комплекс диагностических программ содержит диаг­ ностические программы процессора, оперативной памя­ ти, каналов и периферийных устройств. Работа комплек­ са диагностических программ и схем диагностики орга­ низуется специальной управляющей программой— ди­ агностическим монитором, получающим от супервизора операционной системы требование на диагностирование определенного устройства, в котором обнаружилась не­ исправность.

Диагностический монитор может инициировать вы­ полнение специальной команды «Диагностика», приводя­ щей в действие управляющие схемы, предназначенные

ряется возможность реконфигурации вычислительной системы путем автоматического отключения неисправно­ го устройства и передачи его функций другому устройст­ ву. Если это возможно, то производится реконфигурация системы, при этом меняются нужным образом логичес­ кие номера устройства. Затем после сообщения операто­ ру об отказе и произведенной реконфигурации происхо­ дит возврат к контрольной точке программы. Если ре­ конфигурация невозможна, САД инициирует на пульте оператора код неисправности. Оператор, пользуясь спра­ вочником неисправностей, находит неисправный блок, ремонтирует или заменяет его. Затем с пульта включает диагностические процедуры. Если отказ устранен, про­ изойдет автоматический возврат к контрольной точке программы.

12-6. П Р И Н Ц И П Ы П О С Т Р О Е Н И Я С И С Т Е М А В Т О М А Т И Ч Е С К О Й Д И А Г Н О С Т И К И

Внедрение интегральных схем, технологии многослой­ ного печатного монтажа и других технологических усо­ вершенствований приводит к уменьшению размеров цифровых вычислительных машин, но одновременно ус­ ложняет доступ к функциональным модулям со стороны обслуживающего персонала.

Быстро увеличивается количество машин, находящих­ ся в эксплуатации. В результате возрастает численность обслуживающего персонала и повышаются требования к его квалификации. Увеличение надежности машин приводит к тому, что вмешательство в целях поиска не­ исправных элементов и ремонта их становится сравни­ тельно редким явлением. Следовательно, наряду с повы­ шением надежности машин наблюдается тенденция к потере эксплуатационным персоналом определенных на­ выков отыскания и устранения неисправностей.

Таким образом, возникает проблема обслуживания непрерывно усложняющихся вычислительных систем в условиях, когда не хватает обслуживающего персонала высокой квалификации.

Современная вычислительная техника ищет решение указанных проблем путем создания систем автоматиче­ ской диагностики неисправностей, которые должны об­ легчить обслуживание и ремонт машин.

652

В зависимости от вида используемых для диагности­ ки средств различают программную, аппаратную (или аппаратно-программную) диагностику. В зависимости от размещения средств диагностики различают внутреннюю диагностику, когда диагностические средства размеща­ ются внутри исследуемого устройства, и внешнюю диаг­ ностику, когда диагностические средства находятся вне устройства. Наконец, в зависимости от времени включе­ ния диагностической системы различают оперативную и профилактическую диагностику. При оперативной диаг­ ностике поиск неисправностей выполняется в процессе работы машины по сигналам системы контроля, опре­ деляющим момент возникновения неиспривности.

Профилактическая диагностика выполняется перио­ дически в заранее запланированные моменты времени, обычно соответствующие периодам профилактической проверки машины. В дальнейшем под системой автома­ тической диагностики (САД) будем понимать внутрен­ нюю оперативную диагностику, средства которой могут использоваться и при профилактической диагностике.

Система автоматической диагностики представляет собой комплекс программных, микропрограммных и ап­ паратных средств и справочной документации (справоч­ ников неисправностей, инструкций, схем ЦВМ, тестов).

Основными характеристиками САД являются: а) точность САД, определяемая как вероятность пра­ вильного обнаружения отказа; б) разрешающая способ­ ность САД, равная среднему числу подозреваемых смен­ ных блоков для различных отказов; в) среднее время диагностирования неисправности; г) доля аппаратных средств САД в общем составе оборудования ЦВМ.

При построении систем автодиагностики ЦВМ в ос­ новном используются следующие методы:

1)взаимная диагностика машин или процессоров в многомашинных и многопроцессорных системах;

2)разделение ЦВМ на несколько одинаковых час­ тей (подмашин), осуществляющих взаимную диагнос­ тику;

3)метод «раскрутки».

Суть первых двух методов ясна из их наименований. Метод «раскрутки» предполагает поэтапное последова­ тельное расширение работоспособной части ЦВМ путем включения в эту часть элементов, проверенных на пре­ дыдущем этапе.

653

В случае метода «раскрутки» на каждом t-м этапе диагностического процесса подмашина М,-, представ­ ляющая собой часть оборудования проверяемой ЦВМ, диагностирует аппаратуру ДМ,, которая, если в ней нет отказов, присоединяется к подмашине Мг-, образуя новую

М¥ сора

подмашину Мі+\ = Мі [JAM*, которая выполняет диагно­ стическую процедуру на следующем этапе.

Подмашина М0, с которой начинается «раскрутка», называется диагностическим ядром ЦВМ. Диагностиче­ ское ядро должно иметь повышенную надежность и до­

654

пускать проверку работоспособности с пульта вручную или в полуавтоматическом режиме.

Метод «раскрутки» нашел широкое применение в си­ стемах диагностики ЦВМ, благодаря ряду преимуществ, важнейшее из которых — небольшой объем диагности­ ческого ядра. Метод «раскрутки» позволяет эффективно использовать принцип микропрограммного управления для диагностики неисправностей.

Один из возможных вариантов построения микропро­ граммной системы автоматической диагностики, реали­

производимой перед пуском машины, этапам автомати­ ческой диагностики предшествует подготовительный этап, которым управляет оператор с пульта машины.

Входящее в состав оборудования процессора ядро подготовительного этапа Ми0 содержит специальные ап­ паратные средства диагностики, составляющие блок проверки основной оперативной памяти. В этот блок вхо­ дит включаемая с пульта процессора диагностическая аппаратура: сдвиговый регистр, счетчик адреса и схемы управления, обеспечивающие проверку начальной облас­

правности с точностью до адреса и разряда ОЗУ.

Ядро подготовительного этапа Мп0, расширенное за счет проверенной начальной области ОЗУ, образует под­ машину Мпі, которая объединяется с подмашиной Мп2, представляющей собой селекторный канал и запоминаю­ щее устройство на магнитной ленте с записанными на ленте тестами. Селекторный канал при этом предвари­ тельно не проверяется, так как в ЦВМ обычно несколь­ ко таких каналов, и всегда может быть использован тот, который исправен. Кроме того, Ми2 содержит специаль­ ный регистр для четырехразрядных кодов тестовых опе­ раций.

Дальше процесс диагностики ЦВМ протекает авто­ матически. Поэтому объединение подмашин Мпі и Ма2 является в рассматриваемой диагностической системе диагностическим ядром ЦВМ

Л40 = 44nl(JAin2.

Подмашина М0 проверяет исправность схем и цепей

655

процессора, которые на последующем этапе используют­ ся при проверке постоянного запоминающего устройства (памяти микропрограмм). Поскольку проверка ПЗУ про­ изводится при управлении от оперативной памяти («ре­ жим ОЗУ»), то упомянутые схемы и цепи образуют «ядро режима ОЗУ». В это ядро входят: регистр адреса ОЗУ с дешифраторами, регистр адреса ПЗУ, регистр коммутатора процессора, цепи передачи информации из регистра информаций ПЗУ в регистр информации ОЗУ, а также специальный триггер системы диагностики «триггер счета успеха» при прохождении теста.

Диагностическое ядро — подмашина Мо при проверке перечисленного оборудования (ядра режима ОЗУ) ис­ пользует тесты, загружаемые с магнитной ленты в на­ чальную область оперативной памяти. В селекторном канале, используемом для загрузки тестов в оператив­ ную память, предусмотрено в случае неудачной попытки загрузки автоматическое многократное повторение этой операции. Если определенное число попыток (обыч­ но 8) оказалось неудачным, загрузка тестов в память прекращается и производится вручную поиск неисправ­ ностей в канале.

В случае исправности устройств, проверяемых под­ машиной Мо, они расширяют работоспособную часть ЦВМ до подмашины М\.

На следующем этапе диагностического процесса под­ машина Мі проверяет память микропрограмм — ПЗУ. Используя тесты локализации неисправностей ПЗУ, по­ ступающие в ОЗУ с магнитной ленты, подмашина М\ проверяет правильность работы схем дешифрации адре­ са ПЗУ, схем считывания информации и содержимого всех ячеек ПЗУ. На этом этапе управление диагностиче­ скими процедурами осуществляется информацией, по­ ступающей из ОЗУ, а реализуется специальными схем­ ными средствами системы диагностики. По окончании этапа в диагностирующий комплекс оборудования вклю­ чается проверенное ПЗУ, в результате чего образуется подмашина М2.

Начиная с этого момента, управление диагностичес­ ким процессом переходит к ПЗУ и реализуется с помо­ щью находящихся в ПЗУ диагностических микропро­ грамм («режим ПЗУ»), Этот режим диагностики начина­ ется с проверки подмашиной М2 специальных схемных средств, образующих «ядро режима ПЗУ». В это ядро

656

входят: «триггеры удачи и неудачи» при прохождении теста, специальные триггеры управления, регистр счета

ством диагностических микропрограмм. При успешном завершении проверки получаем подмашину Ms.

Подмашина М3 проверяет запоминающие элементы (триггеры) процессора. Для этого с магнитной ленты

воперативную память загружаются тесты локализации неисправностей* и последовательно выполняются микро­ программы установки запоминающих элементов в схе­ мах процессора в состояния, определяемые информацией

воперативной памяти, микропрограммы считывания со­ стояний запоминающих элементов в диагностическую область ОЗУ, и, наконец, микропрограммы сравнения со­ стояний запоминающих элементов с эталонными состоя­ ниями (кодами). При этом проверяется установка каж ­ дого элемента памяти в 0,1 и снова в 0. Для опроса состояний регистров используются специальные дополни­ тельные связи, предусмотренные для этой цели. В случае успешного завершения этого этапа работоспособная часть машины расширяется за счет включения запоми­ нающих элементов (регистров), образуя подмашину М4.

Подмашина М4, используя тесты**, загружаемые в оперативную память с магнитной ленты, производит ди­ агностику комбинационных схем процессора. При этом выполняются микропрограммы установки регистров на

входе комбинационной схемы согласно тестовому набо­ ру, микрооперация приема выходного сигнала комбина­ ционной схемы в регистр на ее выходе, микропрограмма опроса этого регистра, сравнение с эталонным кодом и в зависимости от результата переход к следующему тесту.

* Формат тестов, записанных в О З У , содержит наборы, управ­ ляющие установкой запоминающих элементов в определенные со­ стояния, коды эталонных состояний, а также адреса перехода при удачном и неудачном прохождении теста.

** Формат тестов содержит адрес проверяемой микропрограм­ мы, тестовые наборы, которые должны быть поданы на регистры на входе проверяемых комбинационных схем, эталонные наборы для контроля состояний регистро* на выходе комбинационных схем, адреса переходов.

657

Подмашина М4, расширенная за счет проверенных комбинационных схем процессора, образует подмаши­ ну М5. На этом этапе завершается проверка процессора и заканчивается режим диагностики при управлении от ПЗУ.

Далее диагностика производится при помощи про­ граммных тестов с использованием специальной коман­ ды «Диагностика». Эта команда позволяет связывать программный и микропрограммный уровни управления работой ЦВМ, вызывать к исполнению любую микро­ программу процессора, а затем передавать управление снова программе, устанавливать регистры в нужные со­ стояния, опрашивать состояния регистров после выпол­ нения команды, организовать проверку выполнения ко­ манд на любом такте.

Подмашина М5, используя записанные на магнитной ленте программные тесты, диагностирует мультиплекс­ ный канал. После включения в состав диагностического оборудования этого канала получаем подмашину Мб, которая в свою очередь на следующем этапе диагности­ рует селекторные каналы.

Каналы обоих типов проверяются вплоть до интер­ фейса, который при этом логически отключается. Ими­ тация сигналов интерфейса производится посредством команды «Диагностика» и специального регистра имита­ ции интерфейса. После этого этапа селекторные каналы включаются в работоспособную часть машины (подма­ шина М7).

Далее начинается диагностика под управлением ди­ агностического монитора. Сперва подмашина М7 прове­ ряет правильность выполнения микропрограмм некото­ рых команд ЦВМ (переключение программ, загрузка слова, загрузка адреса и др.), необходимых для работы диагностических программ, входящих в состав так на­ зываемого диагностического монитора. Проверяемые ко­ манды ЦВМ образуют «ядро монитора». В результате этого этапа раскрутки работоспособная часть ЦВМ рас­ ширяется до подмашины М8.

Далее осуществляется программная диагностика с помощью функциональных тестов, проверяющих работу всех ячеек оперативной памяти, системы прерывания, интерфейса и периферийных устройств.

В случае, если результат прохождения какого-либо теста оказывается неудачным, система диагностики вы­

658

свечивает на индикаторном табло пульта оператора но­ мер этого теста. Оператор, пользуясь справочником не­ исправностей, по номеру теста находит место неисправ­ ности. В такой форме система сообщает оператору о мес­ те неисправности на всех этапах — от начала диагности­ ческого процесса до этапа проверки мультиплексного ка­ нала включительно. В последующих за этим этапах ди­ агностики система печатает на печатающем устройстве сообщение оператору о месте неисправности и указание, какая сменная плата подлежит замене.

Из приведенного в настоящем параграфе описания принципа работы системы автоматической диагностики ЦВМ видно, что эта система представляет собой ком­ плекс аппаратных, программных средств и справочных материалов, предназначенных для локализации неис­ правностей в машине.

К аппаратным средствам системы диагностики отно­ сятся: а) средства ручного управления диагностически­ ми процедурами, б) схемы для управления диагностиче­ скими режимами, в) схемы для непосредственной уста­ новки и опроса запоминающих элементов ЦВМ, г) диаг­ ностические микропрограммы, д) схемы для введения ошибок при проверке схем контроля.

Система диагностики использует следующие програм­ мные средства:

а) наладочные тестовые программы, б) диагностиче­ ский монитор, в) диагностические программы процессо­ ра, каналов, внешних устройств, г) автономные и си­ стемные диагностические программы.

Справочные материалы системы диагностики содер­ жат справочники неисправностей, инструкции, схемы ЦВМ и документацию на диагностические тесты.

12-7. П О С Т Р О Е Н И Е Т Е СТ О В Д Л Я К О Н Т Р О Л Я И Д И А Г Н О С Т И К И К О М Б И Н А Ц И О Н Н Ы Х С Х Е М

Неисправности, возникающие в комбинационных логических схе­ мах, могут вызываться различными причинами и носить различный характер. Мы будем рассматривать неисправности только логическо­ го типа, т. е. такие, которые соответствуют появлению в какой-либо точке схемы устойчивого значения сигнала, соответствующего логиче­ ской 1 или логическому 0.

Будем предполагать, что в подлежащей диагностике схеме ука­ занные неисправности могут возникать на всех входных зажимах комбинационной схемы и на выходах всех ее логических элементов. Будем рассматривать случай, когда одновременно в схеме присутст­

659