книги из ГПНТБ / Нечаев А.Н. Устройство и работа электронных цифровых машин

рые позволили бы без существенных затрат машинного времени и дополнительного оборудования получать до­ стоверные результаты. Таким образом, проблема в изве­ стной степени решается путем уменьшения .непроизводи­ тельных потерь машинного времени на отладку про­ грамм, контроль машины, профилактическое обслужива­ ние, а также на обнаружение и ликвидацию неисправно­ стей, возникающих в процессе .эксплуатации машины.

Обеспечение надежности

Применение в ЭЦМ большого количества элементов, обладающих ограниченным сроком службы, совместная работа нескольких машин, использование ЭЦМ в систе­

делает проблему надежности ЭЦМ не менее важной, чем такие специфические для вычислительной техники во­ просы, как разработка структуры, логики.и принципов построения машин.

У п р а в л я ю щ и е м а ш и н ы требуют обеспечения надежности работы, во много раз превышающей надеж­ ность современных цифровых вычислительных машин. Неисправности и сбои, возникающие в управляющих машинах, могут привести к неправильной работе целых систем, что в некоторых случаях совершенно недопусти­ мо. Особенно это относится к машинам, входящим в ком­ плексы, которые должны обладать высокой степенью го­ товности и безусловной работоспособностью.

Эксплуатационная надежность характеризуется ве­ роятностью того, что машина в период работы сможет правильно и бесперебойно выполнять свои функции.

Существующие методы повышения надежности и контроля за правильностью работы машины позволяют создавать машины, отвечающие высоким требованиям эксплуатационной надежности.

К основным факторам, определяющим надежность эксплуатации, относятся электрическая и механическая надежность самой машины, вспомогательного оборудова­ ния и запасных частей, удобство эксплуатации, квалифи­ кация оператора и обслуживающего персонала.

■172

Простота и удобство эксплуатации машины зависят от конструктивного выполнения ее устройств, системы контроля за их работой (включающей в себя аппарат­ ный контроль, контрольные задачи, решаемые при рабо­ те, испытательные программы), а также от наличия вспомогательной аппаратуры, позволяющей быстро об­ наруживать и устранять возникшие в схемах неисправ­

режимов их работы, отработкой максимально надежных и долговечных схем, использованием профилактического

контроля и др.; повышением с т р у к т у р н о й надежности, т. е. со­

зданием такой структуры и логики работы машин и раз­ работкой таких методов вычислений, которые обеспечи­ вали бы правильность получаемых результатов даже при наличии в машине отдельных сбоев и ошибок.

При эксплуатации ЭЦМ различают два основных ви­ да ее неисправностей: вызванные отказом ее элементов, т. е возникшие в результате невозвратимого изменения параметров или выхода из строя электронной лампы, полупроводникового триода, сопротивления, конденсато­ ра и т п., и неисправности, проявляющиеся в виде крат­ ковременных сбоев в работе из-за ненадежных контак­ тов, всплесков питающих напряжений, выработки сла­ бых сигналов и других подобных причин.

Частота проявления отказав обусловлена сроком службы, режимом работы и количеством элементов в схемах машины. Для уменьшения числа неисправностей такого рода обычно стремятся использовать схемы с воз­ можно меньшим количеством элементов, обладающих к тому же длительным сроком службы и работающих в облегченных режимах.

Особенно большие неприятности при эксплуатации машин доставляют кратковременные сбои, так как опре­ делить причину и место их возникновения обычно бы­ вает. очень трудно. Вероятность появления сбоев может быть уменьшена' путем тщательного выполнения монта­ жа схем и уменьшения количества контактных соедине­ ний (это достигается использованием печатных схем), а

173

также применением жестких допусков на основные па­ раметры деталей и питание схем от стабилизированных источников. ч

Методы повышения технической надежности ЭЦМ в настоящее время достаточно хорошо разработаны и широко применяются на всех этапах проектирования, изготовления и эксплуатации машин. Для повышения технической надежности следует прежде всего вы­ бирать для схем высоконадежные детали, обладающие большим сроком службы (десятки и сотни тысяч часов), с малым отклонением основных параметров от номи­ нальных значений, минимальными изменениями пара­ метров от времени, температуры и режима работы, с хо­ рошими конструктивными показателями. Увеличение срока службы деталей к повышение надежности работы схем машины достигается путем устранения в процессе эксплуатации форсированных режимов работы деталей, обеспечения нормальных климатических и механических условий эксплуатации, а также путем создания достаточ­ ных запасов в отношении разброса и изменения харак­ теристик элементов.

Обслуживание машины значительно облегчается при стандартизации деталей и отдельных схем, применении легкозаменяемых деталей и блоков, при защите схем от перегрузок при включении машины или выходе из строя какой-либо детали. Блочная конструкция машины позво­ ляет улучшить рабочие характеристики устройств, так как дает возможность заменить любой неисправный блок запасным, предварительно отлаженным и проверенным. Максимальная стандартизация блоков по их логическим функциям и схемам дает возможность обходиться с меньшим количеством запасных блоков и упрощает на­ ладочную аппаратуру.

Для защиты элементов схем от перегрузок, способ­ ных вывести их из строя при включении и выключении устройств машины или при внезапном пропадании одно­ го из питающих напряжений, предусматривается блоки­ ровка подачи напряжений на устройства. Схемы .не должны содержать деталей, которые выходили бы из

строя при неисправности других, связанных о ними де­ талей и элементов.

Помимо мероприятий, направленных на улучшение качества отдельных элементов, конструкций и схем

174

ЭЦМ, для повышения надежности очень важно обеспе­ чить возможность предусматривать выход из строя от­ дельных элементов и деталей машины, а также опреде­ лять место неисправности с помощью специальной конт­

ролирующей аппаратуры.

Достаточно высокая надежность работы машины в течение ближайшего периода времени обычно достигает­ ся проверкой правильности функционирования отдель­ ных устройств и всей машины в целом в режиме профи­ лактического контроля. Профилактический контроль заключается в том, что схемы машины проверяются в утяжеленном режиме. Например, при изменении напря­ жения в источнике тока выявляются и заменяются эле­ менты, изменившие свои параметры выше допустимых пределов. Характеристики и параметры применяемых деталей могут выходить за пределы допустимых значе­ ний в результате их естественного старения, воздейст­ вия температуры, влажности и т. п. Кроме того, при из­ готовлении деталей имеют место некоторые технологи­ ческие разбросы параметров, вследствие которых дейст­ вительные их значения отличаются от номинальных. По­ этому характеристики правильно рассчитанного схемно­ го элемента (даже с учетом отклонений параметров де­ талей от .номинальных значений) с течением времени так изменяются, что этот элемент начинает вносить ошибки в работу машины.

Опыт эксплуатации ЭЦМ, построенных «а электрон­ ных лампах, показывает, что наименее .надежными дета­ лями из числа применяемых в машине являются элек­ тровакуумные приборы (электронные лампы, электрон­ но-лучевые трубки, тиратроны и др.). В процессе работы они изменяют свои параметры постепенно., и наиболее ненадежные из них в режиме профилактического конт­ роля выявляются достаточно легко.

При разработке системы профилактического контро­ ля учитываются статистические данные о разбросе и ха­ рактере изменения параметров деталей в зависимости от времени их .работы. Способ профилактического конт­ роля выбирается на основе анализа амплитудных и ча­ стотных характеристик элементов схем и уточняется в процессе эксплуатации машины в зависимости от эффек­ тивности и частоты ее применения. Для удобства опре­ деления места неправильно работающего элемента и

175

коммутации цепей профилактического контроля схемы устройств разбиваются на участки в соответствии с ло­ гикой их работы и способом профилактического контро­ ля. Режим работы электронно-ламповых схем при про­ филактическом контроле устанавливается , путем измене­ ния напряжений, питающих схему (напряжения смещения на управляющих сетках электронных ламп, напряжения накала и др.), или путем изменения параметров сигналов, поступающих на вход проверяемых элементов (амплиту­ ды или частоты входных сигналов). Второй способ приме­ ним также и для полупроводниковых схем.

Контроль работы

Достоверность результатов машинного решения задач в значительной мере зависит от применяемых методов контроля за правильностью функционирования устройств и за работой программиста. Для получения правильных результатов все этапы решения задачи, начиная от со­ ставления программы и кончая обработкой отпечатанных результатов, должны тщательно контролироваться.

При программировании возможность появления оши­ бок так велика, что запрограммировать сложную задачу без единой ошибки практически не удается. Ошибка мо­ жет быть вызвана неправильным выбором метода реше­ ния задачи, она может заключаться в содержании команд, в порядке их выполнения или даже быть следст­ вием простой описки при записи программы на бланки. Поэтому перед вводом программы в машину все ошибки должны быть исправлены. Проверка должна выполнять­ ся программистом особенно тщательно, так как отлад­ ка ее на машине стоит очень дорого.

Продолжительность отладки программ зависит от разнообразия и сложности решаемых задач. Статисти­ ческие данные показывают, что практически время от­ ладки программ составляет в среднем 20% полного ма­ шинного времени. В связи с этим становится очевидным, что для эффективного использования машины наиболее выгодны задачи, решаемые по одной и той же програм­ ме и имеющие большое количество вариантов.

. Ошибки легко могут возникнуть и при нанесении про­ граммы на перфокарты или перфоленту с помощью

т

внешних устройств машины. Они могут быть следствием нечеткого написания программы на бланке, невниматель­ ности оператора, работающего на клавиатуре перфора­ тора, неисправности самого перфоратора. Большинство типов машин имеет специальные устройства и режимы работы для контроля подготовки данных: например, на­ бивка перфокарт или перфолент может производиться дважды с последующей проверкой их на совпадение при помощи контрольника или контрольно-считывающего устройства.

Решение задачи начинается с ввода программы и ис­ ходных числовых данных в машину. Передача больших объемов информации между устройствами ЭЦМ всегда сопряжена с опасностью возникновения в переданной информации ошибки или даже серии ошибок. Они могут быть вызваны сбоями в работе или неисправностями в цепях передачи чисел или команд и в устройствах ма­ шины. Поэтому выполнение машиной программы вычис­ лений также должно постоянно контролироваться.

Появление ошибок во время работы машины вызы­ вает искажения получаемых результатов и нарушает правильный ход вычислительного процесса. Основная цель контроля — возможно быстро и. точно определить возникшие ошибки. Наилучший контроль обнаруживает ошибку в том такте, в котором она произошла, а также точно указывает блок, в котором появилась неисправ­ ность.

Для контроля правильности обработки и передачи информации применяются различные методы контроля, которые можно, в зависимости от принципа использова­

требует дополнительного машинного времени. При про­ граммных методах контроля используются специальные приемы программирования, позволяющие обнаружить ошибки, возникающие в ходе вычислений. Выход из строя какого-либо элемента или кратковременное на­ рушение нормального функционирования машины вы­ зывает появление неправильных результатов, но при программном контроле не останавливает выполнения

программы. Останов машины может произойти только при нарушениях вычислительного процесса, приводящих к таким результатам, которые не могут быть представ­ лены в машине (например, переполнение разрядной сет­ ки при делении .на нуль, получение мнимого результата при извлечении квадратного корня из отрицательного числа .и т. п.). Продолжение вычислений над неправиль­ ными числами или по искаженной программе, приводя­ щее к наложению ошибок, затрудняет определение при­ чины их возникновения и места неисправности.

В современных электронных цифровых машинах при­ меняются следующие методы программного контроля: двойной счет, контроль обратным ходом решения задачи, контрольное суммирование, выполнение испытательных программ (тестов), контрольные соотношения по шагу интегрирования и подстановка вычисленных неизвестных линейного уравнения в исходное уравнение.

Последние три метода программного контроля приме­ няются лишь в тех случаях, когда это позволяет вид решаемой задачи.

Наиболее распространен программный контроль ме­ тодом двойного счета, применяемый при эксплуатации большинства существующих машин. Он заключается в том, что каждая задача решается дважды и результаты, полученные при выполнении отдельных участков про­ граммы, сравниваются между собой. При совпадении результатов машина автоматически переходит к выпол­ нению следующего участка программы, при несовпаде­ нии— останавливается, и оператор определяет причины, вызвавшие это несовпадение. После восстановления ра­ ботоспособности машины вновь выполняется тот же уча­ сток программы.

Применение этого метода контроля увеличивает вре­ мя решения задачи вдвое, что снижает эффективность использования машины. Поэтому, хотя метод контроля двойным счетом достаточно надежен при обнаружении

ошибок в вычислениях, экономически он очень невыго­ ден.

Контроль обратным ходом решения задачи приме­ нялся в некоторых электронных цифровых вычислитель­ ных машинах первых выпусков. Программная реализа­ ция этого метода заключается в том, что каждая опера­ ция над числами в следующем такте проверяется выпол-

178

пением обратной операции (сложение — вычитанием, ум­ ножение— делением и т. д.) с последующим сравнением ее результата с исходными числами основной операции. Время решения задачи в этом случае может увеличиться почти в три раза.

По сравнению с методом двойных просчетов контроль вычислений обратным ходом решения задачи обладает существенным преимуществом — ошибка в вычислениях обнаруживается при проверке правильности выполнения основной операции в следующем за ней контрольном так­ те работы машины. Это локализует ее распространение и позволяет быстро определить место сбоя или неис-прав" ности.

Аппаратурная реализация этого метода значительно увеличивает объем, оборудования и усложняет логику работы .устройств при незначительном уменьшении вре­ мени, затрачиваемого на контроль. Из-за этих недостат­ ков контроль вычислений обратным ходом решения за­ дачи не получил широкого распространения.

Метод контрольного суммирования широко приме­ няется для контроля групповых передач информации при вводе, обмене между оперативным и внешним запо­ минающими устройствами, хранении в ЗУ и при выводе ее из машины. Существо этого метода заключается в том, что подсчитывается и запоминается сумма контро­ лируемого массива чисел. После каждой передачи или хранения этого массива подсчитывается новая сумма, которая сравнивается о полученной ранее. Несовпадение этих сумм говорит об ошибке.

Контроль правильности ввода, основанный на исполь­ зовании двух комплектов перфокарт, приводит к боль­ шой непроизводительной затрате машинного времени. Если программу необходимо вводить в машину много­ кратно, да еще с двух комплектов перфокарт, то естест­ венно, что требуется вдвое больше времени, чем на ввод

содного комплекта.

Вэлектронных цифровых вичислительных машинах контрольное суммирование массивов информации, пере­ даваемых из одного устройства в другое или хранящихся в запоминающих устройствах, производится по специаль­ ной команде. Использование обычной команды для сум­ мирования большого количества команд и чисел почти

всегда приводит к переполнению разрядной сетки и вы­

зывает останов машины раньше окончания вычисления контрольной суммы. Поэтому команда «контрольное сум­ мирование» суммирует программный и числовой мате­ риал без учета адресов, кодов операций, знаков числа, мантиссы, порядка. Реализация такой операции в маши­ не требует незначительных затрат дополнительного обо­ рудования.

Испытательные программы (тесты) используются в основном в период отладки машины и при ее профи­ лактических проверках. Поэтому время, затрачиваемое на выполнение испытательны^ программ, относится к за­ тратам машинного времени на профилактическое обслу­ живание и частично на обнаружение и устранение неис­ правностей, возникающих при работе. Каждый тип ма­ шины имеет систему испытательных программ, вклю­ чающую контролирующие и диагностические программы. Первые позволяют только установить, что в машине есть неисправность, вторые — помогают обслуживающе­ му персоналу быстро и довольно точно отыскивать мес­ то неисправности.

Испытательные программы составляются на основе анализа схем и определения комбинаций кодов, вызы­ вающих тяжелые режимы работы устройств и элемен­ тов, с учетом системы профилактического контроля и времени, отводимого для проверки машины с помощью этих программ. Время, необходимое для их выполнения, и глубина проверки зависят от эффективности этих про­ грамм и качества их составления. Поэтому в процессе эксплуатации машины систему испытательных про­ грамм необходимо совершенствовать и дополнять новы­ ми, более эффективными программами, позволяющими полнее и глубже проверять машину.

Контрольные соотношения используются для про­ верки правильности решения довольно ограниченного класса задач. Такими соотношениями могут быть: по,- стоянство суммы потенциальной и кинетической энергий (при решении задач о движении тела в поле притяже­ ния Земли без учета сопротивления воздуха), постоян­ ство суммы реактивных энергий при расчете колебатель­ ного контура, равенство единице суммы квадратов сину­ са и косинуса угла (при решении тригонометрических задач), равенство с заранее установленной точностью результатов решения дифференциального уравнения

180

различными численными методами — более точным, нб громоздким и менее точным, но простым и т. п.

Контролируемость машины этим методом опреде­ ляется точностью, которую обеспечивает используемое контрольное соотношение, т. е. количеством сравнивае­ мых разрядов.

Контроль по шагу интегрирования и контроль под­ становкой вычисленных неизвестных в исходное управле­

машины, поэтому применение его требует дополнитель­ ных схем, но зато почти не требует затраты машинного времени. Машина останавливается в момент возникнове­ ния ошибки, что облегчает определение причины и мес­ та произошедшего отказа, а следовательно, значительно сокращает время на устранение неисправности. При этом вследствие увеличения объема оборудования общая на­ дежность машины несколько уменьшается.

В современных ЭЦВМ применяются три основных метода аппаратного контроля: дублирование блоков, устройств или машин в целом и сравнение результатов, получаемых на их выходах; использование различных контролирующих кодов (с запрещенными комбинациями, с обнаружением и исправлением ошибок и т. д.); конт­ роль работы отдельных блоков и устройств машины (счетчиков, регистров, сумматоров, последовательности выборки команд и расшифровки кодов операций и др.).

Для решения проблем аппаратного контроля при одновременном повышении надежности машин приме­ няется резервирование (включение в параллельную ра­ боту) отдельных блоков, устройств и даже машин в це­ лом. Дублирование позволяет в каждом такте работы машины устанавливать факт возникновения ошибки пу­ тем сравнения результатов. Несовпадение результатов останавливает машину в том же такте. Этот метод не снижает быстродействия машины, и в то же время он достаточно надежен. Однако он весьма неэкономичен, так как для его реализации требуется много дополни­ тельного оборудования. К тому же при останове машины из-за появления ошибки дублирование в большинстве случаев не дает возможности быстро определить устрой­

181