Конспект лекций модуля № 2 «функциональный и тестовый контроль элементов и устройств микропроцессорных иус»

Лекция №3

Проблемы контроля структурных компонентов мпс.

Двойственная природа МПС при возникновении отказа ставит проблему: где неисправность - в аппаратных средствах или в программном обеспечении. Часто на этот вопрос ответить не просто, т.к. характер отказа может препятствовать выполнению текстового диагностирования. Дефект в линиях управления МП может препятствовать выполнению любой программы, а отказ в операционной системе может не допустить загрузку и выполнение тестовой программы. Проблема определения, где неисправность – в АС или ПО, показывает разработчикам МПС о необходимости включения средств контроля, которые значительно могут упростить эксплуатацию и ТО.

Средства отладки по функциональному назначению подразделяются на:

• средства отладки АС

• средства отладки ПО

• средства комплексной отладки

1. В соответствии со структурой МПС и ЭВМ выделим основные узлы МП, наиболее часто подвергающиеся дефектам:

   1. Шины адреса, данных, управления. Информация пересылается по магистралям с параллельной шинной организацией и последовательно во времени. Поэтому каждый крейт информации существует только в течение очень короткого временного интервала - 100-250нс (один период системной синхронизации), а затем заменяет другим. Обычные контрольно-измерительные приборы (например, осциллограф) не рассчитаны на восприятие и индикацию такой информации, поэтому необходимы специальные приборы, которые могли бы фиксировать и идентифицировать состояние линий в такой магистрали.

   2. Мультиплексирование шины. Ограничение на размеры корпусов БИС в частности микропроцессоров, приводят к тому, что для всех сигна­лов на корпусе БИС не хватает внешних выводов. При этом некоторые выводы приходится использовать для нескольких функций → необходимость мультиплексирования (разде­ления) сигналов во времени. При мультиплексировании шины усложняется процесс регистрации информации, так как в любой момент времени приходится решать, какая информация находится на мультиплексируемой линии или линиях, т.е. необходимо применять специальные приборы, так как обычные контрольно-измерительные приборы совер­шенно не приспособлены к демультиплексированию ин­формации в таких линиях.

   3. Проблема тестирования микросхем. Для полной проверки системы команд МП необходимое число тест-комбинаций определяется следующим образом: С = 2^m*n, где n – длинна слова в битах, m – число команд в системе команд.

Рассмотрим, к примеру, МП КР580 имеющий 8-битную шину данных и примерно 76 команд:

С = 2^8*76=2⁶⁰⁸=10¹⁸³;

Пусть каждый тест идет 1мкс, тогда для проведения всех тестов потребуется:

t=10¹⁸³ * 10^-6=10¹⁷⁷с.

В 365-дневном году 3*10⁷с. Поэтому полное время проверки: t=0,3*10¹⁷⁰ лет, а возраст Земли ~ 4,7*10⁹ лет, поэтому невероятно, чтобы микропроцессор «выжил» хо­тя бы ничтожную часть требуемого времени, и уж на­верняка он превратится в пыль до истечения вычислен­ного срока.

Поэтому каждый существующий МП никогда не проверялся и не может быть проверен полностью; в лучшем случае для проверки его функцио­нирования применялось весьма ограниченное подмноже­ство команд и двоичных наборов. Существуют теоретические и практические разработки по минимизации и функциональной полноте тестового контроля МП.

4. Системное ядро. Для поддержки работоспособности системы не должно быть отказов в некоторых ее компонентах. Эти компоненты в совокупности называют системным ядром, и в него обычно входят: ЦП, генератор синхронизации, шина управления и шина адреса.

μ-ЭВМ можно рассматривать как ядро, окруженное периферийными съемами, и ядро должно работать, чтобы проверить остальные компоненты системы.

Системное ядро проверяется методом задания «холостой» команды при помощи отсоединения шины данных и подачи на нее кода команды МП (системное ядро переводится в режим свободного счета). ЦП осуществляет операцию считыва­ния из памяти для выборки следующей команды. Она всегда интерпретируется как «холостая» команда, что заставляет ЦП перейти к следующему адресу памяти и произвести еще одну операцию считывания. ЦП вынуж­ден считывать команду «нет операции» из каждой ячей­ки памяти, в результате чего на шине адреса формиру­ются все возможные двоичные коды. При просмотре сигналов в каждой линии шины адреса можно устано­вить факт ее отказа, проявляющийся в замыкании на землю или на питание, в обрыве линии или в замыкании на другую линию шины адреса.

Если по линиям шины адреса передаются правильные сигналы, можно считать, что системное ядро функциони­рует. Отказ в системном генераторе синхронизации или неисправная линия шины управления почти наверняка не дадут правильной работы в режиме свободного счета и заставят обслуживающий персонал исследовать раз­личные части системного ядра. Тест свободного счета обеспечивает простой метод тестирования некоторых важных компонентов микропроцессорной системы и при­меним к любому микропроцессору. Режим свободного счета имеет также большое значение для сигнатурного анализа.

Тестирование ЦП. Являясь одним из наиболее сложных компонентов МПС, ЦП оказывается и наиболее надежным. Как уже говорилось, ЦП невозможно проверить полностью, что заставляет их изготовителей ограничиваться функцио­нальным тестированием микросхем. Простейший вид тестирования ЦП при отладке – перевод системы в режим свободного счета. Он показывает, что ЦП правильно считывает команду с шины данных, формирует адресные наборы на шине ад­реса и правильно реагирует на сигналы системной син­хронизации. Контролируя сигналы в линиях системной шины, например в линии R/ , можно частично прове­рить шину управления.

Почти всегда тестирование осуществляется с помощью некоторой стимулирующей программы, контролирующей систему, а это предполагает способность ЦП выполнять тестовое диагностирование устройств МПС.

Отказавший ЦП не может проверить самого себя, что заставляет разработчика МПС, который должен предусмотреть возможность контроля ЦП, включить в систему второй ЦП только для проверки нулевого ЦП. При этом повышается сложность МПС, снижается ее надежность и поэтому данный подход в «чистом» виде применяется редко.

Однако идея использования одной МПС для контроля другой оказалась жизнеспособной, и большинство сложных систем тестового значения сами имеют встроенные МП.