23

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.

5. Тестирование ПЗУ. Типы ПЗУ(по способу загрузки в них программы, т. е. по спо­собу их программирования):

• масочнопрограммируемые:

со­держимое «записывается» рисунком топологии взаимосвязей в ходе технологического процесса изго­товления ПЗУ, хранимые двоичные коды зафиксированы фотошаблоном окончательной металлизации, и после герметизации корпуса изменить хранимые про­граммы невозможно.

• однократно программируемые (ППЗУ):

относится к тем микросхемам, в которых запоминание двоичных кодов программы осуществляется с помощью плавких перемычек. Каждый хранимый в микросхеме бит содер­жится в «элементе памяти», состоящем из одного тран­зистора. Обычно применяется биполярный транзистор с плавкой перемычкой в цепи эмиттера. В процессе про­граммирования перемычки либо сохраняются нетронуты­ми, либо расплавляются проходящим через них током около 1 А. ППЗУ программирует пользователь, а в по­ставляемой микросхеме имеются все плавкие перемычки. Пользователь селективно «выжигает» перемычки, фор­мируя двоичные коды прикладной программы, и после этого изменить хранимые коды нельзя, что свойственно для ПЗУ. Строго говоря, некоторую модификацию про­граммы можно осуществить и после программирования ППЗУ, так как сохранившиеся перемычки можно разру­шить при повторной операции программирования. При­мером может служить ситуация, когда какая-то кон­станта при первом программировании была неизвестна и все соответствующие перемычки остались целыми. По­сле определения константы осуществляется повторное программирование ППЗУ.

• У/Ф и электрически перепрограммируемые ПЗУ:

В микросхемах стираемых, программируемых ПЗУ (СППЗУ) допускается стирание их содержимого, обыч­но при помощи ультрафиолетового излучения с фиксиро­ванной длиной волны, а электрическое программирова­ние их осуществляет пользователь. Таким образом, бла­годаря стиранию и репрограммированию в СППЗУ можно хранить и модифицировать хранимые программы.

Микросхемы электрически изменяемых ПЗУ (ЭИПЗУ), которые называются памятью в основном со считыванием, допускают репрограммирование при обыч­ном использовании их в вычислительной системе. Они были разработаны для удовлетворения потребности в энергонезависимых ЗУПВ.

Выбор типа ППЗУ зависит от объема выпуска и назначения МПС. При малом объеме выпуска и в процессе разработки СППЗУ представляют собой довольно гибкую, хотя и относительно дорогую память. В ЭВМ II поколения – ферритовая энергонезависимая память.

Способ проверки содержимого ПЗУ – метод контрольной суммы (SHECKSUM). Результат ∑ хранится в последней ячейке ПЗУ. Тест-программа контрольной ∑ встраивается в системную программу, и она работает по включению питания. Программа сумми­рует все содержимое ПЗУ, за исключением последней ячейки, а затем сравнивает свой результат с содержи­мым последней ячейки. Этот способ обеспечивает простую и эффек­тивную проверку микросхем ПЗУ с фиксированной хра­нимой информацией.

Способ CHECKSUM применим к микросхемам с лю­бой емкостью, если суммировать все их содержимое, за исключением последней ячейки, и игнорировать возни­кающие переполнения. Существует вероятность многократной ошибки, которая может дать результат равный байту истинного результата. Вероятность снижается при сигнатурном способе определения контрольной ∑ - сигнатуры.

6. Тестирование ОЗУ. В отличие от ПЗУ содержимое ОЗУ не фиксировано, поэтому простой тест CHECKSUM для них не применим.

Имеются два основных типа ОЗУ:

• статическое:

каждый бит записан в «запоми­нающий элемент», который сохраняет свое состояние до записи в него противоположного логического состоя­ния;

• динамическое:

запоминающий элемент име­ет более простую структуру, что увеличивает емкость микросхемы, но со временем информация из него исче­зает. Обычно в динамическом ОЗУ бит хранится в виде заряда на емкости затвор — исток МОП-транзистора. Этот заряд исчезнет, если его периодически не восстанав­ливать в цикле регенерации. Большинство динамических ОЗУ должно иметь период регенерации 2 мс. Для реге­нерации динамических ОЗУ в системе предусматрива­ются дополнительные цифровые схемы. Чтобы устранить этот недостаток, были разработаны микросхемы ОЗУ со встроенными схемами регенерации. Эти микросхемы называются квазистатическими, так как, являясь динамическими ОЗУ, они взаимодействуют с остальными компонентами системы как статические.

Для контроля ОЗУ существует несколько алгоритмов:

• шахматная доска – общая проверка ОЗУ и определение старшего адреса в МПС:

Для проверки микросхем ОЗУ необходимо записать данные в каждую ячейку, а затем считать их. Если счи­танный из ячейки двоичный код совпадает с записанным, полагается, что ячейка исправна. Записываемые и счи­тываемые из ОЗУ коды называются ШАХМАТНОЙ ДОСКОЙ, так как в них логические состояния череду­ются, как черные и белые клетки на шахматной доске. Обычно для проверки применяются наборы 01010101 (55₁₆) и 10101010 (АА₁₆).

Тест ШАХМАТНАЯ ДОСКА применяется для про­верки ОЗУ после включения питания и позволяет оп­ределить старший адрес ОЗУ в системе. Многие вы­числительные системы поставляются в виде базовой мо­дели с минимальным ОЗУ, которое можно расширять до допустимого в системе максимума путем подключе­ния дополнительных микросхем ОЗУ. Следовательно, емкость ОЗУ в системе может варьироваться от мини­мума в базовой модели до допустимого максимума. Тест-программа записывает шахматный набор в каждую ячейку ОЗУ, начиная с известного минимального адре­са ОЗУ, и продолжает проверку по всем ячейкам до обнаружения ячейки, из которой тест-набор не считывается. Эта ячейка в системе имеет адрес, на единицу больший максимального адреса ОЗУ, и, следовательно, определяет верхнюю границу ОЗУ в системе. Обычно после этого теста емкость доступного пользователю ОЗУ индицируется для оператора на видеодисплее как адрес верхней границы. Если показываемое значение меньше ожидаемого, можно предположить наличие от­казавшей микросхемы, и индицируемый адрес помогает найти эту микросхему.

Во многих случаях вместо тест-наборов 55 и АА при­меняются более простые тест-наборы 00 и FF. Хотя шах­матные наборы и служат простым средством первона­чальной проверки микросхемы ОЗУ, они не являются исчерпывающим тестом.

• бегущая единица, ноль:

когда проверяется система с подозрением на отказ ОЗУ, то запускается более жесткий тест, который заключается в записи и последующем считывании кодов «шагающих единиц»:

0000 0000

0000 0001

0000 0010

0000 0100

0000 1000

0001 0000

0010 0000

0100 0000

1000 0000

Такой тест позволяет обнаруживать любую чувствительность соседних линий данных к перекрестным наведенным помехам, которые проявляются в 2-х соседних разрядах данных при считывании из проверяемой ячейки со­стояния 1.

В микросхеме ОЗУ линии, несущие информацию о данных и адресе, расположены очень близко друг к дру­гу, а внутренняя топология может вызвать эффект «чувствительности к наборам». Этот эффект, в котором конкретный двоичный код вызывает наводку на другие линии адреса и данных, часто не обнаруживается шах­матными кодами. К счастью для большинства пользо­вателей, чувствительные к наборам микросхемы обычно обнаруживаются при разработке или при выборочном контроле в процессе производства. Интерференция часто возникает между линиями ши­ны адреса из-за короткого замыкания линий вне микро­схемы ОЗУ или из-за внутреннего отказа.

• тест адресных шин – проверка перекрестных помех по адресным линиям:

  • обнуляется вся память (во все ячейки ОЗУ записывается код 00)

  • записывается код FF по адресу 0001 и осуществляется проверка ячеек микросхемы на считывание кода 00

  • если тест проходит, первая ячейка сбрасывается на 00, код FF записывается только по адресу 0010 и все остальные ячейки вновь проверяются на считывание ко­да 00

  • если при считывании ячейка не дает результат 00, следует предположить «относящийся к адресу» отказ либо в самой микросхеме, либо во внешних линиях ши­ны адреса. Подозреваемые бит или биты в шине адреса находятся с помощью операции исключающего ИЛИ выявленных параллельных адресов (начального адреса ОЗУ и адреса, по которому произо­шло неправильное считывание). Пусть, например, базо­вый адрес проверяемого ОЗУ равен 80₁₆, а отказ обнаружен в ячейке C8₁₆. Подозреваемые линии шины адреса находятся с помощью операции исключающего ИЛИ:

В данном случае подозрительными оказываются ли­нии А₃ и А₆. После этого следует проверить и локализо­вать отказы на обнаруженных линиях и (или) в микро­схеме ОЗУ путем ее замены.

• тест-галоп.

7. Тестирование устройств в/в. Передача информации вв/выв УВВ осуществляется при помощи интерфейсов.

Интерфейс – совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструкторских средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных компонентов в системах, при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной электрической и конструкторской совместимости компонентов.

Особенностью тестирования КУВВ – необходимость КПА или в минимальном случае кабели связи для организации петли обратной связи.

Технический диагноз для КУВВ регистрируется:

1. визуально (для устройств отображения информации)

2. с помощью оператора (клавиатура)

3. КПА приема и передачи информации (панели вв/выв)

4. закольцевание канала ввода на канал вывода (некоторые БИС имеют внутреннюю обратную связь между входом и выходом программно реализуемую; пример: СБИС 1515хМ1-050. Контроллер мультиплексного последовательного канала ОРПС).

Вторая особенность: в них наиболее вероятны отказы из-за электрических перегрузок.