3. Вопросы эксплуатации микропроцессорных устройств

3.1. Отладка аппаратных средств мпсу

МПСУ состоит из взаимодействующих аппаратных средств (микросхем и электрических компонентов) и программного обеспечения (программ). В этом случае поиск неисправности микропроцессорного устройства сложен тем, что трудно определить причину и место неисправности - в аппаратной части или в программном обеспечении. В любой ситуации в первую очередь нужно установить исправность элементов аппаратной части и, в случае неисправности, - устранить их. Для решения подобного рода проблем используется контрольно-измерительная аппаратура, номенклатура которой варьируется от простых приборов до специальных многофункциональных систем. Эта задача может решаться разными способами с разной эффективностью и с разными затратами системных ресурсов, причем с ростом эффективности растут и ресурсы. Поэтому выбор рациональных способов представляет собой важную и достаточно сложную задачу.

Контрольно-измерительная аппаратура. Под обычной контрольно-измерительной аппаратурой подразумеваются те приборы, которые применялись для отладки электрических и электронных схем до появления микропроцессора, а именно тестеры, осциллографы, цифровые вольтметры и частотомеры. При отладке МПСУ эти приборы используются для контроля напряжения электропитания, величины потребляемого тока, проверки частоты и формы периодических сигналов и контроля наличия непериодических сигналов на шинах микропроцессора в режиме свободного счета.

Ручные инструментальные средства. К ним относятся логические пробники, логические компараторы, бесконтактные индикаторы тока.

Логический пробник представляет собой устройство для контроля уровня напряжения в точках схемы, в которых сигнал удерживается постоянным в течение времени контроля или изменяется с малой частотой – порядка нескольких герц. Результаты контроля выводятся на световые индикаторы уровней логического нуля и единицы или заданного промежуточного уровня.

Л огический компаратор содержит шлейф (многожильный кабель), заканчивающийся клипсой, с помощью которой подключаются к испытываемой микросхеме без ее выпаивания из платы, панельки для установки в нее образцовой микросхемы тождественной испытываемой и логическое устройство с дисплеем (рис.3.1). Входные сигналы одинаковы для обеих микросхем. Все выходные сигналы испытываемой микросхемы сравниваются с соответствующими выходными сигналами образцовой. При исправной испытываемой микросхеме ее выходные сигналы должны совпасть с сигналами образцовой. Результаты проверки отображаются на дисплее.

Бесконтактные индикаторы тока служат для контроля токов в защищенных изоляционным покрытием проводниках печатных плат (рис.3.2). Индикатор нужно ориентировать так, чтобы проводник печатной платы и зазор магнитопровода индикатора были взаимно перпендикулярны. При наличии в дорожке печатной платы импульсов тока вокруг нее образуется переменное магнитное поле напряженностью Н, пропорциональной току в дорожке, а в катушке индуктируется э.д.с. Если э.д.с. нет, то либо дорожка оборвана со стороны источника сигнала, либо источник сигнала не посылает импульсы. Если величина э.д.с. занижена, то либо ток в дорожке мал из-за обрыва дорожки у приемников, либо искажены (слишком пологие) фронты импульсов. Если величина э.д.с. завышена, то либо имеется короткое замыкание дорожки на землю, либо короткое замыкание на входе приемника.

Так как величина э.д.с. зависит не только от перечисленных факторов, но и от расстояния между сердечником индикатора и проводником печатной платы, то требуется определенный навык в его применении. Этим индикатором нельзя контролировать протекание по дорожке постоянного тока.

Логические анализаторы – это устройства, позволяющие регистрировать и запоминать по тактам изменяющиеся сигналы одновременно во всех проводниках шин МПСУ. Перед началом работы задается опорный код, с которым будут сравниваться коды, снимаемые с контролируемой шины. При работе логического анализатора запоминаются блоки сигналов контролируемой шины, которые предшествуют опорному коду или следуют за ним. Технические характеристики логических анализаторов: от 8 до 48 контролируемых разрядов шин; от 64 до 2048 тактов состояний сигналов для каждого разряда; частота регистрации от 20 до 200 МГц; регулируемая емкость блока кодов регистрируемого сигнала до момента появления опорного кода; внутреннее и внешнее тактирование. В зависимости от частоты и вида тактовых импульсов логические анализаторы подразделяют на два типа - АЛС и АВД.

Анализатор логических состояний (АЛС) тактируется внешними импульсами, снимаемыми с МПСУ, например, тактовыми импульсами с периодом, равным времени машинного цикла, времени выполнения команд. Опорным кодом может быть заданный адрес на ША, код операции и операнды ШД, номер внешнего устройства МПСУ и др. Регистрируются сигналы логических состояний ША, ШД и ШУ МПСУ. Результаты контроля МПСУ запоминаются в цифровом виде и выводятся на дисплей АЛС либо в виде графиков сигналов, либо в виде массива сигналов со значениями 0 и 1 (рис.3.3а). Достоинством АЛС является большой интервал времени контроля сигналов МПСУ, а недостатком - форма выводимых на дисплей сигналов отличается от действительной формы контролируемых сигналов.

А нализатор временных диаграмм (АВД) тактируется как внешними, так и внутренними импульсами, причем частота тактовых импульсов должна намного превосходить частоту изменения сигналов на шинах МПСУ. Опорный код устанавливается так же, как для АЛС. Результаты контроля запоминаются в аналоговом виде и выводятся в виде графиков сигналов, которые достаточно точно передают форму контролируемых сигналов (рис.3.3б), что является достоинством режима АВД. Недостатком является малый интервал времени контроля сигналов.

Сигнатурные анализаторы представляют собой приборы, осуществляющие сжатие последовательного потока двоичной информации, которая проходит через контролируемую точку схемы МПСУ. Код сжатой информации называется сигнатурой. Его применение для диагностирования основано на том принципе, что при возбуждении схемы МПСУ одной и той же последовательностью сигналов в контролируемой точке будет постоянная сигнатура. Если же сигнатура контролируемой точки отличается от эталонной сигнатуры, то значит устройство неисправное. Метод сигнатур аналогичен методу простановки на аналоговых схемах уровней напряжений в контрольных точках.

Причину появления неправильной сигнатуры легко обнаружить, проверяя различные точки схемы с обозначенными для них сигнатурами, отмечая среди них правильные и неправильные и прослеживая последовательности сигналов. Процедура продолжается до тех пор, пока не удастся обнаружить элемент с правильными входными, но ошибочными выходными сигнатурами. Этот элемент и будет неисправным. Данная методика позволяет с высокой точностью локализовать неисправность.

Принцип действия сигнатурного анализатора поясняется рис.3.4. Содержимое 16-разрядного сдвигового регистра отображается в шестнадцатеричном формате. Обычно используются следующие нестандартные шестнадцатеричные символы 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,А,С,F,H,P,U, которые удобно индицировать с помощью семисегментного индикатора. Например, при поступлении на вход сигнатурного анализатора последовательности из 20 импульсов 1111.1100.0001.1111.1111 будет сформирована следующая сигнатура: 359Н.

Вероятность обнаружения сбоя в контролируемом узле МПСУ при применении сигнатурного анализа с 16-разрядным сдвиговым регистром равна 1 (100%), если входная последовательность имеет не более 16 импульсов и равна 0,99998 (99,998%) при длине входной последовательности более 16 импульсов.