Особливості діагностування пристроїв на цифровій елементній базі.

Значну частину устаткування АСУТП виконують на цифровій елементній базі, що є основою побудови апаратури первинної обробки інформації (АПОІ), обчислювального комплексу, відображення планової і поточної інформації, передачі даних і іншої апаратури. При діагностуванні різних цифрових систем використовуються визначені загальні принципи.

Для сучасної цифрової техніки характерний перехід до інтегральних схем третього і більш високих рівнів інтеграції. Аналіз відмовлень такої апаратури показує, що приблизно 40% усіх відмовлень виникає внаслідок допущених при розробці помилок, близько 20% - з вини виробництва, близько 30% - унаслідок порушення правил експлуатації і до 10% - унаслідок старіння і зносу елементів. Частка відмовлень поступового характеру виявляється значно меншої, чим частка раптових відмовлень. Це накладає свій відбиток як при виборі виду технічних засобів, так і при побудові система діагностування.

При створенні систем на цифровій елементній базі використовують специфічні методи підвищення їхньої надійності, а також стандартизовані й уніфіковані елементи, що володіють високою надійністю, тому що вони добре відпрацьовані в схемному, конструктивному і технологічному відношеннях.

Електричні режими роботи елементів вибирають при коефіцієнті навантаження в межах 0,2...0,4, при яких інтенсивність раптових відмовлень найменша і параметри елементів повільніше відхиляються від нормальних.

Часто використовується мажоритарне резервування, при якому замість одного включаються, наприклад, три ідентичних елементи. Вихідні сигнали з них надходять на мажоритарний орган - елемент "голосування". В зовнішній ланцюг з мажоритарного органа "голосування" надходять сигнали, що відповідають "більшості голосів". Якщо всі елементи справні, на мажоритарний орган надходять три однакових сигнали, і такий же сигнал надходить у зовнішній ланцюг. Якщо з трьох елементів відмовив один, то на мажоритарний орган надходять два щирих і один помилковий сигнали. Тоді на вихід надходить сигнал, що відповідає більшості щирих сигналів.

У цифрових системах широко застосовується тимчасове резервування. Воно реалізується, наприклад, методом подвійної-потрійної передачі чи сигналу подвійного-потрійного рахунка однієї і тієї ж задачі. Задача зважується двічі, і отримані результати порівнюються. При збігу результатів приймається висновок про правильність рішення. Якщо результати не збігаються, то це свідчить про відмовлення в пристрої чи збою під час одного з рішень, і отримана інформація про результат рішення відкидається чи додатково аналізується. У пристроях обчислювальної техніки тимчасове резервування використовується при тестовому контролі, коли періодично зважується спеціальна задача з невідомими відповідями. Одержання правильної відповіді свідчить про працездатність пристрою.

Автоматизація процесів виявлення факту відмовлення пошуку несправного елемента сприяє прискоренню процесу ремонту. При цьому в складних системах як центральну ланку системи контролю використовуються ЕОМ, що забезпечує перевірку великої кількості контрольованих параметрів (крапок схеми) протягом короткого проміжку часу. У таких системах широко використовуються коди, що самокоректуються, а також методи діагностування, засновані на використанні різних логічних співвідношень, інформаційного й алгоритмічного резерву.

Підвищення ефективності складних багатофункціональних систем сприяє застосування принципів самонастроювання і самоорганізації. При відмовленнях елементів такі системи автоматично змінюють свою структуру, зберігаючи здатність функціонування. Реконфігурація системи здійснюється за допомогою автоматичної системи контролю і керування.

У складних цифрових системах (наприклад, ЕОМ) використовується ряд автоматичних апаратурно-програмних засобів підтримки експлуатації. До них відносяться система автоматичного контролю процесу роботи, що сприймає помилки ЕОМ при ушкодженнях і збоях, автоматична система відновлення обчислювального процесу шляхом повторного виконання операцій, система автоматичного діагностування, що дозволяє виявляти факт порушення працездатності і локалізувати ушкоджений елемент, система автоматичної програмно-керованої профілактики, автоматична апаратурно-програмна система реєстрації й обробці даних про відмовлення і збої ЕОМ.

Всі ушкодження, що виникають в ЕОМ і в цифрових пристроях узагалі, можуть бути кваліфіковані по тривалості, зовнішньому прояву і причинам виникнення. На функціонуванні таких пристроїв відбиваються відмовлення, ушкодження і збої в їхній роботі.

Звичайно ушкодження не порушують працездатності пристрою, однак, якщо ушкодження привело до порушення працездатності, то воно називається відмовленням. Відмовлення, що самоусуваються, називаються збоями. ЕОМ найбільш ненадійними ланками є електромеханічні пристрої (пристрою вводу-виводу, нагромаджувачі на магнітних стрічках, дисках, барабанах). Виявлення відмовлень цих ланок не викликає великих затрат часу, однак час відновлення відносно великий, тому що операції по заміні вузлів, що зносилися, досить трудомісткі.

В даний час розрізняють програмне, апаратурне і програмно-апаратурне діагностування ЕОМ.

Апаратурні пристрої діагностування не виконують операцій, властивих ЕОМ. Вони включаються в структуру ЕОМ додатково і функціонують незалежно від розв'язуваних ЕОМ задач. Оскільки швидкодія розв'язуваних в ЕОМ задач велика, то для обмеження поширення виникаючих у результаті збоїв помилок необхідно безупинно і дуже оперативно відслідковувати їхнє виникнення. Для цього використовуються швидкодіючі пристрої, що виконують операції виявлення помилок зі швидкістю, що відповідає швидкості власне машинних операцій. Використовувані для цього апаратурні пристрої здійснюють перевірку працездатності ЕОМ без зниження якості її функціонування.

Звичайно ж, апаратурне діагностування ускладнює структуру ЕОМ, трохи знижує її апаратурну надійність, збільшує вартість.

При програмному діагностуванні установлення факту працездатності ЕОМ і пошук ушкодження здійснюється за допомогою спеціальних програм. Програмне діагностування підрозділяються на тестове і програмно-логічне.

При тестовому діагностуванні використовуються спеціальні програми, складені у виді тестів, що дозволяють перевіряти елементи ЕОМ у визначеному їхньому сполученні. Оскільки ЕОМ виконує рішення стандартної задачі з відомим результатом - еталоном, розбіжність результатів рахунка з цим еталоном свідчить про наявність визначеного ушкодження, закодованого в тесті.

Якщо використовується комбінація програмного й апаратурного діагностування, то таке діагностування називається програмно-апаратурним. Його застосування дозволяє використовувати позитивні сторони апаратурного і програмного способів діагностування, унаслідок чого скорочується час пошуку й усунення ушкодження.

Вибір методу діагностування здійснюється за допомогою інтегральних критеріїв ефективності, що відбивають найбільш важливі показники.

До таких показників відносяться:

- імовірність того, що час виявлення ушкодження буде менше заданого чи дорівнює йому;

- імовірність того, що ушкодження буде виявлено правильно;

- тривалість однократного діагностування, що включає в себе власне
час діагностування і час виконання допоміжних операцій діагностування;

- глибина пошуку ушкодження, що характеризує точність визначення місця ушкодження;

- обсяг діагностичного ядра, що характеризує частину апаратури ЕОМ, справну до початку діагностування.

В даний час основним методом діагностування ЕОМ є тестове, котре виробляється по спеціальних програмах, що визначають послідовність та характер операцій. Тестове діагностування дозволяє робити оцінку працездатності і пошук ушкодження на всіх етапах експлуатації ЕОМ: у період налагодження й іспитів, у процесі використання ЕОМ по призначенню, при проведенні обслуговування.

По характері одержуваної в процесі діагностування інформації тести підрозділяються на двох груп:

- тести, по яких перевіряється відсутність чи наявність ушкодження в ЕОМ (оцінка працездатності);

- тести, використовувані для локалізації ушкодження і визначення його
характеру.

Недолікам тестового діагностування є можливість його використання тільки під час перерв у виконанні основних робочих функцій ЕОМ.

Розглянемо далі деякі особливості методів тестового діагностування.

Двоетапне діагностування - це метод тестового діагностування, застосовуваний для діагностування логічних схем і схем з пам'яттю (тригерів, регістрів). Алгоритм діагностування містить у собі результати тестового впливу й адреси всіх елементарних перевірок. Алгоритм діагностування має стандартний формат і називається тестом локалізації несправності (ТЛН). Уведення тестів, фіксації відповідей, аналіз і видача результатів реалізації алгоритму діагностування здійснюються за допомогою стандартних діагностичних операцій "Установка", "Опитування", "Порівняння" і "Розгалуження".

До складу діагностичного тесту входить настановна і керуюча інформація, адреса комірки пам'яті для запису результату елементарної перевірки, еталонне значення реакції на тест, адреси ТЛН, яким передається керування при збігу чи розбіжності результатів тесту з еталонними значеннями.

Перший етап полягає в перевірці всіх тригерів, лічильників і регістрів у виконанні операції "Установка" і опитування по додаткових висновках за допомогою операції "Опитування", на другому етапі піддаються перевірці всі логічні схеми, тригери, лічильники і регістри за допомогою схем, перевірених на першому етапі.

Послідовне сканування - це метод тестового діагностування, що є варіацією методу двоетапного діагностування, при якому регістри й тригери утворюють один регістр зсуву. При цьому можлива установка регістра в довільний стан і опитування за допомогою операції "Зсуву".

Метод послідовного сканування застосовується при діагностуванні ЕОМ, побудованих на великих інтегральних схемах (ВІС). При побудові ЕОМ на ВІС виникають труднощі діагностування в зв'язку з обмеженим доступом до схем усередині кожної ВІС. Метод послідовного діагностування вирішує цю проблему при невеликій кількості додаткових входів і виходів.

Мікродіагностування - це метод тестового діагностування, що застосовується при діагностуванні апаратури для виконання мікрооперацій. У мікропрограму діагностування закладаються тести для перевірки мікрооперацій. Мікропрограма перевірки чергової мікрооперації використовує вже перевірені мікрооперації і тракти передачі інформації. При цьому методі за допомогою набору мікрооперацій, передбачених в ЕОМ, по наявних інформаційних трактах тестові впливи надходять на вхід апаратури, що перевіряється. З виходу апаратури, що перевіряється, сигнали надходять на спеціальні схеми, де відповіді порівнюються з еталонними чи мікропрограмно, чи ж за допомогою діагностичних операцій "Опитування" і "Порівняння".

Мікродіагностика може бути вбудованою, коли діагностичні мікропрограми розміщаються в постійній мікропрограмній пам'яті, коли діагностичні мікропрограми розміщуються на зовнішньому носії даних, що завантажується.

У сучасних ЕОМ мікродіагностикою охоплюються практично всі тригери і регістри.

Автоматичне тестове діагностування мікропроцесорів і мікро-ЕОМ утруднюється через велику складність і високу вартість апаратури тестового (і вбудованого) діагностування. Однак діагностування цієї апаратури необхідно, тому встає питання про можливість визначення ушкоджень ручним способом. При цьому на вхід пристрою подається послідовність вхідних сигналів, а потім вихідна послідовність сигналів порівнюється з еталонної, зазначеної в документації. Безліч різноманітних вузлів для діагностування, використовуваних у мікропроцесорах і мікро-ЕОМ, вимагають великої кількості різноманітних тестів.

При ручному діагностуванні виникає проблема стиску великих обсягів інформації про еталонний і вихідний сигнали контрольованої апаратури, що спостерігаються. Одним з використовуваних способів стиску інформації є підрахунок і фіксація в документації кількості правильних логічних переключень чи підрахунків і фіксація в документації контрольної суми вихідних сигналів, породжуваних сукупністю тестів.

Для підвищення ефективності діагностування мікропроцесорної техніки використовується метод сигнатурного аналізу, що полягає у використанні циклічних надлишкових кодів для стиску довгих війкових кодів, що характеризують реакцію апаратури на тести, у короткий, звичайно 4; 5-розрядний шістнадцятковий код. Цей код легко відображається на індикаторах і порівнюється з контрольним кодом, зазначеним у технічній документації для кожної крапки, що перевіряється. Контрольний код називається сигнатурою.

Циклічні коди засновані на представленні переданих даних у виді полінома і використовуються для послідовного обміну даними між ЕОМ і зовнішніми запам'ятовуючими пристроями, а також при передачі даних по каналі зв'язку.

Контроль правильності передачі даних за допомогою циклічних (поліноміальних) кодів заснований на наступній закономірності. Якщо інформаційний поліном G(x) помножити на деякий так називаний породжуючий поліном Р(х), а отриманий після цього кодовий поліном передати приймачу інформації і виконати в ньому зворотну дію (ділення полінома прийнятого повідомлення на породжуючий поліном), то ненульовий залишок буде означати, що відбулася помилка. Нульовий залишок означає, що помилки немає чи вона не виявлена.

Уведемо наступні позначення:

- G(x) - інформаційний поліном, що відповідає переданої інформації довжиною m біт. Він має ступінь менше ;

- Р (х) - породжуючий поліном ступеня к, що визначає кількість контрольних бітів, а також виявляє в коригувальну здатність циклічного
коду;

- F(x) - кодовий поліном, що відповідає переданому циклічному коду. Це поліном ступеня ,він поділяється без залишку на породжуючий поліном степеня (k).

Звичайно використовується формування кодового полінома, при якому старші коефіцієнти утворять інформаційні знаки, а молодші - контрольні. Інформаційний поліном G(x) ступеня , якому необхідно закодувати, множать на х^k, що відповідає зрушенню на k розрядів вліво. Отриманий після цей поліном x^k G(x) ділиться на поліном Р(х) для визначення залишку R(x):

де Q(x) - частка від розподілу; - знак, що позначає нерівнозначність (заперечення рівнозначності), він позначає операцію додавання по модулю 2.

Звідси випливають вираження:

;

.

При стиску довгих двійкових кодів використовується сигнатурний аналізатор, побудований на основі зсувного регістра із внутрішніми зворотними зв'язками, що замикаються через суматор по модулі 2. На вхід суматора надходить послідовність імпульсів, що знімається в контрольній крапці схеми, для індикації показань у шістнадцятковому коді зсувний регістр має індикатор.

Стиск даних у сигнатурному аналізаторі відбувається так. На зсувний регістр з виходу схеми, що перевіряється, надходить двійкова послідовність імпульсів у виді інформаційного полінома G(x), вона представляється у вигляді полінома , де k - кількість розрядів зсувного регістра. Далі ця послідовність поділяється на породжуючий поліном Р(х) степеня k. Цей розподіл реалізується на зсувному регістрі зі зворотними зв'язками. Залишок від розподілу зберігається в регістрі. Аналітично ці операції виражені залежністю, описаної вище.

При проходженні послідовності (х) у процесі розподілу залишокзмінюється доти, поки не закінчиться вся послідовність (х). Кінцеве вираження R(x) є сигнатурою.

Сигнатурний аналіз відрізняється високою швидкодією, обумовленою швидкодією зсувного регістра і суматора по модулю 2. Йому властива висока вірогідність, тому що контрольні суми вихідних двійкових різних сигналів мають різні сигнатури.

Діагностування внутрішніх ланцюгів передачі інформації в обчислювальних комплексах засновано на використанні інформаційної надмірності, тобто кодів з виявленням і корекцією помилок. Ці коди допускають операції перевірок на парність і непарність.

Найбільш розповсюдженим методом діагностування суматорів є контроль парності. Його сутність полягає в наступному.

При додаванні чисел (, , )розряди суми утворяться відповідно до виразів:

де S - число, що відповідає сигналам переносу в старший розряд. Склавши всі п рядків по модулі 2, одержимо:

де Р_S - парність суми; р_a, р_b - парність доданків; р_с - парність переносу.

Таким чином, контроль парності суми може бути зроблений шляхом порівняння розрахованої парності по формулі з дійсною парністю суми. Такий спосіб дозволяє виявляти одиночну помилку і будь-яке непарне число помилок.

Контроль непарності використовується при діагностуванні лічильників, контроль по модулю 2 - для багатьох логічних схем.

Методи апаратурного і діагностування, що перевіряється, часто використовуються в сполученні, тобто у виді програмно-апаратурних методів діагностування.