книги / Надежность и диагностика компонентов инфокоммуникационных и информационно-управляющих систем.-1

V

Рис. 4.28. Ячейка схемы сжатия на n МОП транзисторах

Например, КЗ1 обнаруживается при bi1 = ai1 = 1, а КЗ2 – при ai2 = bi2 = 1. Реализация схемы сжатия на уровне транзисторов позволяет несколько уменьшить задержку, так как задержка, вносимая транзистором, меньше, чем задержка, вносимая вентилем.

Кратковременные ложные срабатывания можно исключить за счет стробирования выходов схемы сжатия в нужные моменты времени. Кроме того, можно воспользоваться идеей одновыходной динамической ССВК, представленной на рис. 4.29.

X0

Рис. 4.29. Одновыходная ССВК

313

К ССВК наряду с выходами контролируемого устройства подключен дополнительный вход Хо, в зависимости от значения которого выход f для исправных КУ и ССВК будет равен 0 или 1. Значение Хо должно в процессе функционирования меняться, меняя тем самым ожидаемое значение на выходе f.

4.3.4. Микропроцессор как объект функционального контроля

Основные функциональные узлы современных информацион- но-управляющих систем (ИУС) реализованы в микропроцессорном базисе. К ним относятся кодеры и декодеры первичных и избыточных кодов, передающие и приемные телеизмерительные преобразователи, аналого-цифровые преобразователи, распределительные узлы, системы синхронизации, модемы и другие узлы в составе подсистем сбора, обработки, передачи и распределения информации различных трактов ИУС, к надежности функционирования которых предъявляются повышенные требования. Основой микропроцессорных узлов ИУС является микропроцессор (МП), представляющий собой многоэлементное устройство, функционирующее под управлением заложенной в него программы. От надежности работы МП во многом зависит надежность функционирования всей ИУС.

Поскольку методы обеспечения функционального контроля сильно зависят от структуры контролируемого устройства, далее будем рассматривать функциональный контроль именно МП и микропроцессорных систем на примере гипотетического микропроцессора, объединяющего характерные свойства большинства МП [4].

4.3.5. Модель МП с точки зрения функционального контроля

МП рассматривается в виде соединения двух устройств – устройства управления (УУ) и операционного устройства (ОУ).

Операционное устройство – устройство, в котором выполняются операции. Оно включает в себя в качестве узлов регистры, сум-

314

матор, каналы передачи информации, мультиплексоры для коммутации каналов, шифраторы, дешифраторы и т.д.

Устройство управления координирует действия узлов ОУ. Оно вырабатывает в определенной временной последовательности управляющие сигналы, под действием которых в узлах ОУ выполняются требуемые действия.

Процесс функционирования ОУ состоит из последовательных элементарных действий в его узлах. Такими элементарными действиями могут быть: обнуление регистров, инвертирование регистров, пересылка содержимого одного узла в другой, сдвиг содержимого узла влево или вправо и т.д. Каждое такое элементарное действие, выполняемое в одном из узлов ОУ в течение одного тактового периода, называется микрооперацией.

Вопределенные тактовые периоды одновременно может выполняться несколько микроопераций, результаты которых не влияют друг на друга. Такая совокупность одновременно выполняемых микроопераций называется микрокомандой, а весь набор микрокоманд, предназначенный для выполнения команды, поступающей из ОЗУ или ПЗУ с управляющей программой, – микропрограммой.

ВПЗУ микрокоманд хранятся микропрограммы для всего набора команд МП.

Обобщая многочисленные работы по функциональному диагностированию МПС и отдельных БИС, можно выделить следующие направления развития встроенного функционального контроля:

1. Организацию непрерывного контроля микросхем на основе выявления запрещенных состояний, выполнения в конце программы МПС или в отдельных ее точках проверок достоверности получаемых результатов путем сравнения их с допустимыми предельными величинами, анализа отсутствия запрещенных комбинаций управляющих сигналов в МПС.

Методы этой группы требуют специального преобразования БИС МПС и большого объема информации по ее внутренней структуре.

315

2.Организацию контроля по совпадению результатов выполнения программы на двух параллельно работающих идентичных МПС непрерывно либо в конце программы.

3.Мажоритарный принцип принятия решения в процессе или

вконце выполнения программы на параллельно работающих идентичных МПС.

4.Построение МП на основе аппарата апериодических автоматов, когда признаком сбоя в МПС является отсутствие сигнала об окончании переходных процессов во всех БИС.

5.Организацию контроля длительности выполнения программы или отдельных ее ветвей, контроля времени отклика внешнего устройства и других временных параметров работы МПС.

6. Организацию контроля, сущность которого заключается в использовании некоторой зависимости, характерной для МПС (либо искусственно созданной) при ее правильной работе и нарушающейся при возникновении ошибки.

Последняя группа методов используется чаще всего, так как, с одной стороны, не требует значительной избыточной аппаратуры, а с другой стороны, как правило, позволяет обойтись информацией о рабочей программе. В настоящем разделе будет анализироваться именно эта группа методов встроенного функционального контроля и соответствующие реализации ССВК.

4.3.6. Диагностическая модель УУ МП системы

Под диагностической моделью понимают формальное описание объекта диагностирования и задание модели дефектов на языке этого описания.

Ниже исследуется многоуровневая диагностическая модель, в частности двухуровневая. Нижний уровень описывается на языке регистровых передач, а верхний уровень – функциональная модель, задаваемая прикладной программой, записанной на языке ассемблера соответствующего микропроцессора, при этом для каждой команды (микрокоманды) известна двоичная запись.

316

Пример 4.2. Приведем фрагмент программы на языке ассемб-

лера:

Для каждой команды покажем ее гипотетическую двоичную запись:

317

По программе (микропрограмме) строится граф-схема алгоритма (ГСА). Выполняемые команды представляются вершинами графа, а переходы – направленными дугами.

Пример 4.3. На рис. 4.30 приведена ГСА программы из приме-

ра 4.2.

A2

Ak

Рис. 4.30. Пример граф-схемы алгоритма

Для каждого уровня двухуровневой модели предлагаются следующие модели дефектов:

1. На уровне регистровых передач объект задается своей функциональной либо принципиальной схемой, и здесь наиболее широкое

318

применение получила модель константных дефектов. Константный дефект представляется постоянным нулем (константа 0) или постоянной единицей (константа 1) на входе или выходе логической схемы. Для механизма хранения, реализуемого регистрами как в составе регулярных схем (сверхоперативное ЗУ – СОЗУ, ОЗУ, ПЗУ, перепрограммируемое ПЗУ – ППЗУ), так и в автономно рассматриваемых блоках (регистры общего назначения – РОН, буферные регистры – БР, РС и т.д.), в качестве моделей ошибок из-за неисправности и сбоев аппаратуры получили распространение:

–независимые однократные либо кратные ошибки;

–пакеты независимых ошибок;

–независимые однонаправленные либо асимметричные ошибки;

–пакеты однонаправленных либо асимметричных ошибок. При однонаправленных ошибках во всех ошибочных разрядах

происходит переход либо только из 0 в 1, либо только из 1 в 0. При асимметричных ошибках возможен только один из видов ошибок. Все указанные модели ошибок достаточно часто используются в работах по контролю памяти.

2. Если объект рассматривается на уровне функциональной модели, пользуются функциональными моделями дефектов.

В дальнейшем будем пользоваться функциональной моделью дефектов вида:

–переход команды Ki в команду Kj (Ki/Kj), т.е. вместо команды Ki из-за дефектов в УУ выбирается команда Kj;

–переход команды Ki в пустое множество команд (Ki/0), т.е. либо сохраняется предыдущая команда, либо вызывается пустая команда;

–переход команды Ki в произвольную логическую комбина-

цию команд (Ki/ K ), т.е. вместо команды Ki выбирается несколько команд, которые приходят в регистр команд через дизъюнкцию или конъюнкцию.

Под командой в данном случае будем понимать содержимое выбираемой ячейки памяти, включая и данные.

319

Константная модель будет применяться в дальнейшем при оценке полноты контроля механизмов хранения и пересылки команд (данных), функциональная модель – при оценке полноты контроля механизма выборки команд и данных (дешифрация команд и данных). Кроме того, выделим сбой – кратковременный отказ аппаратуры, который самопроизвольно устраняется.

В литературе при разработке встроенного функционального контроля УУ введенная выше двухуровневая диагностическая модель ошибки механизмов хранения, пересылки данных и дешифрации регистров определяется терминологией – ошибки хранения и ошибки управления.

4.3.7. Критерии оценки методов контроля механизмов выборки, хранения и дешифрации команд

Избыточность, вносимую функциональным контролем, можно подразделить на информационную, временную и аппаратурную.

Информационная избыточность определяется как количество дополнительных разрядов, введенных в ячейку. Временная избыточность – введенные в программу (микропрограмму) дополнительные команды (микрокоманды), служащие только цели контроля.

Отсюда вытекают и критерии оценки методов контроля:

1.Kизб – информационная избыточность, т.е. количество дополнительных разрядов в ячейке.

2.tизб – временная избыточность, определяемая как число команд (микрокоманд), дополнительно введенных в программу (микропрограмму), по отношению к числу команд (микрокоманд) в исходной программе (микропрограмме).

3.Робн – вероятность обнаружения ошибок (искажений) в анализируемых выходных сигналах объекта диагноза при однократных дефектах в рамках принятой двухуровневой модели.

4.Сложность реализации ССВК (оценивается по объему аппаратуры, реализующей ССВК).

5.Время, необходимое для обнаружения сбоя или отказа.

6.Время восстановления после сбоя.

320