Средства функционального диагностирования МПС

Области применения тестового диагностирования – производство, отладка и ремонт микропроцессорных систем. В процессе работы системы, для обнаружения ошибок используются средства функционального контроля. В этом случае тестовыми воздействиями являются рабочие входные воздействия, а ошибки обнаруживаются практически немедленно. Однако полнота контроля в целом меньше, чем при тестировании. Эффективным является одновременное применение обоих видов контроля, когда периодически через некоторое время t_Д выделяется интервал времени τ_Д для тестового диагностирования.

В микропроцессорной системе выполняются три основных вида операций, которые надо контролировать: передача информации, логические и арифметические операции. Для их контроля используются аппаратные и программные методы (рисунок 1). Аппаратный контроль имеет высокое быстродействие, но требует дополнительных затрат аппаратуры. Программный контроль не связан с аппаратной избыточностью, но использует дополнительное процессорное время для выполнения программ контроля. В большинстве сложных микропроцессорных систем сочетаются аппаратные и программные средства контроля.

 

Рисунок 1 -Методы функционального контроля МПС

 

При передаче информации для ее контроля используются избыточные коды с обнаружением и исправлением ошибок. Код называется избыточным, если для передачи информации используют не все возможные кодовые слова. В этом случае для n-разрядно кода выполняется неравенство N < 2 ⁿ, где N – число используемых кодовых слов (ёмкость кода). Кодовым расстоянием d называется минимальное число разрядов, которыми различаются два кодовых слова. Код с кодовым расстоянием d обнаруживает ошибки в t разрядах и менее, если выполняется неравенство d ≥ t + 1 и исправляет ошибки в r разрядах и менее, если d ≥ 2 r + 1.

Коды с обнаружением ошибок применяются при передаче данных в шинах микропроцессорных систем и при хранении и передаче данных в регистрах. Наиболее часто используется для этих целей код с контролем на чётность, который образуется добавлением одного избыточного (контрольного) разряда. Кодовое расстояние этого кода равно 2, что обеспечивает обнаружение всех одиночных ошибок и любого нечётного числа ошибок.

Коды с исправлением ошибок используются в оперативной памяти, в запоминающих устройствах на магнитных лентах и дисках. Наиболее распространён код Хемминга, который обнаруживает одиночные и исправляет двойные ошибки.

Для контроля арифметических операций в цифровых ЭВМ широко используется контроль по модулю. В этом случае каждому числу А, участвующему в арифметической операции, сопоставляется остаток по модулю R, определяемый из равенства A = aQ + R, где Q – модуль; а – целая часть отношения A/Q. Смысл применения контроля по модулю заключается в том, что разрядность остатка R(A) существенно меньше разрядности числа А. Поэтому затраты аппаратуры для контрольных вычислений также существенно меньше.

Логические преобразования в вычислительных системах контролируют схемы встроенного контроля (СВК). Общая структура контроля с использованием СВК приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Структура контроля с помощью СВК

 

СВК анализирует значения входных, выходных и, может быть, некоторых внутренних сигналов. На практике используется несколько степеней контроля

1) полный контроль – обнаруживаются все отклонения выходных сигналов контролируемой схемы;

2) полный контроль одиночных ошибок - обнаруживаются все отклонения на одном выходе контролируемой схемы;

3) полный контроль одиночных неисправностей – обнаруживаются отклонения выходных сигналов, вызванные всеми одиночными неисправностями контролируемой схемы;

4) частичный контроль одиночных неисправностей – обнаруживаются отклонения выходных сигналов, вызванные всеми одиночными неисправностями контролируемой схемы хотя бы на одном входном наборе.

Достоверность функционального диагностирования существенно зависит от исправности самой схемы контроля. Эта проблема называется проблемой контроля «последнего сторожа». Она решается путем применения самопроверяемых СВК, которые обнаруживают и неисправности контролируемого устройства и собственные неисправности.

Параллельно с аппаратным контролем в вычислительных системах применяется программный контроль. Основные виды программного контроля приведены на рисунке 1. Контроль длительности выполнения программы подразумевает, что для каждой программы заранее известна длительность ее выполнения. Эта длительность контролируется с помощью охранных таймеров. Превышение длительности означает, что программа выполняется неправильно, зациклилась или остановилась. Метод контрольных функций используется, если результаты вычислений должны удовлетворять определенным функциональным соотношениям. Например, результат должен быть четным или положительным, либо контрольная сумма должна равняться нулю и т.п. Эффективным способом контроля является метод двойного счета, когда алгоритм вычислений реализуется два раза с последующим сравнением полученных результатов.

Перечисленные виды аппаратного и программного контролей позволяют обнаруживать до 80-95% ошибок, вызываемых неисправностями в микропроцессорных системах.