Корректирующие коды. Код Хэмминга

5. Особенности обслуживания и диагностирования микропроцессорных устройств и  МИКРО-ЭВМ. Сигнатурный анализ. 

В ЭВМ общего назначения улучшение обслуживаемости  достигается, в частности, путем использования систем автоматического диагностирования. При этом обычно  автоматическое диагностирование производится по методу  «раскрутки» с диагностическим ядром, представляющим  собой достаточно сложную аппаратуру (например, пультовый  накопитель и сервисный адаптер). Во многих случаях для микропроцессорной аппаратуры и микро-ЭВМ не удается применить автоматическое диагностирование  на основе встроенных или внешних тестовых средств диагностирования или их комбинаций из-эа ее сложности и высокой стоимости. Тогда следует позаботиться об обеспечении ручного обслуживания, в том числе ручного поиска неисправностей, с тем чтобы обслуживание  не требовало персонала с высокой квалификацией. Предположим, что имеется устройство с несколькими входами, на которые поступают двоичные входные сигналы,  и несколькими выходами, с которых снимаются двоичные  выходные сигналы. Для проверки работоспособности устройства на его воды необходимо подать тестовую последовательность комбинаций (векторов) входных сигналов и сравнить получаемые  значения выходных сигналов (выходных двоичных векторов) со значениями, указанными в документации по обслуживанию. 

Существенной проблемой при ручном обслуживании является сжатие информации о правильных (эталонных) и наблюдаемых при контроле реакциях аппаратуры на тестовые последовательности. Необходимость сжатия двоичных векторов произвольной длины диктуется тем, что современная микропроцессорная  и микромашинная техника использует достаточно сложные функциональные узлы, которые требуют для диагностирования большого числа тестовых векторов, с те» чтобы обеспечивалась проверка всех возможных состояний устройства. Длина выходного двоичного вектора равна числу входных тестовых векторов. Сжатие информации облегчает фиксирование правильных (эталонных) реакций в технической документации и   восприятие оператором  результатов проверки. Существует несколько способов сжатия информации  реакциях аппаратуры на тестовые последовательности Так, может подсчитываться и указываться в документации правильное число логических переключений выходного сигнала при подаче тестовой последовательности. Другой способ состоит в подсчете п указании в технической документации  контрольной суммы выходных векторов, порожденных  совокупностью тестов. Недостаток этих методов состоит в том, что при, диагностическом (проверочном) подсчете числа переключении или контрольной суммы выходных  векторов контрольная аппаратура, реализующая эти подсчеты, должна иметь цепи распространения переносов  при суммировании, что замедляет процесс проверки и усложняет контрольную аппаратуру. Перспективным направлением в повышении обслуживаемости  микропроцессорной аппаратуры и микро-ЭВМ является  «сигнатурный анализ», предполагающий использованне  циклических избыточных кодов для сжатия длинных двоичных  кодов — реакций аппаратуры на тестовые последовательности  в короткий, обычно 4-, 5-разрядный шестнадцатиричный код, который просто индицируется и сравнивается с указанным в документации для каждой контролируемой точки контрольным кодом («сигнатурой»). Для сжатия длинных двоичных последовательностей и получения кодов сигнатур используется сигнатурный анализатор,  основу которого составляет сдвиговой регистр с внутренними обратными связями, замыкаемыми через сумматор  по модулю 2, на вход которого также поступает 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 6. Принцип действия сигнатурного анализатора . 

последовательность бит, снимаемая с контролируемой точки  схемы (рис. 6); сдвиговый регистр снабжается  индикаторами, указывающими содержимое регистра в  шестнадцатиричном коде. Сигнатурный анализатор основывается на следующем принципе сжатия данных: двоичная последовательность х в виде информационного полинома G(x) поступает с выхода  проверяемой схемы на сдвиговый регистр и делится в виде полинома x^k G(x) (где k— количество разрядов сдвигового регистра) на порождающий полином Р(х) степени k. Деление на порождающий полином Р(х) реализуется с помощью сдвигового регистра с обратными связями.  Результатом деления является остаток R(x), получающийся в сдвиговом регистре после приема входной последовательности.  Математически этот процесс описывается формулой  x ^k G(x)=Q(x)P(x)    +    R(x), 
 

где Q(x) — частное; R(x) — остаток; Р(х) — порождающий  полином степени k, а G(x) —информационный полином.  соответствующий входной двоичной последовательности x, При прохождении последовательности х через сдвиговый  регистр R(x) изменяется до тех пор, пока не закончится вся  последовательность х.  Конечное выражение r(x) является сигнатурой. Для проверки устройства щуп сигнатурного анализатора  присоединяется к контролируемому выходу схемы. На входы контролируемой схемы поступает последовательность  параллельных кодов тестов (векторов-стимулов) Каждому вектору-стимулу соответствует 1 бит в выходной последовательности (выходном векторе), снимаемой с контролируемого выхода. Подача последовательности тестовых векторов, снятие с контролируемой точки последовательности бит на вход сумматора по модулю 2 и работа сдвигового регистра  синхронизируются одной и той же серией синхросигналов. Процесс получения сигнатуры предполагает задание некоторого фиксированного интервала времени—«окна», соответствующего определенному числу синхросигналов, а следовательно, и такому же числу векторов-стимулов и вызываемых ими бит в выходной последовательности,  поступающей на вход сигнатурного анализатора. После  закрытия «окна» (остановки сигнатурного анализатора) на представленном на рис. 6 сдвиговом регистре остается 16-битный остаток» который индицируется на семиэлементных  индикаторах в виде четырех шестнадцатиричных цифр. На рис. 7 приведена временная диаграмма работы сигнатурного анализатора. Полученная на индикаторах сигнатура сравнивается с эталонной, указанной в документации  для данной контролируемой точки. Эталонные сигнатуры могут быть получены путем проверки  с помощью сигнатурного анализатора заведомо исправных  схем или расчетным путем на ЭВМ. 
 

Рис. 7. Временная диаграмма процесса сигнатурного контроля

    На рис. 6 показан процесс формирования сигнатуры для входной последовательности 11111100000111111111,

соответствующей окну длительностью 20 синхросигналов. На протяжении первых семи тактов по цепям обратной связи поступают 0 и в регистр вдвигаются без каких-либо изменений первые 7 бит входной последовательности. После седьмого такта по обратной цепи от первого отвода (седьмой разряд регистра) на сумматор по модулю 2 поступает 1, которая в восьмом такте заносится в перший разряд регистра (в восьмом разряде входной последовательности стоит 0). Аналогичным образом работает анализатор в последующие такты.

   После закрытия «окна» (после 20 тактов синхросигналов) в регистре образуется 16-битный остаток П10, 1001» 0101, 0011, соответствующий сигнатуре Я953.

   Метод сигнатурного анализа требует небольшого (около 3 - 4 %) дополнительного оборудования и достаточно простого универсального переносного сигнатурного анализатора. Тест-программы проверки аппаратуры могут быть записаны в БИС программируемых постоянных запоминающих устройств, размещаемых в самом проверяемом оборудовании.

При выполнении диагностической процедуры оператор последовательно просматривает в тестовом режиме сигнатуры на выходах устройства и при обнаружении расхождения  с указанными в документации сигнатурами переходит к  просмотру сигнатур в точках неисправной цепи, двигаясь  от выхода к входу, пока нс будет найден неисправный элемент. При использовании сигнатурного анализа поиск неисправностей в микропроцессорной аппаратуре становится  похожим на обслуживание телевизора, когда мастер, ремонтирующий его, с помощью тестера и щупа сравнивает  сигналы 3 данной цени с сигналом, указанным на чертеже  схемы, и при обнаружении расхождения для определения  места неисправности выполняет просмотр сигналов при движении от выхода к входу схемы. Введение контрольного цифровой информации (сигнатур;  в техническую документацию на цифровую аппаратуру  очень удобно, так как для этой аппаратуры не представляется  возможным  документировать признаки правильной работы  схем в виде параметров напряжений, токов или даже  форм сигналов. При использовании сигнатурного анализа отпадает необходимость  хранить длинные двоичные коды эталонных реакций проверяемого устройства. Однако по-прежнему сохраняется проблема синтеза последовательностей тестов (векторов-стимулов). Сигнатурный анализ благодаря использованию сравнительно  быстродейсгвующих узлов (сдвигающего регистра и сумматора по модулю 2) отличается высоким быстродействием по сравнению с другими методами сжатия  информации, например циклическим суммированием или методом подсчета числа переключений в выходном векторе. Высокое быстродействие СА позволяет в ряде случаев, например при диагностировании комбинационных схем, отказаться от синтеза минимальных или квазиминимальных  тестовых последовательностей и просто использовать все допустимые комбинации входных двоичных векторов, которые в этом случае могут задаваться счетчиком. Метод сигнатурного анализа обладает высокой достоверностью, которая в данном случае определяется вероятностью того, что различающиеся двоичные векторы имеют неодинаковые сигнатуры. Любая одиночная ошибка в выходном двоичном векторе обнаруживается с вероятностью. равкой единице. При числе ошибок более одной вероятность обнаружения ошибок равна 1 - 12ⁿ 

где n—число разрядов сигнатурного анализатора. При п =16 вероятность равна 0,99998. Это означает, что при неодиночной ошибке в выходном векторе можно ожидать что не более 0,002 % различных векторов будут иметь  одинаковые сигнатуры, При необходимости тестирования достаточно сложной микромашинной аппаратуры для повышения достоверности  результатов сигнатурного анализа можно увеличить для сигнатурного генератора. Например, уже при n=20 вероятность обнаружения неисправности при многократной ошибке составляет 0,999999. другими словами, только одна миллионная часть всех возможных сигнатур состояний выходного вектора произвольной длины с неодиночными ошибками может быть одинаковой. Совпадение сигнатур возможно только в том случае, когда при формировании сигнатуры последующих ошибки в выходном векторе компенсируют влияние предыдущих ошибок (искажений). Можно показать, что при двойной ошибке компенсация имеет место, когда эти ошибки разделены 2ⁿ —1 нулями, что является маловероятным событием. Высокая достоверность метода является, в частности, следствием свойства линейности сдвигового регистра с  обратными связями. Это свойство позволяет использовать принцип суперпозиции входных сигналов и считать, что реакция регистра на сумму по модулю 2 двух входных сигналов равна сумме его реакций от каждого из сигналов в отдельности. Если считать, что на один вход подан безошибочный входной вектор, а на второй — вектор ошибок, то  результирующая сигнатура будет равна сумме по модулю  2 сигнатур, которые были бы получены от двух отдельно  поданных на вход регистра векторов. Ошибка обнаруживается в том случае, когда сигнатура вектора ошибок не является нулевой. Ошибки не обнаруживаются,  если они расположены по длине двоичного вектора так, что по цепям обратных связей они взаимно компенсируются. Структура цепей связи (места съема сигналов обратной связи) в сдвиговом регистре выбрана из условия получения  наибольшей достоверности результата. Сигнатурные  анализаторы можно использовать для локализации  неисправностей устройств, в которых при разработке  заложена эта возможность. В частности, в устройстве  должен быть предусмотрен тактовый сигнал, по которому начинается прием данных в сдвиговой регистр анализатора. Должен быть предусмотрен также сигнал запуска и остановки, с тем чтобы длительность поиска данных  была строго определенной, а также средства разрыва обратных связей, иначе сигнатуры будут неоднозначными. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

МГАПИ 
 

РЕФЕРАТ 
 

по курсу: ЭВМ, Комплексы и Сети. 

тема: «Теоретические основы систем автоматического диагностирования». 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: студент III курса группы 2201.10 Владимиров А.С.

Принял: Бенда И. М. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Сергиев Посад

1998 год.