Особенности контроля и диагностики микроЭВМ.

Архитектура и структура ПЭВМ IBM PC и их клонов

Персональный компьютер, как известно, относится к типу микро-ЭВМ, т. е. ЭВМ, используемых микропроцессорные структуры. Микро-ЭВМ, в отличие от других типов вычислительных устройств, имеет свои достоинства и недостатки в плане диагностики их неисправностей.

Поиск неисправностей в микроЭВМ осложнен целым рядом причин, наиболее важными из которых представляются следующие:

1) высокая сложность СБИС. Обычный однокристальный микропроцессор имеет около 200 внутренних запоминающих элементов (информационных, управляющих регистров и триггеров) и, соответственно, 2²⁰⁰ возможных состояний, поэтому полный контроль микропроцессорных СБИС практически невозможен и отдельные неисправности, вызванные взаимным влиянием отдельных элементов СБИС, могут проявляться в виде редких нерегулярных сбоев;

2) малое число контрольных точек схемы (выводов ИМС) приводит к тому, что подача тестирующих воздействий на нужные точки схемы и контроль их состояния носит косвенный характер. Доступ к внутренним элементам СБИС возможен только под микропрограммным управлением, т. е. генерация тестовых последовательностей возможна, в основном, только средствами микропрограммного управления самого микропроцессора или микроконтроллера;

3) неразделимость аппаратных и программных средств управления микропроцессорной системы. Часто провести четкую границу между аппаратными и программными средствами микропроцессорной системы нельзя, так как в большинстве микропроцессоров ПЗУ микропрограмм выполнено на самом кристалле СБИС микропроцессора;

4) сложность и неразделимость аппаратных средств микроЭВМ. Микропроцессорную систему часто невозможно разделить на отдельные функциональные узлы (ТЭЗ, как в больших ЭВМ), потому что часто вся микро-ЭВМ, или, по крайней мере, ее системная плата, исполняются в виде одного конструктивно законченного узла. Во-вторых, часто в одной СБИС, например, контроллере системной поддержки микропроцессора, совмещены различные функции: управление и выполнение арифметических процедур, запрограммированная конфигурация, выполнение функций ввода-вывода и т. д., и наоборот – одна функция может реализовываться по частям в разных СБИС и т. п. Так что диагностика неисправностей микро-ЭВМ требует высокой квалификации обслуживающего персонала;

5) необходимость одновременного контроля состояния шин. Микропрограммный характер генерации тестовых воздействий требует наблюдения и регистрации всех сигналов шин на больших временных интервалах, чтобы можно было зафиксировать редкие и однократные события. Эти события идентифицируются заданными комбинациями сигналов на шинах адреса, управления, данных, и даже заданной последовательностью таких комбинаций. Например, регистрация первичной ошибки только в n-м такте операции умножения с плавающей точкой, только с определенными операндами, да еще и на фоне обмена данными с принтером. Подобную регистрацию можно провести только на специальной нестандартной КИА – анализаторе логических состояний;

6) высокое быстродействие. Тактовая частота современных микропроцессоров достигает сотен МГц и даже ГГц, так что разрешающая способность стандартной и нестандартной КИА должна быть не ниже тысяч МГц, но такая аппаратура очень сложна, дорога и редка;

7) шинная организация микропроцессорной системы часто требует использования тристабильных элементов (с Z-состоянием) с подключением в одну точку многих передатчиков и источников сигналов, что приводит к трудностям определения источника искажения информации в магистрали;

8) мультиплексирумость шин микропроцессорной системы, вызываемая необходимостью сокращения числа выводов СБИС, приводит к временному разделению одной и той же шины между младшей и старшей частями адреса, адресом и данными, данными и сигналами управления и т. п. Это требует дополнительной идентификации характера информации на шине и сильно усложняет диагностику магистралей.

Но, наряду с вышеуказанными сложностями, микропроцессорные системы имеют и ряд преимуществ при диагностике неисправностей в них:

1) стандартная форма электрических сигналов. Важной особенностью всех цифровых, дискретных устройств, реализованных на стандартных наборах БИС, является стандартное представление информации электрическими сигналами одинаковой амплитуды (логические нуль и единица представляются сигналами нулевого уровня и/или сигналами уровня амплитудой порядка +5 вольт). В этом случае, прибегать к измерениям аналоговых величин (амплитуды, длительности фронтов), приходится только в блоках ЦАП и АЦП, или при подозрении на выход из строя одной из компонент схемы. Эта стандартность дает возможность разрабатывать КИА со средствами стандартного подключения к контролируемым точкам системы, что снижает стоимость такой КИА и, в большой степени, сокращает вероятность ошибок оператора. Примером такой КИА могут быть логические пробники и измерительные клипсы, одеваемые прямо на выводы исследуемых ИМС;

2) способность к самоконтролю. Как только отлажена схема синхронизации микропроцессорной системы и начал работать контур микропрограммного управления, появляется возможность использовать сам микропроцессор системы для сбора и обработки информации о состоянии элементов самой микропроцессорной системы. Исполнение таких тестовых программ, как циклические пересылки унитарных кодов, подсчет контрольных сумм содержимого ROM BIOS, КМОП-памяти, контроль ОЗУ, запись-чтение тестирующей информации в порты ввода-вывода и т. п., позволяет определить характер неисправности, а иногда и точно указать ее место. Мощным средством в этом отношении являются микропрограммные тесты, которые составляются с использованием так называемого “способа раскрутки”, когда, опираясь на уже проверенное ядро тестируемой системы, можно постепенно и очень подробно протестировать все более дальние от ядра узлы схемы и, по словарям неисправностей, достаточно точно определить место возникновения неисправности. При этом основная тяжесть диагностики переносится с "изобретения" диагностирующим персоналом контрольных процедур с использованием КИА, на разработку диагностических микропрограмм. Эта работа требует доскональных знаний аппаратной реализации ЭВМ и под силу только ее разработчикам, которые и составляют эти проверочные и диагностирующие микропрограммы и наборы микропрограммных тестов.

Основной или, во всяком случае, функциональной составляющей большинства вычислительных систем и вычислительных комплексов часто является компьютер, первоначально, при разработке, ориентированный на персонального пользователя и, в силу хорошо продуманной организации, способный решать и другие, системные задачи. Следует только иметь в виду, что это все-таки персональная машина (ПЭВМ), обладающая рядом недостатков:

- плохо развитая коммуникативность: малы возможности развития подсистем ввода-вывода, очень трудно и неэффективно подключать к РС несколько десятков внешних устройств;

- не всегда достаточны скорости передачи данных, без участия центрального микропроцессора;

- недостаточен объем специальной высокоскоростной мультиплексной памяти;

- сложно, а порой и невозможно, обеспечить параллельную работу периферийного оборудования в режиме совмещения;

- трудно решается проблема многопользовательской работы (многозадачный режим), в силу слабо развитой системы прерываний и обслуживания каналов ввода-вывода;

- неэффективное использование собственно вычислительных возможностей центрального процессора. При работах по вводу-выводу он практически простаивает, что ведет к плохому использованию ресурсов ВС. Так, ввод-вывод реализует всего 5-10% заложенных в РС возможностей по скоростям его работы, а в CPU и того меньше – 2-5%.

Хорошим выходом из этого положения может быть особая RISC-структура CPU и применение специальной каналообразующей аппаратуры (процессоров каналов связи). Но это будет уже совсем не персональный компьютер, а, скорее, система типа IBM-370, 380, 390, ЕС ЭВМ, PDP и т. п. Однако, в силу ряда не вполне объективных причин, их применение у нас в стране сильно ограничено. Зарубежные фирмы подобные системы нам поставляют весьма неохотно, нет и литературы по их применению. Так что нам приходится использовать, для систем не очень высокого класса, именно РС. Так что мы вынуждены изучать эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт именно РС.

Изучать мы будем компьютер именно типа IBM PC/AT потому, что все современные модели РС, вплоть до самых последних, в большой мере интерпретируют структуру и архитектуру РС/АТ. С другой стороны, все поздние модели РС, начиная с 386 и до "Pentium-4" – это технологические усовершенствования РС/АТ: увеличение разрядности, объемов ОЗУ, объемов ВЗУ, повышение быстродействия компонент, в первую очередь, CPU и системной шины, и архитектура последних моделей РС практически не отличается от РС/АТ. Плюс к тому, быстро развивающаяся технология СБИС позволяет совместить в одном кристалле много функций разных узлов обрамления CPU – объединить CPU и FPU в одной ИМС (486, "Pentium"), и собственно структура центрального вычислителя при этом не видна. Нам же нужно хорошо представлять себе все узлы, как вычислителя, так и его обрамления, а это лучше всего видно на примере РС/АТ.