Системное ядро. Режим свободного счета.
Для поддержания работоспособности системы не должно быть отказов в некоторых ее компонентах. Эти важнейшие компоненты в совокупности называются системным ядром, и в него обычно входят ЦП, системный генератор синхронизации, шина управления и шина адреса.
Цифровой компьютер можно рассматривать как ядро, окруженное периферийными схемами, и ядро должно работать, чтобы можно было проверить остальные компоненты системы. К счастью, системное ядро проверяется довольно просто, если в системе предусмотрены средства, которые позволяют разорвать шину данных и ввести команду в ЦП. Обычно в ЦП вводится какая-нибудь разновидность холостой команды, например NOP или MOV A,A. После этого системное ядро можно перевести в режим СВОБОДНОГО СЧЕТА.
ЦП осуществляет операцию считывания из памяти для выборки следующей команды. Она всегда интерпретируется как команда NOP, что заставляет процессор перейти к следующему адресу памяти и произвести еще одну операцию считывания. ЦП вынужден считывать команду “нет операции” из каждой ячейки памяти, в результате чего на шине адреса формируются все возможные двоичные коды. При просмотре сигналов в каждой линии шины адреса можно установить факт ее отказа, проявляющийся в замыкании на землю или на питание, в обрыве линии или в замыкании на другую линию шины адреса.
Если по линиям шины адреса передаются правильные сигналы, можно считать, что системное ядро функционирует. Отказ в системном генераторе синхронизации или неисправная линия шины управления почти наверняка не дадут правильной работы в режиме свободного счета. Тест свободного счета обеспечивает простой метод тестирования некоторых важных компонентов в микропроцессорной системе и применим к любому микропроцессору. Режим свободного счета имеет большое значение для сигнатурного анализа.
Для любой системы, рассчитанной на сигнатурный анализ, должен существовать документ, в котором приведены сигнатуры всех узлов. В режиме свободного счета, хотя он и сканирует все адресное пространство, будут разрешены не все микросхемы, так как микропроцессор выполняет только операции считывания из памяти. Например, входной порт не разрешается, и получить от него значимые сигнатуры невозможно. Шина данных отключена от процессора и также не дает значимых сигнатур (за исключением некоторых специальных условий). Набор сигнатур берется от заведомо исправной системы и документируется. В начале списка сигнатур показываются подключения входов пуска, останова и синхронизации, а также их активные фронты (нарастающий или спадающий). Кроме того, здесь же даются характеристические сигнатуры для указанных подключенных входов. Эта информация необходима для настройки анализатора и контроля подключений по сигнатурам, полученным от Vcc и земли. После этого берутся сигнатуры от узлов, и результаты сравниваются с приведенными в документе сигнатурами. Поиск неисправности с применением сигнатурного анализа заключается в определении возможной области с неисправностью и проверки сигнатур до обнаружения неправильной сигнатуры. Пользуясь принципиальной схемой и таблицами сигнатур, неисправность прослеживают “назад” до получения правильной сигнатуры. Неисправность существует в той части схемы, которая находится между последней неправильной и первой правильной сигнатурами.
Для проверки тех частей системы, которые недоступны режиму свободного счета, необходимо написать и выполнить специальные программы. Каждая из них предназначена для проверки одной части системы, например входного порта, и обычно состоит всего из нескольких строк ассемблерного кода. Такие тест-программы сигнатурного анализа обычно помещаются в ПЗУ, которое находится в системе, но при нормальной работе не используется. Тест-ПЗУ приводится в действие либо переключением линии OE от первого системного ПЗУ с последующим сбросом системы, либо вводом в процессор команды RESTART и размещением тест-ПЗУ по адресу рестарта. Набор тест-программ обычно организован как цикл, который переодически выполняется при включении тест-ПЗУ в работу. В начале полного тест-цикла предусматривается формирование импульса на линии сигнала пуска сигнатурного анализатора, а в конце тест-цикла формируется импульс на линии сигнала останова анализатора. Часто для обоих сигналов пуска и останова используется одна и та же линия, что устраняет необходимость формирования отдельного сигнала останова.
12.3. Встроенные средства для сигнатурного анализа.
В идеальном случае тестирование вычислительной системы с помощью сигнатурного анализа необходимо предусматривать еще на этапе проектирования. При разработке системы следует встроить средства реализации свободного счета и выбора тест-циклов из ПЗУ. Когда управляющие сигналы для анализатора должны формироваться из комбинации нескольких внутренних сигналов, следует ввести в систему необходимые схемы. После окончания разработки можно получить и задокументировать полные таблицы сигнатур для различных тестов.
Многие системы разработаны без всяких встроенных средств тестирования, но их можно приспособить для сигнатурного анализа. Прежде всего необходимо ввести схемы, реализующие режим свободного счета системного ядра, чтобы проконтролировать важнейшие компоненты компьютера или микропроцессорной системы. К счастью, в большинстве систем микропроцессор находится в панельки и его можно вынуть. Панелька микропроцессора имеет все сигналы и напряжения питания, которые требуются для реализации свободного счета. В простейшем случае нужно вынуть микропроцессор и вставить в его панельку переходник, в котором встроены разрыв шины данных и подача в микропроцессор холостой команды. После этого с другой стороны переходника вставляется микропроцессор. Для конкретного микропроцессора в отделе контроля нужно разработать переходник для встраивания в любую систему, в которой применяется данный микропроцессор. При эксплуатации нескольких систем с различными микропроцессорами потребуется изготовить соответствующие переходники для каждого микропроцессора. Таким образом, все возможности режима свободного счета реализуются в любой системе независимо от того, проектировалась ли она с учетом сигнатурного анализа или без учета его.
Тесты свободного счета проверяют только часть системы, а для стимулирования других ее частей необходимо написать и разместить в ПЗУ тест-программы. Обычный подход заключается в том, чтобы заменить первое системное ПЗУ на тест-ПЗУ. После сигнала системного сброса микропроцессор производит обращение к этому ПЗУ, и тест-программы проверяют всю систему.
Тест-программы сигнатурного анализа выполняются как последовательность коротких фрагментов, следующих друг за другом. По окончании последовательности процессор переходит к началу, образуя полный тест-цикл. Для локализации отказов в системе при проверке отдельных компонентов обычно требуются свои сигналы пуска и останова. Большинство этих сигналов уже имеется в системе; например, каждое ПЗУ можно проверить подключив к управляющим линиям пуска и останова конкретный сигнал выбора кристалла от дешифратора адреса. ОЗУ обычно проверяется путем выполнения первоначальной последовательности операций записи, в результате чего во всех ячейках ОЗУ будет храниться известный двоичный набор. Операции записи контролируют линии шины адреса, подключенные к ОЗУ, и линии шины управления, разрешающие работу микросхемы. Убедившись в функционировании этих линий, можно выполнить последовательность операций чтения, которые контролируют линии подключения шины данных и проверяемого ОЗУ. Любые сигналы используемые в качестве сигналов пуска и остнова сигнатурного анализатора, должны опираться на результаты предыдущих тестов, контролирующих систему по частям. Режим свободного счета проверяет системное ядро, а работоспособное ядро обеспечивает подлежащие проверке сигналы. В большинстве случаев успешный контроль свободного счета свидетельствует о правильном функционировании самого микропроцессора.
12.4. Ограничения сигнатурного анализатора.
Сигнатурный анализатор регистрирует только те события, которые синхронны с сигналом синхронизации, используемым для получения сигнатур от узлов системы. Микропроцессор является синхронным конечным автоматом, и при сигнатурном анализе проверяется большинство его частей. Однако некоторые события происходят асинхронно с системной синхронизацией, и их нельзя проконтролировать с помощью сигнатурного анализа. Последовательная линия связи в стандарте RS232C обычно работает асинхронно с системной синхронизацией, что препятствует применению сигнатурного анализа. В этом случае на вход синхронизации анализатора можно подать сигнал синхронизации универсального асинхронного приемопередатчика и получить сигнатуры последовательной линии связи. Однако компьютер необходимо запрограммировать на выдачу в линию периодического сигнала, чтобы в тесте участвовала известная периодическая двоичная последовательность.
Компьютер в шинной структурой можно считать замкнутой системой с обратной связью, в которой по шине адреса осуществляется запрос данных, а реакция выводится с шины данных. Проблема в такой структуре заключается в том, что отказ распространяется по всей петле, вызывая получение кажущихся плохих сигнатур в тех местах, где отказ отсутствует. Сигнатурный анализ не показывает, в каком месте временного окна впервые возникает отказ, что можно было бы использовать для локализации неисправного компонента. Плохая сигнатура по истечении временного окна не показывает “историю” прослеживания отказа. Поэтому, когда много микросхем осуществляют вывод на общую шину и появляется неправильная сигнатура, сигнатурный анализ не может указать, в какой именно микросхеме возник отказ.
НОМЕРА ОТВОДОВ В ЦЕПИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ РЕГИСТРА СДВИГА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПСП МАКСИМАЛЬНОЙ ДЛИНЫ
| n | Номера отводов в цепи обратной связи | Длина последовательности | Период последовательности при частоте такта 1 МГц |
| 4, 3 | 15 мкс | ||
| 5, 3 | 31 мкс | ||
| 6, 5 | 63 мкс | ||
| 7, 1 | 127 мкс | ||
| 7, 3 | |||
| 7, 5, 4, 3 | |||
| 8, 7, 5, 3 | 255 мкс | ||
| 9, 4 | 0,5 мкс | ||
| 9, 7, 6, 4 | |||
| 10, 3 | 1 мс | ||
| 10, 7 | |||
| 11, 2 | 2 мс | ||
| 11, 9, 8, 4 | |||
| 12, 11, 8, 6 | 4,1 мс | ||
| 13, 10, 6, 4 | 8,2 мс | ||
| 14, 13, 8, 4 | 16,4 мс | ||
| 15, 1 | 32,8 мс | ||
| 15, 4 | |||
| 15, 7 | |||
| 15, 14 | |||
| 16, 12, 9, 7 | 65,5 мс | ||
| 16, 14, 13, 11 | |||
| 17, 3 | 131 мс | ||
| 17, 5 | |||
| 17, 6 | |||
| 17, 14 | |||
| 18, 7 | 262 мс | ||
| 18, 11 | |||
| 19, 18, 17, 14 | 0,5 с | ||
| 20, 3 | 1 с | ||
| 20, 17 | |||
| 21, 2 | 2 с | ||
| 21, 19 | |||
| 22, 1 | 4,2 с | ||
| 22, 21 | |||
| 23, 5 | 8,4 с | ||
| 23, 9 | |||
| 24, 4, 3, 1 | 16,8 с | ||
| 25, 3 | 33,5 с | ||
| 25, 7 | |||
| 26, 8, 7, 1 | 1,1 мин. | ||
| 27, 8, 7, 1 | 2,2 мин. | ||
| 28, 3 | 4,4 мин. | ||
| 28, 9 | |||
| 28, 13 | |||
| 29, 2 | 8,9 мин. | ||
| 30, 16, 15, 1 | 17,8 мин. | ||
| 31, 3 | 35,7 мин. | ||
| 31, 6 | |||
| 31, 7 | |||
| 31, 13 | |||
| 32, 28, 27, 1 | 1,2 ч | ||
| 33, 13 | 2,4 ч | ||
| 34, 15, 14, 1 | 4,8 ч | ||
| 35, 2 | 34359738367- | 9,5 ч | |
| 36, 11 | 19,0 ч | ||
| 37, 12, 10, 2 | 1,5 сут. | ||
| 38, 6, 5, 1 | 3,2 сут. | ||
| 39, 4 | 6,4 сут. | ||
| 39, 8 | |||
| 39, 14 | |||
| 40, 21, 19, 2 | 12,7 сут. | ||
| 41, 3 | 25,4 сут. | ||
| 41, 20 |