Лекція №2. Методи контролю цифрових пристроїв

 

План

 

1.   Основні питання технічного обслуговування електронно-обчислювальних машин

2.   Основні поняття і завдання технічної діагностики обчислювальних пристроїв і систем

3.   Інформаційна надлишковість як універсальний засіб контролю

4.   Апаратні методи функційного контролю

5.   Тестовий контроль

 

  1. Основні питання технічного обслуговування електронно-обчислювальних машин

Електронно-обчислювальні машини  з‘являються одним з найбільш вагомим засобом автоматизації виробництва і підвищення якості продукції  та застосування  перспективних високих  технологій. Ефективне використання сучасних ЕОМ визначає рівень науково-технічного прогресу в Україні.

Умови експлуатації ЕОМ можуть бути різними. Вони залежать в основному  від механічних та кліматичних  впливів, що необхідно  враховувати при виборі єлементів, матеріалів та конструктивному оформленню ЕОМ.

Для визначення  впливу зовнішнього середовища на роботу ЕОМ розділяють характерні зони клімату: помірний, пустельний, тропічний,  арктичний та морський.

Щодо ракетної та космічної апаратури ураховують специфику умов великих висот.

При  експлуатації в умовах низьких температур змінюються властивості багатьох ізоляційних матеріалів, вироби із пластмаси втрачають міцність, а з штучної резини – еластичність, зменшується міцність паяних з‘єднань.

При  експлуатації в умовах високих  температур змінюються властивості переходних опорів, руйнуються захисні покриття. Особливий вплив наносить  тепловий удар- швидке чергування високих та низьких температур, що сприяє руйнуванню виробів з різними коєфіцієнтами лінійного розширювання, некравномірно змінюющих свої розміри. Виликий вплив на роботу електронної апаратури здійснює вологість повітря; підвищений тиск; біологічні фактори, сонячна радіація,  пил та пісок.

Щодо організації планово-профілактичного обслуговування, то потрібно вживати активні та пасивні заходи. В Україні діють Державні санітарно-гігієнічні правила і норми підготовлені з урахуванням нових наукових досліджень по вивченню впливу чинників, що створюються комп'ютерами при їх роботі на організм дітей і підлітків, і розробкою заходів по запобіганню їх негативного впливу на формування здоров'я дитячого населення. Вимоги складаються згідно з діючих "Санітарних норм і правил влаштування і обладнання кабінетів комп'ютерної техніки в навчальних закладах та режиму праці учнів на персональних комп'ютерах" винні притягуються до дисциплінарної, адміністративної і кримінальної відповідальності згідно Закону України "Про забезпечення санітарного та епідемічного благополуччя населення", ст. 10, 19, 20, 24, 40.

1. Вимоги до приміщень та розташування робочих місць з ПК

1.1Приміщення, призначені для роботи з ПК, повинні мати природне освітлення. Орієнтація вікон повинна бути на північ або північний схід, вікна повинні мати жалюзі, які можна регулювати, або штори.

1.2. Не дозволяється розміщувати кабінети обчислювальної техніки у підвальних приміщеннях будинків.

1.3. Кабінети, обладнані комп'ютерною технікою, в навчальних закладах повинні розміщуватись в окремих приміщеннях з природним освітленням та організованим обміном повітря.

Площа на одного учня, який працює за ПК, повинна складати не менше 6,0 кв. м, об'єм - не менше 20 куб. м. Площа учбових приміщень з ПК повинна розраховуватись на півкласу учнів, але не більш як 12 чоловік.

1.4. Стіни, стеля і підлога та обладнання кабінетів комп'ютерної техніки повинні мати покриття із матеріалів з матовою фактурою з коефіцієнтом відбиття: стін - 40 - 50 %, стелі - 70 - 80 %, підлоги - 20 - 30 %, предметів обладнання - 40 - 60 % (робочого столу - 40 - 50 %, корпуса дисплею та клавіатури - 30 - 50 %, шаф та стелажів - 40 - 60 %).

1.5. Поверхня підлоги повинна мати антистатичне покриття та бути зручною для вологого прибирання.

1.6. Забороняється використовувати для оздоблення інтер'єру приміщень комп'ютерних класів полімерні матеріали (дерев'яно-стружкові плити, шпалери, що придатні для миття, плівкові та рулонні синтетичні матеріали, шаровий паперовий пластик та ін.), що виділяють у повітря шкідливі хімічні речовини, які перевищують гранично допустимі концентрації.

Вміст шкідливих хімічних речовин в повітрі дошкільних та учбових приміщень з комп'ютерною технікою не повинен перевищувати середньодобові концентрації, що наводяться в "Переліку гранично допустимих концентрацій забруднюючих речовин в атмосферному повітрі населених пунктів", N 3086-84 від 27.08.84 р. та доповненнях до нього, які затверджені Міністерством охорони здоров'я.

1.7. При будівлі нових і реконструкції діючих загальноосвітніх шкіл, середніх спеціальних і вищих учбових закладів висота приміщень (від підлоги до стелі), в яких передбачено використання персональних комп'ютерів в навчальному процесі, повинні бути не менше 3,6 м, а площа на 1 робоче місце 16 м2 (ДБН В.2.2-3-97).

2. Вимоги до освітлення приміщень та робочих місць

2.1. Приміщення з ПК повинні мати природне та штучне освітлення.

2.2. Природне освітлення повинно відповідати вимогам ДБН В.2.2-3-97 "Будинки та споруди навчальних закладів".

2.3. Штучне освітлення в приміщеннях з ПК повинно здійснюватись системою загального освітлення.

Як джерела світла при штучному освітленні повинні застосовуватись переважно люмінесцентні лампи.

2.4. Штучне освітлення повинно забезпечувати на робочих місцях в кабінетах та класах з ПК освітленість не нижчу, а на екранах дисплеїв - не вище приведених таблиці 1.

 

Таблиця 1 Норми освітленості в кабінетах і класах з ПК

Характеристика роботи

Робоча поверхня

Площина

Освітленість,лк

Примітка

Робота переважно з екранами дисплеїв ПК (50 % та більше робочого часу)

Екран

В

200

не вище

Клавіатура

Г

400

не нижче

Стіл

Г

400

не нижче

Робота переважно з документами (з екранами дисплеїв ПК менше 50 % робочого часу)

Екран

В

200

не вище

Клавіатура

Г

400

не нижче

Стіл

Г

500

не нижче

Дошка

В

500

не нижче

Проходи основні

Підлога

Г

100

не нижче

 

3. Вимоги, що забезпечують захист учня від впливу іонізуючих та неіонізуючих електромагнітних полів та випромінювань*

3.1. Відеомонітори на електронно-променевих трубках (ЕПТ) можуть бути потенційними джерелами гігієнічно значимих рівнів електромагнітних випромінювань в діапазоні частот 50 Гц-300 МГц і статичного електричного поля.

3.2. Напруженість ЕМП в діапазоні 30 Кгц-300 МГц на відстані 0,3 м від усіх поверхонь відеомонітора повинна не перевищувати значень, приведених в таблиці 2.

 

Таблиця 2

Частота електромагнітного випромінювання

Гранично допустимий рівень*

50 Гц

500 В/м

30-300 КГц

25 В/м

0,3-3 МГц

15 В/м

3-300 МГц

3 В/м

3.3. Вимоги пп. 4.3.1 - 4.3.5 вводяться в дію з 01.01.2001 р.

3.3.1. Напруженість електромагнітного поля на відстані 0,5 м від будь-якої поверхні відеомонітора не повинна перевищувати гранично допустимих рівнів (ГДР) які наведено у табл. 3.

 

 

Таблиця 3

Діапазон частот

ГДР електричного поля, В/м

ГДР магнітного поля, нТл

5 Гц - 2 кГц

25

250

2 кГц - 400 кГц

2,5

25

3 МГц - 30 МГц

0,25

2,5

 

2.   Основні поняття і завдання технічної діагностики обчислювальних пристроїв і систем

Застосування методів і засобів контролю обчислювальних пристроїв і систем дає змогу визначити, чи придатний об’єкт контролю для подальшого використання за основним призначенням. У разі непридатності використання за основним призначенням його вважають несправним. Для переведення об’єкта з несправного стану у справний необхідно знайти місце і причину прояву несправності, а також усунути її. Вивчення процесів виявлення несправностей, знаходження місця і причини їх прояву належать до галузі технічної діагностики.

Основні поняття і завдання технічної діагностики .Суть технічної діагностики обчислювальних пристроїв і систем.

Технічна діагностика – галузь знань, що досліджує стани ОД і розробляє методи їх розпізнавання, визначає принципи проектування та організації пристроїв і систем технічного діагностування. Предметом технічної діагностики є стан будь-яких технічних об’єктів, їх називають об’єктами діагностування (ОД).  Процес визначення стану ОД і є технічною діагностикою. Вона розв’язує такі основні завдання:

1)   перевірка працездатності ОД. Якщо показники задовільні, переходять до використання пристрою або системи за призначенням, якщо ні – до аналізу їх стану;

2)   пошук несправних компонентів і елементів ОД, у результаті якого необхідно їх знайти, а також вказати їхні дефекти (несправності) або причини відмови;

3)   прогнозування стану об’єкта на чітко визначений час, коли відомий закон поступової зміни параметрів ОД., їх зміна призведе до того, що пристрій або система не зможе виконувати своїх функцій у майбутньому.

Технічний стан об’єкта – стан, який характеризують у певний момент часу за певних умов зовнішнього середовища значення параметрів, установлених технічною документацією на об’єкт.

Обчислювальні пристрої і системи можуть перебувати у справному або несправному стані. Якщо система перебуває в несправному стані, то в цій ситуації постають такі завдання:

1) пошук несправних елементів і компонентів. При цьому пошук несправних елементів є нижчим рівнем, ніж пошук несправних компонентів;

2) визначення вихідних параметрів компонентів і елементів. Якщо вони відхилилися від номінальних або не виконують своїх логічних функцій, то їх вважають несправними. Надалі компоненти і елементи підлягають відновленню чи заміні. В такому разі виконуються такі операції:

·         виділяють компоненти і елементи, параметри яких відхилились від номінальних, але ще не перейшли граничні допуски;

·         визначають швидкість виходу параметрів за граничні і на основі цього прогнозують стан об’єкта на майбутнє;

Залежно від типу елементів і компонентів об’єкта застосовують такі підходи: регульовані компоненти і елементи у разі оборотних змін параметрів підстроюють до номіналу, у протилежному випадку – замінюють справними, як і несправні нерегульовані.

Технічне діагностування – процес визначення технічного стану об’єкта з означеною точністю. Під ним розуміють процедуру локалізації несправностей об’єкта , тобто виявлення несправної частини ОД. Об’єктом технічного діагностування є виріб або його складові частини, технічний стан яких потрібно визначити. Крім того, об’єктами технічного діагностування, особливо на етапах виробництва і експлуатації комп’ютерної техніки, є:

·         пристрої з компонентами підвищеного ступеня інтеграції – змонтовані на друкованих платах цифрові пристрої, що є функцій ними вузлами модулів і блоків комп’ютерів та комп’ютерних систем, з наявними в них компонентами підвищеного ступеня інтеграції – цифровими BIC та інтегральними схемами надвисокого ступеня інтеграції;

·         програмні засоби – засоби, що складаються з програм і документації, яка стосується їх функціювання;

·         системи програмування – програмні засоби, які функціюють у програмному середовищі та призначені для розроблення й використання програм.

Діагностування програмного забезпечення (ПЗ) здійснюють за допомогою:

·         програм контролю – діагностичних програм для перевірки вхідних програм або даних на наявність синтаксичних, семантичних та інших помилок;

·         програм трасування – діагностичних програм, що можуть простежити виконання кількох або всіх команд програми і записати результати кожного етапу.

Діагностування ПЗ спрямоване на пошук помилок – діяльність, внаслідок якої у програмі виявляють помилки, її здійснюють в основному на етапі налагоджування – виявлення, локалізації та усунення помилок у програмі.

Особливості технічного контролю як елемента діагностування. Технічний контроль – процес, забезпечує виявлення несправностей у роботі цифрових пристроїв , комп’ютерів, комп’ютерних систем і мереж, викликаних відмовою або збоями апаратурних засобів, помилками в програмах, помилкою оператора тощо.

Об’єктами технічного контролю є будь-яка продукція, процеси її створення використання, транспортування, зберігання, технічного обслуговування і ремонту, а також відповідна документація, процеси її створення, використання, транспортування, зберігання, технічного обслуговування і ремонту, а також відповідна документація.

Контроль ПКПСI. Процес, який забезпечує встановлення їх відповідності заданим технічним нормам. Результат фіксують у формі”придатний-непридатний”. Контроль здійснюють у два етапи:

 1) отримання первинної інформації про фактичний стан об’єкта контролю (ОК) та про ознаки і показники його властивостей;

2) співставлення первинної інформації із заздалегідь відомими вимогами, нормами, критеріями і отримання вторинної інформації про розбіжність фактичних і необхідних даних або виявлення відповідності (невідповідності) фактичних даних очікуваним.

Види технічного контролю.Залежно від завдань, що вирішують, виокремлюють контроль працездатності, прогнозуючий і діагностичний. Контроль працездатності. Встановлює відповідність параметрів ОК певним, наперед заданим граничним значенням. При цьому констатують тільки правильність функціювання ОК без зазначення причини відмови. Прогнозуючий контроль. На основі проведених контрольно-вимірювальних операцій з певною ймовірністю передбачають поведінку ОК протягом певного часу після цієї процедури. Діагностичний контроль. Визначають не тільки відповідність ОК його технічним характеристикам, а й встановлюють причини відмови. Таке визначення співзвучне технічному діагностуванню, але треба мати на увазі, що при діагностуванні встановлення несправності ОК проводять на нижчому ієрархічному рівні.Контроль здійснюють за допомогою апаратури або засобів контролю технічного стану, що включають апаратуру і програми. Щодо засобів, які використовуються для реалізації контролю, його поділяють на апаратний, програмний і змішаний.

Апаратний контроль. Здійснюють за допомогою апаратури контролю, його характеризує висока швидкість.

Програмний контроль. Проводять засобами контролю, але при цьому відпрацьовують діагностичні програми. Він пов’язаний з додатковими витратами процесорного часу і необхідністю збільшувати об’єм пам’яті для розміщення програм контролю.

Змішаний контроль. Поєднує апаратний і програмний контролі з метою їх спрощення та підвищення ефективності. Як засвідчує досвіт, така практика є найдоцільнішою.

За характером взаємодії засобів контролю з ОК розрізняють активний і пасивний контроль. Активний контроль. Об’єкт контролю вивчають шляхом подачі тестових впливів на його входи, а також генерації певних режимів з відповідними параметрами. Пасивний контроль. Стан об’єкта визначають на основі вивчення вихідних параметрів, наявних в ОК за фізичною природою його функціювання (амплітуда, частота та інші параметри вихідних сигналів).

Залежно від часу проведення контроль поділяють на оперативний і тестовий. Оперативний контроль. Здійснюють у процесі вирішення основних експлуатаційних завдань. Він дає змогу виявляти несправності безпосередньо під час відпрацювання завдань. Такий контроль є неповним, оскільки його виконують на невідповідних для нього завданнях. Тестовий контроль. Проводять у спеціально відведені проміжки часу з метою розв’язання тестових завдань. Це забезпечує контроль об’єкта в цілому або його компонентів і елементів, а також контроль виконання команд програми. 

Для з’ясування оцінюючих характеристик стану ОК використовують допусковий, кількісний та інформаційний контроль.  

Допусковий контроль. Встановлює дійсне значення параметра відносно його гранично допустимих значень без вимірювання значення параметра.

Кількісний контроль. Дає кількісну оцінку відхилення параметрів ОК від їх номінальних і граничних значень, а також вимірює і оцінює абсолютні значення параметрів, що контролюються.

Інформаційний контроль(доповнення до кількісного контролю). Забезпечує локалізацію місця виникнення передбачуваної несправності й надає інструкції для її усунення.

Крім цих видів контролю, використовують:

Параметричний контроль – контроль, що здійснюють шляхом вимірювання електричних параметрів пристроїв і сигналів, які вони обробляють.

Функційний контроль – перевіряє здатність ОК правильно виконувати функції, покладені на нього.

Функційно-статичний контроль – перевірку правильності функціювання ОК здійснюють у діапазоні мінімальних і максимальних робочих частот.

Внутрішньо схемний контроль – за якого тестові впливи подають на внутрішні контрольні точки друкованих плат, а з інших внутрішніх контактів контрольних точок цієї плати знімають відповідні реакції.

 

3.   Інформаційна надлишковість як універсальний засіб контролю

Традиційно поняття інформаційної надлишковості (ІН) найчастіше пов’язують з використанням завадостійких кодів для передавання і зберігання інформації. Щоб зрозуміти принципи їх побудови та використання, необхідно з’ясувати суть інформаційної надлишковості.

Природна і штучна  надлишковості. ІН характеризує специфічність джерела. Її досягають, використовуючи завадостійкі коди і додаючи перебіркові сигнали, утворені за певними правилами. Перевірка виконання штучно введених правил дає змогу виявляти і виправляти помилки при передаванні чи зберіганні інформації.

Будь-яке джерело з відомою і стаціонарною статистикою повідомлень є  специфічним. За допомогою певних формальних правил можна визначити специфіку і відповідно виявити помилки. Звідси випливає, що контроль достовірності будь-якого джерела можна здійснити без введення штучної надлишковості.

 У типових комп’ютерних системах промислового призначення більшості інформації надходить до системи шляхом регулярного опитування давачів за певним(фіксованим ) часовим регламентом. Повідомлення від окремих давачів, що характеризують параметри одного технологічного процесу, обов’язково будуть корельовано (це параметри одного і того самого процесу, який не може виходити за межі відповідних фізичних (хімічних)  законів). Тому, як і в попередньому випадку, дотримання цих законів може бути ефективно використано для перевірки достовірності даних. Саме корельованість даних свідчить про наявність IH, тому в таких ситуаціях вводити штучну IH не обов’язково. І, головне контроль на основі ІН, яку логічно назвати природною, охоплює не тільки помилки засобів переведення даних (характерно для штучної ІН), а й весь автоматизований комплекс, тобто порушення технологічного процесу і несправності засобів автоматизації . Це найважливіше для загальної ефективності контролю та запобігання аварійних ситуацій .

Слід з’ясувати , як природну надлишковість можна використати для організації контролю працездатності або технічного стану об’єкта.  Для цього необхідно, по – перше, оцінити  ефективність контролю щодо йог повноти, тобто визначити, яку частину всіх можливих помилок можна принципово виявити при його застосуванні; по–друге, побудувати основні процедури, що дасть змогу реалізувати контроль  у складі існуючих або таких, що проектуються, комп’ютерних систем виробного призначення. 

Припустимо, що джерело (давач, первинний перетворювач, клавіатура, з якої оператор вводить виробничу інформацію в систему тощо) формує повідомлення у вигляді слів фіксованої розрядності n. Тоді загальну кількість усіх можливих  помилок (векторів помилок ) можна записати як  

2n -1

Вектор (лат. vectre  - носій) помилки  двійкова n- розрядна комбінація  в якій одиниці відповідають тим розрядам що спотворені помилками.

Якщо правильна комбінація :

               Xi =(10110010),

а після спотворення помилки отримали:

              Xi= (10010110),

то відповідний вектор помилки:

 

              E =X+Xi =(00100100),

 

де   - +  порозрядна сума за модулем 2.

 

4.   Апаратні методи функційного контролю

Функційний контроль цифрових пристроїв може здійснюватися як апаратними, так і програмними методами. Апаратні методи є одними з найпоширених. Функційний(робочий) контроль – контроль, під час якого на об‘єкт контролю подають робочі впливи.

Під час функційного контролю визначення технічного стану об‘єкта(працездатний чи непрацездатний) проводять безпосередньо  в робочому режимі, подаючі на входи пристрою лише робочі сигнали, передбачені алгоритмом функціонування пристрою. Функційний контроль ставить такі основні завдання:

забезпечити його максимальну повноту, тобто можливість виявляти більшість помилок, ймовірних при функціонуванні об‘єкту;

знайти такі реалізації апаратури, що дають змогу мінімізувати апаратні витрати.

Кінцева мета функційного контролю полягає у визначенні, чи правильно виконує об‘єкт свої фукції в даний момент. Однотипні помилки, що виникають при функціонуванні об‘єкту можуть бути  виявлені методом „двопровідної логики”.

 У деяких випадках ефективним з‘являється метод „зворотної машини”, який передбачає реалізацію зворотної функції:

X‘= f‘(Y)

Класичним прикладом застосування методу „зворотної машини” є функційний контроль аналого-цифрового перетворення (ЦАП), зворотним до якого є цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП). Оскільки ЦАП за складністю суттєво простіший за ЦАП, такий контроль економний шодо апаратних витрат і виявляє практично всі  можливі помилки ЦАП.

Метод „зворотної машини” досить універсальний. Його можна реалізувати і програмно, звичайно, лише в тих випадках, коли зворотне перетворення існує, тобто тоді, коли за результатом обчислень можна розрахувати вихідні дані й переконатись, що вони збігаються з тими, які були використані при обчисленнях.

Фундаментальним поняттям захисту від завад є інформаційна надлишковість, яка  базується на теорії та способах завадостійкого кодування. Головна мета класичної теорії кодування полягає у створенні конструктивних процедур кодування і декодування, що мають прості апаратні реалізації.

З огляду на функційні особливості коди поділяють на групові, циклічні, та коди БЧХ (Р.Боуз.Д.Рой-Чоудхурі та  А.Хоквінгем). Коди БЧХ є узагальненням кодів Хеммінга.

У сучасних обчислювальних пристроях і системах широко використовують вбудовані засоби контролю, які конструктивно нероздільні із засобами, шо виконують основні обчислювальні функції. Великого поширення у вбудованих засобах контролю набули кодові методи функційного контролю. Серед них найбільш ефективними і використовуваними є методи , що базуються на завадостійких кодах, наприклад коду Хеммінга.

 

5.   Тестовий контроль

Для поглиблення достовірності контролю працездатності обчислювальних пристроїв  інколи недостатньо перевірити об’єкт на виконання ним робочих функцій. Тому виникає необхідність контролю працездатності кожного елемента і компонента структури пристрою. Це можна здійснити за допомогою тестового контролю.

Суть тестового конролю полягає в тому, що тестування проводять у спеціальному режимі, коли об’єкт не виконує своїх робочих функцій. Тестовий контроль – контроль, під час якого на об’єкт контролю подають тестові впливи.

Перевірковий тест для заданої несправності Li – вхідний вплив, при якому вихідна реакція об’єкта на нього різна за наявності й відсутності Li.

З появою ВІС із функціями рівня  мікропроцесора стало очевидним, що алгоритмічний підхід не може забезпечити необхідну ефективність діагностування пристроїв такої і вищої складності. Вади алгоритмічних методів стимулювали пошук нових підходів до тестового контролю цифрових пристроїв. Основна ідея цих методів грунтується на пошуку інтегральних ознак працездатності, якіц не обов’язково пов’язані з виконанням об’єктом своїх функцій. Прикладом такого інтегрального підходу є ймовірнісний метод тестового контролю.

Суть його полягає в тому, що на входи об‘єкта подають випадкові двійкові послідовності,які мають фіксовану ймовірність появи 0 і 1 – Р0 і Рі  (це еквівалентно відносній частоті появи 0 і 1).

Наступним етапом у розроблені і розвитку нових методів тестування слід вважати метод, який отримав назву сигнатурний аналіз.

Наприклад, для комп‘ютера ефективним тестом може бути будь-яка велика(складна) програма обчислень з відомим результатом.

Застосування сигнатурного аналізу складається з таких етапів:

·         на входи еталонного пристрою подають псевдовипадкову послідовність, згенеровану регістром зі зворотними зв‘язками;

·         у контрольних точках, доступних для спостереження, фіксують запам‘ятовують еталонні сигнатури, які в подальшому використовують для пошуку несправностей;

·         перевіряють відповідності реальних сигнатур еталонним (процедура пошуку). Будь яке відхилення реально отриманої сигнатури від еталону свідчить про несправність відповідного вузла пристрою.

 Сигнатурний аналіз спрощує пошук несправностей без застосування складних стендів без застосування висококваліфікованого персоналу для проведення ремонтних робіт. У цьому полягає основна перевага сигнатурного  аналізу.