л.2 Система автоматического диагностирования (тестовый документ)
план-конспект по информатике и икт

7. Система автоматического диагностирования

Быстро растущие компьютерные парки организаций требуют более тщательного технического обслуживания, поэтому растет численность обслуживающего персонала и повышаются требования к его квалификации. Увеличение надежности СВТ приводит к тому, что поиск неисправных компонентов СВТ и их ремонт производятся относительно редко, и это приводит к потере эксплуатационным персоналом определенных навыков отыскания и устранения неисправностей. Таким образом, возникает проблема обслуживания непрерывно усложняющихся компонентов СВТ в условиях, когда не хватает персонала высокой квалификации.

Современная вычислительная техника решает эту проблему путем создания систем автоматического диагностирования неисправностей, которые призваны облегчить обслуживание и ускорить ремонт компьютерного парка организации.

Система автоматического диагностирования представляет собой комплекс программных, микропрограммных, аппаратных средств и справочной документации (диагностических справочников, инструкций, тестов). Различают системы тестового и функционального диагностирования. В системах тестового диагностирования воздействия на диагностируемое устройство поступают от средств диагностирования. В системах же функционального диагностирования воздействия, поступающие на диагностируемое устройство, заданы рабочим алгоритмом функционирования.

Классификация средств диагностирования приведена на рис. 1.28.

В ПК обычно используются встроенные или специализированные средства диагностирования и встроенные средства подачи тестовых воздействий на внешние универсальные средства (например, сигнатурные анализаторы) для снятия ответов и анализа результатов.

Процесс диагностирования состоит из определенных этапов (элементарных проверок), каждый из которых характеризуется подаваемым на устройство тестовым или рабочим

Рис. 1.28. Классификация средств автоматического диагностирования

воздействием и снимаемым с устройства ответом. Получаемое значение ответа (набор значений сигналов в контрольных точках) называют результатом элементарной проверки.

Совокупность элементарных проверок, их последовательность и правила обработки результатов определяют алгоритм диагностирования, который бывает условным и безусловным. Алгоритм диагностирования называют безусловным, если он задает одну фиксированную последовательность реализации элементарных проверок. Алгоритм диагностирования называют условным, если он задает несколько различных последовательностей реализации элементарных проверок.

Объектом элементарной проверки является неисправный компонент диагностируемого устройства, на проверку которого рассчитано тестовое или рабочее воздействие элементарной проверки.

Средства диагностирования позволяют устройству (например компьютеру) самостоятельно локализовать неисправность при условии исправности диагностического ядра — той части аппаратуры, которая должна быть заведомо работоспособной до начала процесса диагностирования.

При диагностировании СВТ наиболее широкое распространение получил принцип раскрутки, или принцип расширяющихся областей, заключающийся в том, что на каждом этапе диагностирования ядро и аппаратура уже проверенных исправных областей устройства становятся средствами тестового диагностирования, а аппаратура очередной проверяемой области является объектом диагностирования.

Процесс диагностирования по принципу раскрутки (расширяющихся областей) следующий: диагностическое ядро проверяет аппаратуру первой области; затем проверяется аппаратура второй области с использованием ядра и уже проверенной первой области, и т. д. При этом диагностическое ядро (встроенные средства тестового диагностирования) реализует следующие функции:

• загрузку диагностической информации;
• подачу тестовых воздействий на вход проверяемого блока;
• опрос ответов с выхода проверяемого блока;
• сравнение полученных ответов с ожидаемыми (эталонными);
• анализ и индикацию результатов.

Для выполнения этих функций встроенные средства тестового диагностирования в общем случае содержат:

• устройства ввода и накопители диагностической информации (тестовых воздействий, ожидаемых ответов, закодированных алгоритмов диагностики);
• блок управления чтением и выдачей тестовых воздействий, снятием ответа, анализом и выдачей результатов диагностирования;
• блок коммутации, позволяющий соединить выходы диагностируемого блока с блоком сравнения;
• блок сравнения и устройство вывода результатов диагностирования.

Перечисленные блоки и устройства могут быть частично или полностью совмещены с аппаратурой ЭВМ. Например, в качестве устройства ввода может использоваться клавиатура, в качестве накопителя — часть оперативной памяти,

Рис. 1.29. Структурная схема средств тестового диагностирования на базе сервисного процессора

в качестве блока управления — процессор, в качестве блока сравнения — имеющиеся в ЭВМ схемы сравнения (АЛУ), в качестве блока коммутации — средства индикации состояния аппаратуры ЭВМ, а в качестве устройства вывода результатов — монитор ЭВМ.

Таким образом, встроенные средства диагностирования имеют практически те же блоки и устройства, что и сама ПЭВМ. Поэтому не удивительно, что с развитием интегральной микроэлектроники и массовым выпуском недорогих ПК последние стали все чаще использовать в качестве средств диагностирования ЭВМ. Такие специализированные компьютеры, используемые в целях обслуживания и диагностирования ЭВМ, получили название сервисных процессоров (рис. 1.29).

Сервисные процессоры — это процессоры, выполняющие операции, связанные с обслуживанием компьютера: контроль и индикацию состояния, пультовые операции, диагностирование и восстановление, связь с удаленным центром обслуживания. Благодаря своим универсальным возможностям и развитой периферии, включая жесткий диск, клавиатуру и дисплей, сервисные процессоры обеспечивают комфортные условия работы и предоставление результатов диагностирования обслуживающему персоналу в максимально удобной форме.

С развитием СВТ повысилась интеллектуальность сервисных процессоров, выполняющих различные функции:

• автоматический запуск диагностических тестов;
• точное определение неисправностей и выдача сообщений о них в отредактированной форме;
• прогнозирование отказов на основе обработки сообщений об ошибках;
• связь с удаленным центром обслуживания;
• защита от ошибок оператора;
• сбор данных о подключении устройств и т. д.

В современных серверах уже присутствуют достаточно мощные встроенные сервисные процессоры самотестирования.

Для классификации технических решений, используемых при реализации систем диагностирования, рассмотрим понятие метода диагностирования. Он включает в себя три основных элемента:

• объект элементарной проверки;
• способ подачи воздействия;
• возможность снятия ответа.

Существуют следующие методы тестового диагностирования:

• метод командного ядра;
• методы диагностирования на уровне логических схем (двухэтапное диагностирование, метод последовательного сканирования);
• метод эталонных состояний;
• метод микродиагностирования;
• метод диагностирования, ориентированного на проверку сменных блоков.

Методы функционального диагностирования включают в себя:

• диагностирование с помощью схем встроенного контроля;
• диагностирование с помощью самопроверяемого дублирования;
• диагностирование по регистрации состояния.

Процесс разработки систем диагностирования состоит из следующих этапов (рис. 1.30):

• выбор метода диагностирования;
• разработка аппаратных средств диагностирования;
• разработка диагностических тестов;
• разработка диагностических справочников;
• проверка качества разработанной системы диагностирования.

Рис. 1.30. Этапы проектирования систем тестового диагностирования

Рассмотрим различные методы диагностирования более подробно.

1. Метод командного ядра

Этот метод основан на использовании программных средств автоматического диагностирования.

В системе команд ЭВМ выделяется ядро команд, включающее в себя:

• команды, необходимые для загрузки тестов (в том числе специальные диагностические команды);
• этапы сравнения результатов с эталонными с ветвлением по несовпадению результатов;
• выдачу диагностического сообщения обслуживающему персоналу.

Объектом элементарной проверки при этом методе являются компоненты СВТ, используемые при выполнении программных команд (процессор, оперативная память, регистры и т. д.).

При выполнении различных команд может быть выявлено «пересечение» подозреваемых компонентов СВТ. Исключение из рассмотрения исправных компонентов аппаратуры может повысить глубину поиска дефекта при диагностировании.

Недостатком этого метода является значительный объем диагностического ядра.

2. Метод двухэтапного диагностирования

Это метод диагностирования, при котором объектами элементарных проверок на разных этапах диагностирования являются схемы c памятью (регистры и триггеры) и комбинационные схемы. Он представляет собой частный случай метода диагностирования на уровне логических схем.

Диагностирование СВТ по этому методу выполняется в два этапа:

• на первом этапе проверяются все регистры и триггеры, которые могут быть установлены с помощью операции «Установка» и опрошены по дополнительным выходам операцией «Опрос»;
• на втором этапе проверяются все комбинационные схемы, а также регистры и триггеры, не имеющие непосредственной установки или опроса.

В тестах первого этапа управляющая информация отсутствует, так как после установки сразу выполняется опрос.

В тестах, предназначенных для проверки комбинационных схем, управляющая информация задает адрес микрооперации приема сигнала с выхода комбинационной схемы в выходной регистр диагностирования.

Диагностическая информация включает в себя данные тестового воздействия, результат и состав контрольных точек элементарной проверки, а также адреса следующих элементарных проверок в алгоритме диагностирования, и имеет стандартный формат, называемый тестом локализации неисправностей.

Подача тестовых воздействий, снятие ответа, анализ и выдача результатов реализации алгоритма диагностирования выполняются с помощью стандартных диагностических операций «Установка», «Опрос», «Сравнение» и «Ветвление».

Метод двухэтапного диагностирования использует, как правило, условный алгоритм диагностирования, поэтому тест локализации неисправностей содержит два адреса ветвления, задающих начальный адрес в оперативной памяти.

Для хранения результатов, как правило, используется жесткий диск или CD-R, а для ввода — клавиатура.

Тесты локализации неисправностей обычно загружаются в оперативную память и догружаются в нее по окончании выполнения очередной группы операций. Поэтому до начала диагностики по данному методу проверяется оперативная память и жесткий диск.

При обнаружении отказа на мониторе отображается номер теста, по которому в диагностическом справочнике отыскивается неисправный сменный блок.

3. Метод последовательного сканирования

Метод последовательного сканирования является вариантом метода двухэтапного диагностирования, при котором схемы с памятью (регистры и триггеры) в режиме диагностирования превращаются в один сдвигающий регистр с возможностью его установки в произвольное состояние и опроса с помощью простой операции сдвига.

Этот метод получил распространение в ЭВМ на больших интегральных микросхемах (БИС) и в настоящее время уже достаточно устарел. Вместе с очевидными достоинствами БИС, их использование затрудняет проблему диагностирования ЭВМ в связи с ограниченными возможностями доступа к схемам, расположенным внутри БИС. При диагностировании ЭВМ, построенной на БИС, возникает проблема проверки БИС, содержащих комбинационные схемы и схемы с памятью, при небольшом числе дополнительных входов и выходов. Такое диагностирование также выполняется в два этапа.

4. Метод микродиагностирования

Метод микродиагностирования характеризуется тем, что объектом элементарной проверки здесь являются компоненты СВТ, участвующие в выполнении микроопераций (процессор).

Микродиагностика — это совокупность процедур, диагностических микропрограмм и специальных схем, обеспечивающих транспортировку тестового набора на вход проверяемого блока, выполнение проверяемой микрооперации, транспортировку результатов проверки к схемам анализа, сравнение с эталоном и ветвление по результатам сравнения.

Различают два типа микродиагностики:

• встроенная;
• загружаемая.

В случае встроенной микродиагностики диагностические микропрограммы размещаются в постоянной микропрограммной памяти ПК (например, в BIOS), а при загружаемой микродиагностике — на внешнем носителе данных.

При хранении в постоянной микропрограммной памяти микродиагностика представляет собой обычную микропрограмму, использующую стандартный набор микроопераций. Однако вследствие ограниченного объема постоянной микропрограммной памяти на объем микродиагностики накладываются довольно жесткие ограничения, в результате чего приходится использовать различные способы сжатия информации. Для этой цели иногда используют специальные микрокоманды генерации тестовых наборов, что позволяет

Встроенная микродиагностика обычно применяется в персональных компьютерах.

Для серверов при большом объеме микродиагностики применяется загружаемая микродиагностика. Существует несколько вариантов загрузки и выполнения загружаемой микродиагностики (рис. 1.32):

1. внешний носитель данных — регистр микрокоманд;
2. внешний носитель данных — оперативная память — регистр микрокоманд;
3. внешний носитель данных — загружаемая управляющая память микрокоманд — регистр микрокоманд.

Второй

вариант

загрузки

Третий

вариант

загрузки

В качестве устройства ввода при микродиагностике чаще всего используются CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW, USB- устройства и пр.

Первый вариант загрузки скорее имитирует «быстрый» тактовый режим, чем выполнение микрокоманд с реальным быстродействием, так как накопление и выполнение микрокоманд определяются скоростью ввода данных с внешнего носителя. Микрокоманды при этом выполняются по мере их поступления из внешнего носителя данных.

Второй вариант загрузки предусматривает возможность хранения и выполнения микрокоманд из основной памяти ЭВМ, т. е. подразумевает совместимость форматов оперативной и управляющей памяти. В этом варианте должен быть предусмотрен специальный вход в регистр микрокоманд из оперативной памяти.

Третий вариант обеспечивает загрузку в управляющую память микродиагностики определенного объема и ее выполнение с реальным быстродействием. По окончании ее выполнения загружается следующая порция микродиагностики.

Существуют и другие варианты загрузки и выполнения, несущественно отличающиеся от перечисленных выше. Возможно также использование различных вариантов загрузки и выполнения на разных этапах диагностирования ЭВМ.

Для серверов с хранением микродиагностики на внешних носителях данных для опроса состояния и его сравнения с эталоном обычно используется дополнительная аппаратура. В последнее время эти функции все больше передаются так называемым сервисным процессорам, предоставляющим универсальные возможности по управлению пультовыми накопителями, опросу состояния ЭВМ, сравнению результатов с эталонными и индикации списка возможных неисправностей. При микродиагностировании с использованием дополнительной аппаратуры средства тестового диагностирования выполняют специальные диагностические операции, такие как запуск микрокоманд, опрос состояния, сравнение с эталоном и сообщение о неисправности.

Процедура выполнения микродиагностики обычно такова:

• средства тестового диагностирования загружают в ЭВМ микрокоманды и дают приказ на их выполнение;
• ЭВМ отрабатывает микрокоманды, после чего средства тестового диагностирования производят опрос состояния, сравнение с эталоном и выдают сообщение о неисправности.

Обычно при микродиагностике тестовые наборы являются частью микрокоманды (поле констант). Глубина поиска дефекта при микродиагностике зависит от количества схем, для которых предусмотрена возможность непосредственного опроса состояния. В связи с этим в современных ЭВМ имеется возможность непосредственного опроса состояния практически всех триггеров и регистров ЭВМ.

5. Метод эталонных состояний

Метод эталонных состояний характеризуется тем, что объектом элементарных проверок здесь являются компоненты СВТ, используемые на одном или нескольких тактах выполнения рабочего алгоритма функционирования, реализуемого в режиме диагностирования (рис. 1.33).

Рис. 1.33. Обобщенная схема системы диагностики,
реализующей метод эталонных состояний

В качестве результата элементарной проверки используется состояние аппаратных средств диагностируемого устройства. Процесс диагностирования по методу эталонных состояний заключается в потактовом выполнении рабочих алгоритмов, опросе состояния на каждом такте, сравнении этого состояния с эталонным и ветвлении в зависимости от исхода сравнения к выполнению следующего такта или к сообщению о неисправности. Другими словами, суть описываемого метода состоит в том, что имеется несколько алгоритмов тестирования, в процессе выполнения которых на вход тестируемого устройства последовательно подаются различные наборы тестовых сигналов, затем производится считывание состояния тестируемого устройства, и оно сравнивается с эталонным значением для указанного набора тестовых сигналов. В случае их различия выводится сообщение об ошибке. Блок-схема этого метода приведена на рис. 1.34.

Рис. 1.34. Блок-схема работы метода эталонных состояний

При реализации метода эталонных состояний средства тестового диагностирования представляют собой совокупность аппаратных и программных средств.

Обычно этот метод используется в случаях, когда средства тестового диагностирования имеют достаточно большие возможности. Например, этот метод может использоваться при диагностировании каналов с помощью процессора. Наибольшее применение данный метод находит в устройствах со схемной интерпретацией алгоритмов функционирования.

6. Метод диагностирования с помощью схем встроенного контроля

Этот метод характеризуется тем, что объектом элементарной проверки здесь является сменный блок, а средствами функционального диагностирования являются схемы встроенного контроля (СВК), конструктивно совмещенные с каждым сменным блоком.

Диагностируемое устройство называется полностью проверяемым, если любая его неисправность заданного класса обнаруживается СВК в момент ее первого проявления на выходных устройствах. Заметим, что требование полной проверки и самопроверки СВК приводит к значительным аппаратурным затратам, что ограничивает применяемость данного метода. Достоинством же метода диагностирования с помощью схем встроенного контроля является практически мгновенное диагностирование сбоев и отказов, сокращение затрат на локализацию перемежающихся отказов и на разработку диагностических тестов.

7. Метод диагностирования с помощью самопроверяемого дублирования

Этот метод аналогичен предыдущему, так как он тоже основан на принципе самопроверки сменных блоков. Разница же состоит в том, что самопроверяемость сменных блоков достигается введением в них дублирующей аппаратуры и самопроверяемых схем сжатия, обеспечивающих получение сводного сигнала ошибки, свидетельствующего

8. Метод диагностирования по результатам регистрации состояния

Этот метод диагностирования характеризуется тем, что неисправность или сбой локализуется по состоянию ЭВМ, зарегистрированному в момент проявления ошибки и содержащему информацию о состоянии схем контроля, регистров ЭВМ, адресов микрокоманд, предшествующих моменту появления ошибки, и др. Место возникновения ошибки определяется по зарегистрированному состоянию путем прослеживания пути ошибки от места ее проявления до места ее возникновения. При этом диагностика выполняется с помощью программных средств диагностирования самой ЭВМ, если диагностируется место возникновения сбоя, либо другим ПК, если диагностируется отказ. В СВТ, имеющих сервисные процессоры, такая диагностика выполняется с помощью микропрограмм сервисного процессора.

Вопрос для размышления

Подумайте, для каких компонентов ПК могут быть реализованы перечисленные методы диагностирования.