Автор: Деменко А.Г., Ханаев В.В., Зинченко Ю. Е., Зинченко Т. А.
Источник: Информационные управляющие системы и компьютерный мониторинг – 2012 (ИУСиКМ – 2012) / Сборник трудов III научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых – 16-18 апреля 2012 г., Донецк, ДонНТУ . – 2012.
Деменко А. Г., Ханаев В. В., Зинченко Ю. Е., Зинченко Т. А.Проблемы минимизации количества перестановок зонда в процессе поиска неисправностей по методологии «ведомого зонда». Рассмотрены различные типы систем диагностирования и поиска неисправностей с их помощью. Выполнен обзор основных проблем зондовой диагностики и подходов к их решению. Описан базовый алгоритм поиска неисправностей по методологии «ведомого зонда» и присущие ему недостатки.
Сегодня на территории стран СНГ, в том числе Украины, используется большое количество устаревшей вычислительной техники. Её полная замена новой техникой является дорогостоящей, поэтому возникает необходимость в ее диагностировании и ремонте. Для столь масштабного применения диагностики необходим оптимальный алгоритм поиска неисправностей, однако анализ отечественных и зарубежных литературных источников показывает практическое отсутствие таковых. Это объясняется трудоемкостью и сложностью разработки таких алгоритмов. В области систем зондовой диагностики (ЗД) остается неразрешенным ряд проблем, среди которых в первую очередь следует выделить проблемы минимизации перестановок зонда (времени диагностики), локализации неисправности с точностью до съемной компоненты и проблему минимизации внешней памяти системы ЗД. Актуальным является поиск решений этих проблем с целью получения достаточно универсального алгоритма поиска неисправностей. Особое внимание уделяется зондовому поиску неисправностей как процессу и непосредственно алгоритму «ведомого зонда». Также делается акцент на оптимизационных задачах, решаемых в зондовой диагностике по различным критериям, в основном по уменьшению числа перестановок зонда.
Специалисты в области диагностики уже долгое время ведут исследования в этом направлении. Целью данной работы будет анализ проблем зондовой диагностики и поиск подходов к их решению.
Техническое диагностирование вычислительных устройств (ВУ) решает следующие основные задачи:
Исключая вмешательство человека, автоматические системы призваны полностью автоматизировать процесс поиска неисправностей. Однако эта идеальная цель оказалась в принципе неосуществимой. Принципиальная невозможность автоматического поиска неисправности ВУ объясняется тем, что, как показали исследования, определение источника неисправности цифрового устройства с точностью до отдельной съемной компоненты является задачей неразрешимой сложности [4]. Отсюда следует низкая диагнозоспособность (разрешающая способность) автоматических систем, так как каждой возможной тестовой реакции диагностический словарь ставит в соответствие, как правило, не одну, а целый список неисправностей ВУ.
Практически неосуществимой оказалась также и сама идея использования словаря неисправностей, так как, во-первых, модель константных неисправностей, относительно которой определяется словарь, сослужив хорошую службу для вентильных схем, является неадекватной для современных сложных ВУ. Во-вторых, длина теста современного ВУ достигает миллиона векторов и более, что ставит под сомнение возможность моделирования неисправностей на таком тесте. Поэтому автоматические системы диагностики находят применение для комбинационных и простейших последовательностных ВУ.
Техническое диагностирование вычислительных устройств (ВУ) решает следующие основные задачи:
Исключая вмешательство человека, автоматические системы призваны полностью автоматизировать процесс поиска неисправностей. Однако эта идеальная цель оказалась в принципе неосуществимой. Принципиальная невозможность автоматического поиска неисправности ВУ объясняется тем, что, как показали исследования, определение источника неисправности цифрового устройства с точностью до отдельной съемной компоненты является задачей неразрешимой сложности [2]. Отсюда следует низкая диагнозоспособность (разрешающая способность) автоматических систем, так как каждой возможной тестовой реакции диагностический словарь ставит в соответствие, как правило, не одну, а целый список неисправностей ВУ.
Практически неосуществимой оказалась также и сама идея использования словаря неисправностей, так как, во-первых, модель константных неисправностей, относительно которой определяется словарь, сослужив хорошую службу для вентильных схем, является неадекватной для современных сложных ВУ. Во-вторых, длина теста современного ВУ достигает миллиона векторов и более, что ставит под сомнение возможность моделирования неисправностей на таком тесте. Поэтому автоматические системы диагностики находят применение для комбинационных и простейших последовательностных ВУ.
Несостоятельность автоматических систем привела к необходимости построения автоматизированных, то есть допускающих вмешательство в диагностический процесс человека, систем поиска неисправностей. Вмешательство человека, предусмотренное в таких системах, сводится к активному либо пассивному воздействию (зондированию) на внутренние контрольные точки ОД, поэтому системы называются зондовыми, а процесс поиска неисправности с использованием такой системы - зондовым поиском или зондовой диагностикой (ЗД).
Зондовая диагностика ВУ базируется на двух основных подходах:
Анализ тестовых реакций в системах, реализующих метод «ведомого зонда», может быть логическим или компактным. В первом случае сравнение тестовых реакций проверяемого и эталонного ВУ производится в каждом такте работы устройства, во втором случае сравниваются сжатые характеристики (сигнатуры) реакций. Сжатие осуществляется методами счета единиц (нулей), перепадов, деления на характеристический полином (сигнатурный анализ) и так далее.
Алгоритм ведомого зонда прослеживает путь, по которому проявляется неисправность в схеме [4]. Путь начинается на выходе схемы, на котором была впервые зафиксирована неисправность. Сначала по порядку проверяются входы компонента, который непосредственно подключен к выходу схемы. Если на каком-либо входе наблюдается неисправность, то делается переход к компоненту, выход которого непосредственно подключен к данному входу, и проверяются его входы. Таким образом выполняется продвижение по схеме, пока не будет найден компонент у которого на входах не проявляется неисправность. Так как линии связи могут быть тоже неисправными, то необходимо прозондировать также выход компонента, из которого поступили сигналы [4]. Если на выходе реакция правильная, то неисправной является линия связи, иначе - сам компонент.
Итак, описан классический алгоритм «ведомого зонда». Достоинством алгоритма является его простота и высокое быстродействие. Его основным недостатком является большое число перестановок зонда, которое необходимо для реализации алгоритма, так как выбор контрольных точек для очередного зондирования выполняется без оптимизации. Это ведет к слишком большим затратам времени на тестирование. Другим недостатком алгоритма является отсутствие проработки для «реальных» ВУ, характеризующихся наличием различных типов цепей - двунаправленных, высокоимпендансных, нелогических, пассивных, а также другими технологическими особенностями.
Отсюда вытекает потребность, во-первых, в адаптации классического алгоритма к реальным ВУ, и, во-вторых, в минимизации перестановок зонда.
Минимизация перестановок зонда стала уже традиционной задачей в связи с прямой зависимостью от неё времени диагностирования ВУ. Специалистами в области диагностики неоднократно предпринимались попытки ее разрешения. Детальный анализ предложенных решений этой задачи позволяет выявить следующие их недостатки:
Метод поиска неисправности (МПН), который реализует алгоритм поиска неисправности (АПН), использует граф поиска неисправностей (ГПН), что определяет последовательность зондирования ключевых точек (КТ), в зависимости от состояния схемы [4]. Граф поиска неисправности строится по описанию схемы.
Диагностируемая схема состоит из четырех компонент (рис. 1). В алгоритме «ведомого зонда» используется описание только структуры схемы, а функциональность, реализуемая каждым компонентом, значения не имеет. Компоненты схемы и их выводы пронумерованы. Входные и выходные псевдокомпоненты обозначаются заглавными буквами.
Рисунок 1 – Диагностируемая схема
ГПН отражает порядок зондирования ключевых точек (КТ) схемы. Если на псевдокомпоненте Y была зафиксирована неисправность, то сначала проверяются входы компонента 4, который непосредственно подключен к Y. Если значения на двух входах правильные (переходы по Y-дугам), то проверяется выход компоненты (вывод 4.3). Если на нем также верное значение, то делается заключение о неисправности линии связи, которая подключена к Y (переход по Y-дуге в конечную вершину). Если на входе компонента зафиксировано несовпадение с эталонной реакцией, то делается переход по N-дуге на контрольную вершину и повторяется процесс тестирования для компонента, который подключен к данной контрольной точке. Если на выходе зафиксировано несовпадение значения, то делается переход на контрольную вершину с соответствующей меткой, из которой по N-дуге выполняется переход в конечную вершину с сообщением о неисправности компонента. К ключевым точкам 1.1 и 1.2 подключены только входные псевдокомпоненты. Подразумевается, что с них неисправность прийти не может. Поэтому, если в этих КТ наблюдается неисправность, то неисправными считаются линии связи, которые соединяют КТ с входными псевдокомпонентами.
В ГПН к каждой контрольной вершине (как и к начальной) через N-дугу подключена цепочка из промежуточных вершин и одной конечной вершины, которые соединены между собой Y-дугами. Такая цепочка вершин называется Y-цепочкой. Таким образом, ГПН можно легко записать в текстовом виде. Каждой контрольной вершине отводиться одна строка, в начале которой записывается метка данной вершины, а после нее перечисляются метки всех вершин из Y-цепочки. Такое текстовое представление ГПН является однозначным, и по нему можно достаточно легко восстановить граф в памяти [1-2].
На рис. 2 приведено текстовое представление ГПН для диагностируемой схемы. В нем метка контрольной вершины от Y-цепочки отделяется двоеточием.
Рисунок 2 – Текстовое представление ГПН диагностируемой схемы
В большинстве схем имеются компоненты с несколькими выходами. Такие компоненты можно рассматривать как несколько компонентов, по числу выходов, которые имеют одинаковое множество входов и один выход.
Подобный вариант представления ОД является наиболее приемлемым для дальнейших исследований в области минимизации числа перестановок зонда, адаптации АПН под конкретные конструкции ВУ, а также оптимизации АПН и МПН в целом.
Проведенный анализ
позволяет сделать
следующие выводы:
1. В ряд основных проблем
ЗД следует
поставить
проблемы минимизации
перестановок зонда, локализации неисправности с точностью до съемной
компоненты и проблему минимизации внешней памяти;
2. На данном этапе развития
вычислительной
техники до сих пор не предложен общедоступный и универсальный алгоритм;
3. Остаются актуальными
задачи адаптации
алгоритмов ЗД к реальным ВУ. Наиболее эффективно по комплексу
параметров эти
задачи могу быть решены при помощи графа поиска неисправностей.