Содержание к диссертации
Введение
1. Задачи, методы и средства диагностирования МПС Ю
1.1.. Особенности организации диагностирования МПС Ю
1.2. Классификация методов и средств диагностирования сложных систем 22
1.3. Методы и средства диагностирования сложных систем 28
1.4. Постановка задачи 47
1.5. Выводы ;...49
2. Организация структур и процессов в многоуровневых системах диагностирования 50
2.1. Аппарат моделирования структур и процессов МПС и системы диагностирования 50
2.2. Модели структур и процессов МПС 53
2.3. Модели структур и процессов МРСИД 78
2.4. Методика синтеза структуры МРСЩ 88
2.5. Выводы 101
3. Методы и средства диагностирования различных уровней Ю2
3.1. Методы и средства диагностирования верхних уровней 102
3.2. Методы и средства диагностирования нижних уровней 140
3.3. Оценка характеристик средств диагностирования 154
3.4. Методика проектирования многоуровневой распределенной системы диагностирования
микропроцессорных систем 157
3.5. ВЫВОДЫ 163
4. Многоуровневая система диагностирования МГІС с бит-параллельным, байт-последовательным обменом 164
4.1. Особенности организации МПС 164
4.2. Основные особенности модуля МПС 167
4.3. Проектирование многоуровневой распределенной системы диагностирования 169
4.4. БИС интерфейса со встроенными средствами диагностирования 178
4.5. ВЫВОДЫ 181
Заключение 182
литература 185
Приложение 186
- Особенности организации диагностирования МПС
- Аппарат моделирования структур и процессов МПС и системы диагностирования
- Методы и средства диагностирования верхних уровней
- Особенности организации МПС
Особенности организации диагностирования МПС
Проблема отказоустойчивости и пути ее решения Основные показатели средств ВТ, в том числе и МПС, - производительность, готовность, стоимость эксплуатации, достоверность решения задачи, - во многом определяются способностью выполнять определенные функции в заданных условиях эксплуатации - надежностью /17/. В большинстве современных вычислительных систем она обеспечивается комбинацией принципов предотвращения неисправностей и обслуживания системы техническим персоналом /8 /. Их применение, однако, ограничено, о одной стороны, практически исчерпанными резервами повышения надежности за счет технологии производства, с другой стороны - возрастающим разрывом между скоростью ручного обслуживания средств ВТ и. их производительностью. Отказоустойчивость как свойство вычислительной системы, обеспечивающее ей возможность продолжения действий, заданных программой, при некотором числе отказов /8/, определяется организацией структур и. вычислительных процессов. Свойство обеспечивается определенной избыточностью (дублированием, резервированием), излишней в безотказной системе.
Интенсивное развитие в последние годы получило направление, предусматриващее использование структурной избыточности в целях синтеза систем с реконфигурацией в случае отказа (адаптивные, перестраиваемые структуры, системы с динамической реконфигурацией, с деградирующими характеристиками и т.п. ) /4 - II, .18 - 22/. Принципы, положенные в их основу, теоретически способны свести к минимуму влияние отказов отдельных элементов на общую работоспособность системы и обеспечить тем самым ее абсолютную надежность. Ваправление характеризуется учетом организации средств ВТ как многоуровневых систем. Каждый уровень организации отличается представленной в терминах соответствующего языка виртуальной машиной, выполняющей заданные процессы обработки исходной информации. При этом для пользователя языка любого I -го уровня (человека, а также программных и/или аппаратных средств) безразлична конкретная реализация его виртуальной машины ресурсами ( I -1)-го уровня при условии сохранения правильности ее работы. В результате отказоустойчивость машины t-ro уровня может быть достигнута при наличии на ( і-ї)-м уровне избыточных вычислительных ресурсов, а также средств, обеспечивающих возможность как определения работоспособности и однозначной идентификации ресурсов, так и перестройки процессов обработки информации в соответствии с видом и объемом выявленных ресурсов.
В процессе функционирования отказоустойчивой системы ее ресурсы и средства реконфигурации образуют логическую структуру (в смысле /25/), одну из возможных на данном множестве элементов и связей, ориентированных на осуществление заданного процесса обработки информации. Конкретный вид структуры определяется средствами управления реконфигурацией с учетом характера решаемой задачи, возможных альтернативных логических структур, а также наличия необходимых физических ресурсов. Отметим, что средства реконфигурации и средства управления часто объединяются понятием средств восстановления. Алгоритм их работы основывается на данных о неисправности, поступающих в результате выполнения алгоритма обнаружения неисправностей /8/, реализуемого средствами выявления и идентификации ресурсов.
Бак следует из анализа работ, посвященных проектированию отказоустойчивых систем /4 - IIд 18 - 22/, реализуемы и достаточно полно проработаны теоретически методы обеспечения отказоустойчивости для класса распределенных (в том числе неоднородных) вычислительных систем путем, восстановления их работоспособности за счет реконфигурации. При этом, в качестве реконфигурируемых элементов (ресурсов) должны использоваться отдельные узлы и устройства системы, содержащие не слишком большое число электронных компонентов, чтобы интенсивность их отказов была допустимой, но и не слишком малое, чтобы объем средств реконфигурации был невелик. Предъявляемые данными методами требования не противоречат известным архитектурным принципам организации МПС - модульности, высокой связности, наличию многофункциональных унифицированных элементов, простой и эффективной реконфигурируемости.
Аппарат моделирования структур и процессов МПС и системы диагностирования
Как и любой сложной системе, системе диагностирования свойственны последовательное вертикальное расположение подсистем и приоритет действий подсистемы верхнего уровня при ее зависимости от фактического исполнения подсистемами нижнего уровня своих функций. Исследованию вопросов соподчиненности уровней иерархии в различных системах посвящено много известных работ /91 - 96/. Вместе с тем их отличает анализ лишь некоторых аспектов многоуровневое ; учет, как правило, единственного определяющего иерархичность фактора. В то же время, как утверждается в /97/ и следует из анализа указанных литературных источников, на организацию сложной системы оказывает влияние сложная комбинация факторов, к которым относятся, прежде всего, использование при ее проектировании принципа иерархичности, многоуровневость управления, определяемость окончательного результата работы системы совокупностью промежуточных.
В соответствии с изложенной в /97/ теорией, будем выделять в МПС три относительно независимых вида иерархии: описания, организации управляющих подсистем и сложности принимаемых решений. В целях идентификации уровней каждого вида, будем называть их соответственно стратами, эшелонами и слоями. С учетом особенностей организации структур и процессов в МПС, будем понимать:
- под стратами МПС - уровни детализации описания поведения МПС;
- под эшелонами МПС - объективно существующие уровни организации управления в МПС, обусловленные иерархическим характером задания алгоритмов управления процессами обработки информации;
- под слоями МПС - уровни, в соответствии с которыми в процессе решения основной задачи ШС фиксируются определяющие окончательный результат промежуточные решения.
Методы и средства диагностирования верхних уровней
Свойства контроле пригодности, эффективности технических решений, оптимальности процедур, характеризующиеся управляемостью, наблюдаемостью и предсказуемостью процессов, видом и объемом аппаратурных затрат, для верхних уровней МРСИД выражаются в простоте, стандартности и формализуемости процедур диагностирования независимо от текущей конфигурации и функциональных возможностей МПС, простоте и высокой живучести средств диагности - 103 рования, автоматической идентификации ресурсов. Опираясь на приведенные положения, а также руководствуясь основными принципами, положенными в основу MIC, определим задачу разработки методов и средств диагностирования МРСВД, обладающих следующей совокупностью признаков:
1. Объектами элементарных проверок являются средства диагностирования низлежащего эшелона.
2. Подаваемое на объект инициирующее воздействие на всех этапах процедуры в минимальной степени зависит от конкретных особенностей МПС и фактического технического состояния элементов ШС.
3. Реакция объекта элементарной проверки однозначно идентифицирует наличие в МПС оговоренного ресурса.
4. Средства диагностирования характеризуются минимальным объемом и приспособленностью к взаимодействию с вышележащими средствами.
В рамках реализации концепции МРСИД предлагается обеспечить перечисленные характеристики введением в каждый реконфигу-рируемый элемент средств диагностирования, предназначенных для приведения в специальном тестовом режиме его структуры к виду, гарантирующему параллельность и независимость определения технического состояния реконфигурируемых элементов нижнего уровня, их тестируемость на идентичных последовательностях воздействий и приспособленность получаемого каждым средством контроля на заданном этапе результата к синтезу на его основе диагноза, характеризующего наличие ресурса, определяемого, в том числе, наличием данного элемента.
Особенности организации МПС
Признаками отказоустойчивой МПС - структурной избыточностью, в ряде случаев пригодной для повышения надежности системы, а также широкими возможно.стями реконфигурации обладает система с бит-параллельным, байт-последовательным асинхронным обменом, производимым согласно ГОСТ: 26.003-80 /32/. Концепция системы основана на допустимости использования в ее составе измерительных приборов и разнообразных средств ВТ, совместимых физически, логически и программно на уровне межприборного интерфейса, с неоговоренными заранее (в том числе с перекрывающимися) функциональными возможностями, и на осуществимости оперативного изменения ее конфигурации. Особо следует отметить, что она предназначена для автоматизации научных исследований, проводимых, в том числе, в весьма жестких условиях, что подчеркивает необходимость принятия специальных мер повышения отказоустойчивости /108/, проявляющихся в разработке диагностического обеспечения.
Система интерфейса, отвечающая стандарту, обеспечивает широкие функциональные возможности, универсальность и гибкость перестроения систем приборов, практически не налагая ограничений на конструкцию последних, их состав и организацию связей между ними в процессе функционирования. Таким образом вполне обосновано внимание, уделяемое вопросам практического использования приборного интерфейса в различных сферах промышленности и научных исследований/109 - III/. Особо отмечается его применимость в МПС /112/. Несомненно, что его перспективность, основанная на асинхронном принципе работы, побайтном обмене информацией, отсутствии ограничений на конструктивы и способы построения элементов системы, обеспечении возможности объединения в систему практически любых устройств при гарантированной их работоспособности особенно подчеркивается начавшимся выпуском специализированных интерфейсных БИС, предназначенных для сопряжения микропроцессоров со стандартной приборной магистралью /113/.
Стандарт определяет магистраль, по которой происходит обмен информацией, синхронизация и управление. Он устанавливает ограничения на логические переменные и электрические данные, а также другие факторы, учет которых необходим, чтобы магистраль соединяла между собой микропроцессор, устройства памяти и периферийное оборудование в единую систему, то есть включает в себя функциональную, электротехническую и механическую части. Соединительная магистраль является полностью пассивной, а все активные цепи, позволяющие вырабатывать управляющие сигналы, передавать и принимать информацию, находятся в составе процессоров ввода-вывода (интерфейсных карт). Сочетание этих активных цепей и магистрали и образует интерфейс.
Подключенные через процессоры ввода-вывода устройства могут быть контроллерами, источниками и приемниками информации.
Число адресов может быть при однобайтовой адресации - до 31, при двухбайтовой - до 961. В каждый момент времени в ШС присутствует один активный контроллер, обеспечивающий работу системы как единого целого, однако контроллер может передавать свои функции другому устройству, способному выполнять аналогичные действия. Таким образом в системе приборного интерфейса возможна организация обмена с плавающим устройством централизованного управления.
Процедура занятия магистрали осуществляется следующим образом. Дйобой прибор-источник (ПИ) может выставить сигнал в линию 30 (запрос на обслуживание), сообщающий кштроллеру, что имеются абоненты, требующие его внимания. Контроллер обслуживает запросы при свободной шине данных. Признаком ее освобождения служит появление сигнала на линии КЇЇ (конец передачи), посылаемый ПИ при передаче последнего байта сеанса обмена.
Обслуживание запросов начинается с выяснения контроллером, какому из абонентов необходимо предоставить шину. В общем случае контроллер работает по,.довольно медленной схеме, аналогичной описанному в 3.1.3. последовательному опросу. Он посылает сигнал в линию УП (управление), сопровождающийся посылаемым по шине данных адресом одного из абонентов. Если данный абонент выставлял запрос, он снимает сигнал с линии 30 и выставляет сигнал на одной из линий шины данных. Контроллер может остановиться на первом пославшем запрос абоненте, но он может также опрашивать абонентов далее до тех пор, пока не исчезнет сигнал на линии 30. Контроллер начинает последовательный опрос признаков специальным кодом начала опроса ОНО (отпирание последовательного опроса) и завершает его кодом ЗПО (запирание последовательного опроса), посылаемыми в шину данных.
