Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Исследование проблемы увеличения надежности и пропускной способности микропроцессорных систем передачи дискретной информации (СІЩИ) по каналам связи 7
1.1. Цифровая система передачи дискретной информации. Основные критерии и показатели качества 8
1.2. Анализ проблемы одновременного повышения надежности и пропускной способности 12
1.3. Оценка нижней границы минимальной аппаратурной избыточности при построении отказоустойчивой аппаратуры передачи данных (АИД) 21
1.4. Постановка задачи исследования . 32
Выводы по главе I 32
Глава 2. Исследование методов использования избыточности и особенностей применения микропроцессоров при пост роении 34
2.1. Исследование методов использования избыточности. . 34
2.2. Исследование особенностей применения микропроцессоров при построении АІЩ 49
Выводы по главе 2 51
Глава 3. Синтез отказоустойчивых микропроцессорных устройств
3.1. Синтез отказоустойчивых микропроцессорных устройств с применением кодов, исправляющих ошибки, и временной избыточности 66
3.2. Синтез отказоустойчивых микропроцессорных устройств с применением кодов, обнаруживающих ошибки, и временной избыточности 77
3.3. Синтез отказоустойчивых микропроцессорных устройств с использованием аппаратурной и временной избыточности 3.4. Синтез отказоустойчивых микропроцессорных устройств с использованием временной избыточности 94
Выводы по главе 3 97
Глава 4. Синтез отказоустойчивых микропроцессорных устройств с двойным кодированием информации 99
Выводы по главе 4 117
Глава 5. Исследование методов сокращения времени восстановления АЦЦ ' 120
Выводы по главе 5 144
Глава б. Сравнительный анализ эффективности разработанных отказоустойчивых микропроцессорных устройств 147
Выводы по главе б 163
Заключение 164
Приложение I. Программное обеспечение метода коррекции ошибок с вычислением синдромов повторных ошибок, реализованное в системе команд микропроцессора
К580ИК80 167
Приложение 2. Программное обеспечение метода коррекции ошибок с двойным кодированием информации, реализованное в системе команд микропроцессора К580ИК80 174
Приложение 3. Структурная схема и алгоритм работы системы моделирования и экспериментальных исследований методов коррекции ошибок 179
Приложение 4. Копии актов внедрения результатов диссертационной работы 182
Литература 186
- Цифровая система передачи дискретной информации. Основные критерии и показатели качества
- Исследование методов использования избыточности.
- Синтез отказоустойчивых микропроцессорных устройств с применением кодов, исправляющих ошибки, и временной избыточности
- Синтез отказоустойчивых микропроцессорных устройств с двойным кодированием информации
- Исследование методов сокращения времени восстановления АЦЦ
Введение к работе
Проблема повышения надежности и пропускной способности систем передачи дискретной информации (СПДИ) заключается в том, что увеличение пропускной способности при сохранении затрат энергии сигнала и полосы частот канала приводит к ухудшению отношения сигнал/ помеха как в канале связи, так и в аппаратуре передачи данных. Стремление повысить или сохранить требуемую достоверность передачи делает необходимым использование более совершенных методов обработки информации, реализация которых приводит к усложнению системы передачи информации и снижению вследствие этого надежности ее работы.
В этом случае возникает необходимость вновь повысить надежность путем введения аппаратурной избыточности, которая существенно не повлияла бы на сложность системы в целом. Таким образом, требование увеличения пропускной способности СПДИ является противоречивым по отношению к проблеме повышения надежности.
Цель настоящей диссертации заключается в разработке эффективных методов одновременного увеличения надежности и пропускной способности систем передачи информации, в которых аппаратура передачи данных построена с применением БИС микропроцессоров, запоминающих устройств и других БИС программируемой логики, т.е. является микропроцессорной системой.
Работа содержит введение,' 6 глав, заключение и 4 приложения. В первой главе проводится анализ проблемы одновременного повышения надежности и пропускной способности СПДИ, рассматривается зависимость пропускной способности СПДИ от надежности аппаратуры. Определена нижняя граница минимальной аппаратурной избыточности при построении отказоустойчивой АПД. Произведен выбор критериев оценки избыточных цифровых устройств. На основе анализа сформулирована задача исследования.
Бо второй главе исследуются методы использования избыточности и особенности применения микропроцессоров при построении высоконадежной аппаратуры передачи данных. На основе выбранных критериев оценки избыточных цифровых устройств произведена оценка необходимой избыточности для обнаружения и исправления многократных ошибок.
Рассмотрены принципы образования и использования временной избыточности в аппаратуре и построения однородной структуры микропроцессорной системы.
В третьей главе проведен синтез отказоустойчивых микропроцессорных устройств с использованием кодовой, аппаратурной и временной избыточности. Произведена оценка относительной сложности полученных устройств.
В четвертой главе проведен синтез отказоустойчивых микропроцессорных устройств с применением двойного кодирования информации. Произведена оценка относительной сложности отказоустойчивых микропроцессорных устройств.
В пятой главе проведено исследование методов сокращения времени восстановления аппаратуры передачи данных. Разработана структура и алгоритм работы системы диагностирования. Разработан алгоритм встроенной самодиагностики микропроцессорной системы.
В шестой главе проведен сравнительный анализ эффективности разработанных отказоустойчивых микропроцессорных устройств. Выведены расчетные соотношения и разработан алгоритм определения коэффициента повышения средней наработки до отказа микропроцессорных устройств с учетом степени интеграции микросхем. В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертационной работе.
В приложении приведено программное обеспечение (ПО) методов коррекции ошибок, структурная схема и алгоритм работы системы моделирования и экспериментальных исследований этих методов, а также копии актов внедрения результатов диссертационной работы.
Основное содержание диссертации является частью НИР и ОКР, проведенных автором в Калужском НИИ телемеханических устройств и в ОКБ "Электроника" Калужского завода автомотоэлектрооборудования и изложено в соответствующих научно-технических отчетах и публикациях. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, доктору технических наук, профессору|А.А«Кошевому| и сотрудникам кафедры передачи данных и телеграфной связи Всесоюзного заочного электротехнического института связи за ценные советы и критику.
Цифровая система передачи дискретной информации. Основные критерии и показатели качества
Передающая часть СЩШ осуществляет ряд преобразований дискретного сообщения {Хї} в сигнал [S/f/f jJ . Совокупность операций, связанных с преобразованием передаваемых сообщений в сигнал, называется способом передачи, который можно описать операторным соотношением где Dnpd - оператор способа передачи; Дк - оператор кодирования; Мм - оператор модуляции.
Появление сбоев и отказов Snpd в передатчике приводит к нарушению условия \fij" \pKi\Hj и увеличению числа ошибок в СЩШ. Вследствие этого необходимо таким образом проектировать передатчик, чтобы увеличение числа ошибок за счет нарушения условия jX/f- -JL было достаточно малым. Сигналы, излучаемые в среду распространения, претерпевают в Структурная схема СПДИ ней ослабление (вследствие поглощения и рассеивания энергии) и искажения (замирания, отражения от неоднородностей среды, препятствий и т.п.). Поэтому сигналы {ok iitjj , приходящие в пункт приема, могут существенно отличаться от излучаемых передатчиком.
Влияние среды на распространяемые в ней сигналы можно также описать операторным соотношением / 87 / где Лс - оператор среды распространения.
В канале связи на передаваемый сигнал накладываются помехи, так что при передаче сигнала Sf i(t) на входе приемника действует искаженный сигнал где 3Ci - случайный процесс, соответствующий одной из помех; У - число независимых источников помех. Задача приемника состоит в том, чтобы по принятому искаженному сигналу Yl(t) определить какое сообщение передавалось. Совокупность операций приемника можно описать операторным соотношением где Лпреї - оператор способа приема; ЛШ - оператор демодуляции; Лдн - оператор декодирования; процесс возникновения отказов и сбоев в приемнике.
Полнота соответствия (XLJ переданной последовательности [XiJ зависит не только от корректирующих возможностей кодированной последовательности [Хкп , уровня сигнала и помех и их статистики, свойств декодирующих устройств, но и от способности АПД корректировать ошибки, вызванные аппаратурными сбоями и отказами передатчика и приемника Ьпрд и snpw / 15 /. Рассмотренный подход позволяет описать процесс передачи информации некоторой математической моделью, что дает возможность выявить влияние различных факторов на эффективность СІЩИ и наметить пути оптимизации СВДИ. Построение математических моделей СІЩИ и решение различных задач с помощью ЭВМ значительно ускоряет проектирование оптимальных СЦДИ / 8, 9, 20, 82, 85 /.
Эффективность СПДИ определяется совокупностью показателей пропускной способности (С), вероятности ошибки (Л) , стоимости и надежности. Для проведения анализа и сравнительной оценки СІЩИ используются различные критерии. В настоящее время в теории связи применяются критерии удельных затрат, в соответствии с которыми системы связи оцениваются величиной затрат на передачу единицы количества информации при заданном качестве ее приема.
Исследование методов использования избыточности.
Основой построения избыточных структур с аппаратурной избыточностью является применение метода большинства / 77 /, имеющего следующие характерные особенности:
1) вводится активная избыточность (все элементы включаются на все время функционирования устройства);
2) не производится непосредственное обнаружение отказавшего элемента;
3) используется особая структурная организация устройства для создания устойчивости к неисправностям отдельных элементов;
4) применяются специальные решающие мажоритарные органы для восстановления правильных воздействий.
Такие избыточные структуры с аппаратурной избыточностью получили название мажоритарных структур / 40 /.
Мажоритарный элемент (МЭ) выдает бинарный сигнал I на выходе, если возбуждены не менее Н (т+1)/2. входов, и 0, если возбуждено менее И входов. Значение Н определяет порог голосования МЭ. На практике, при синтезе высоконадежных систем передачи данных наибольшее распространение получили МЭ с тремя входами функционирование МЭ при /77=3 описывается переключательной функцией которая называется мажоритарной.
Известны избыточные структуры с однократной (рис.2.1) и многократной связью (рис.2,3)/ 25, 40, 69 /.
Зависимости в=/(Р) Рг =f(P) при Р const и тГ3 , тг=5 изображены на рис.2.2. Они имеют S-образный характер. Из этих зависимостей следует, что в избыточных структурах с однократной связью возможен выигрыш в надежности при наличии высоконадежного МЭ (Рмэ і )» если вероятность .безотказной работы неизбыточного функционального блока Р 0,5.
Недостатком такой схемы (см.2.3, 2.4) является то, что вероятность ее безотказной работы не превосходит вероятности безотказной работы МЭ и в случае отказа последнего отказывает вся избыточная структура.
Синтез отказоустойчивых микропроцессорных устройств с применением кодов, исправляющих ошибки, и временной избыточности
Полупроводниковые запоминающие устройства (ЗУ), являющиеся основной составляющей частью микропроцессорных систем передачи дискретной информации, обладают невысокой стоимостью и большой надежностью, а за счет использования дополнительных разрядов и помехоустойчивых кодов их надежность может быть повышена до уровня, недостижимого для ЗУ других типов. Это объясняется тем, что в полупроводниковых ЗУ все внешнее оборудование (схемы декодирования, усилители считывания, усилители тока, цепи синхронизации и т.д.) предельно упрощены, и если раньше все эти элементы ЗУ являлись источником подавляющего числа отказов, то в новых ЗУ основная масса отказов падает непосредственно на гораздо более надежные запоминающие блоки. Степень интеграции полупроводниковых ЗУ растет примерно два раза в год, при этом частым явлением стало возникновение отказов и сбоев в ЗУ, вызванных влиянием внешней среды, в том числе воздействием оС - частиц и радиоактивности / 38, 53, 83 /.
Синтез запоминающего устройства с кодовой избыточностью заключается в том, что алфавит состояния ЗУ расширяется таким образом, чтобы двоичные векторы состояний автомата образовывали групповой (72 , К ) код с заданной обнаруживающей или исправляющей способностью / 118 /.
Работа запоминающего устройства с точки зрения теории информации можно трактовать как передачу по каналу связи информации, распространяющейся, не в пространстве, а во времени / 120, 122 /.
Существующие методы использования корректирующих кодов для увеличения надежности ЗУ в принципе не отличаются от общих методов обнаружения и исправления случайных ошибок, возникающих в каналах передачи дискретной информации, но не учитывают особенностей ошибок в памяти, большинство которых в течение некоторого интервала времени связано с ошибками в течение последующего интервала времени и имеют фиксированные местоположения. Местоположение, или позиция, ошибки может быть достаточно просто определено как при записи (кодировании), так и при считывании (декодировании) и использовано для исправления последующих ошибок этой же позиции.
При рфО необходимо применение кодов, исправляющих ошибки, Зтметим также, что память (канал), задаваемая соотношением (3.6) гри р=0 переходит в канал, рассмотренный в / 60 /, а при густых множествах So и -S/ эквивалентен двоичному симметричному каналу (ДСК) без памяти / 114 /
Синтез отказоустойчивых микропроцессорных устройств с двойным кодированием информации
Метод коррекции случайных ошибок и дефектов, основанный на вычислении синдрома повторных ошибок в виде: S/(x)=S{(X) + $j,i(x) и рассмотренный в главе 3, характеризуется тем, что при реализации этого метода с использованием временной избыточности время считывания tcQum бУДет значительно больше времени записи І - зап. Увеличение пропорционально кратности исправляемых дефектов ёг . При наличии ограничений на в микропроцессорной системе и их отсутствии на п&зап» tcyurn) возникает возможность коррекции случайных ошибок и дефектов при кодировании (записи) информации.
Впервые такая задача была поставлена и решена при построении постоянного запоминающего устройства на ферритовых сердечниках /60, 124, 125 /. При этом задача кодирования заключалась в устранении влияния дефектных ячеек постоянной памяти на хранящуюся информацию, а память рассматривалась, как канал связи, на вход которого подаются слова Х=/х/;Х2,.. /7] длины п с символами X/. из алфавита [otl] .
Слово на выходе канала у= (у1;у2),, .,Уп) » где y-L принимают такие значения из алфавита (О,/J . Пусть 5-//,2,...,/7] множество целых чисел от I до 77 , a So с dZQ и Si с ёг1 элементами {&0+&гГ г л ) его непересекающиеся подмножества. Слова на входе и выходе канала связаны соотношением.
Множества S0 и Sy задают дефект слова d- (S0/Sf) кратности. Обозначим через U сообщение, подлежащее передаче; U принимает значения из множества [1,2,.., , М] . Кодом длины 77 является отображение = (1 ,0() множества пар (U,d) где И =1, 2, ..., М, a d принимает значения всех возможных дефектов слова, в множество Е всех двоичных последовательностей длины /7 . Декодирование для кодов задается однозначной функцией У {у) , принимающей значения Ц =1, 2, ..., Ми определенной на Е . Математическая модель такого канала приведена на структурной схеме рис.4.1.
Исследование методов сокращения времени восстановления АЦЦ
Главы 3 и 4 данной работы были посвящены задаче построения отказоустойчивых самокорректирующихся микропроцессорных устройств. Однако самокоррекция устройств АЦП при возникновении в них дефектов и случайных сбоев сама по себе не может до конца решить проблему надежности АПД.
В процессе эксплуатации такой АЦЦ дефекты в ней накапливаются и наступает момент, когда возможности, обусловленные самокоррекцией, оказываются недостаточными для исправления всех появившихся дефектов. В этом случае возникает необходимость поиска, устранения накопившихся дефектов (неисправностей) и восстановление заданных показателей отказоустойчивости.
На рис.5,1 показаны этапы эксплуатации отказоустойчивой самокорректирующейся АІЩ во времени как последовательность чередующихся интервалов ее работы ( Тр ) и восстановления ( Та ). Значком "ж" обозначены моменты времени, когда производилась самокоррекция устройств АЦЦ при возникновении в них дефектов и сбоев.
В главе I было показано, что система передачи дискретной информации будет обладать максимальной пропускной способностью в случае, если отношение = — -0 . В этом случае / ,= должно стремиться к нулю.
Представим на рис.5.2 распределение времени с момента возникновения отказа (при накоплении отказов самокорректирующейся АЦЦ) до его восстановления. Время восстановления в этом случае время обнаружения неисправности; tnode - время подготовки к ремонту; tm - время поиска неисправности; з - время замены неисправного элемента; t - время контроля; tyH=ts+tK - время устранения неисправности.
Для ТА и АПД времена То5н И Тинд являются обычно малыми величинами, поэтому время восстановления определяется в основном процессами поиска неисправности (диагностики) и контроля работоспособности в аппаратуре.
Основным методом контроля и диагностики ТА и АПД является метод функционального тестирования / 17, 28, 116 /. Принцип работы тестового контроля заключается в том, что на вход контролируемого устройства подают специально подобранную совокупность входных воздействий (тест) и оценивают реакцию на выходе. Сравнивая полученную реакцию с эталонной, судят о правильности функционирования устройства или его элементов. Обобщенный объект контроля удобно представить в виде модели, состоящей из Л/ функционально связанных блоков, каждый из которых может находиться в одном из двух состояний: исправном или неисправном. Диагностика такого объекта заключается в определении одного из - состоянии, в котором находится данный объект.
