Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблем контроля технического состояния и диагностирования средств электронно-вычислительной техники 11
1.1. Характеристика источников нарушений вычислительного процесса в средствах электронно-вычислительной техники 11
1.2. Анализ моделей диагностирования средств электронно-вычислительной техники 15
1.3. Анализ методов диагностирования средств электронно-вычислительной техники 21
1.4. Выводы 30
2. Модели контроля технического состояния и диагностирования средств электронно-вычислительной техники 31
2.1. Агрегированные модели контроля технического состояния и диагностирования средств электронно-вычислительной техники 31
2.2 Структурно-функциональная модель пространства состояний средств электронно-вычислительной техники 43
2.3 Характеристика технико-технологической структуры оборудования средств электронно-вычислительной техники с позиции теории множеств 56
2.4. Математические модели пространства состояний средств электронно-вычислительной техники 65
2.5. Выводы 81
3. Методика контроля технического состояния и диагностирования средств электронно-вычислительной техники 82
3.1. Определение последовательности выполнения операций диагностирования средств электронно-вычислительной техники 82
3.2. Контроль технического состояния и диагностирования средств электронно-вычислительной техники как задача распознавания образов. Обучение распознаванию технических состояний и отказов 101
3.3. Выбор контролируемых признаков. Основные этапы методики контроля технического состояния и диагностирования средств электронно-вычислительной техники 120
3.4. Выводы 133
4. Специализированные устройства и способ диагностирования аппаратных средств электронно- вычислительной техники 134
4.1. Способ и устройство контроля качества соединений цифровых КМОП-устройств 134
4.2. Управляемый делитель частоты импульсов 139
4.3. Оценка эффективности разработанных методики, специализированных устройств и способа диагностирования средств электронно-вычислительной техники 147
4.4. Выводы 150
Заключение 151
Список использованных источников 153
Приложения 1ы
- Анализ моделей диагностирования средств электронно-вычислительной техники
- Структурно-функциональная модель пространства состояний средств электронно-вычислительной техники
- Контроль технического состояния и диагностирования средств электронно-вычислительной техники как задача распознавания образов. Обучение распознаванию технических состояний и отказов
- Управляемый делитель частоты импульсов
Анализ моделей диагностирования средств электронно-вычислительной техники
Другой немаловажной проблемой, затрудняющей процесс поиска аномалий и неисправностей в СЭВТ, является создание модели объекта, пригодной для решения задач диагностирования. Для того чтобы локализовать неисправный элемент или причину аномалий, нужно обеспечить связь между процедурой диагностирования и моделью объекта. Эта связь должна обеспечить прямую наблюдаемость точек диагностирования, а также упорядочение всех источников аномалий, дефектов и неисправностей таким образом, чтобы было видно их влияние на каждую точку диагностирования и на параметр, снимаемый с этой точки. Для этого нужно иметь не только сведения о параметрах и их закономерных изменениях, но и о допустимых отношениях между элементами сети, создающими эти параметры. Для достижения этих целей осуществляется построение модели. В работах по диагностике [6 - 15] наиболее часто встречаются следующие разновидности описаний объектов диагностирования: 1) В виде аналитических зависимостей. В аналитических моделях применяется метод мгновенных значений, при использовании которого каждая схемная структура объекта описывается системой интегро-дифференциальных уравнений.
Попытки учесть свойства многорежимности и многофункциональности сложных технических объектов [16, 17] с помощью аналитических зависимостей приводят к усложнению модели в десятки и сотни раз. Кроме того, данная форма представления не наглядна и не применима для локализации аномалий и неисправностей в СЭВТ. Поэтому использование данной модели в целях диагностики элементов СЭВТ затруднено. Общим недостатком аналитических моделей объектов диагностирования является слабая связь со структурой объекта. Из-за этого они слабо приспособлены для декомпозиции. 2) В виде функциональных, структурных, принципиальных схем или схем замещения. Первые три формы представления с той или иной степенью подробности описывают структуру объекта диагностирования при его целевом применении, но никак не учитывают возможные одиночные и множественные неисправности в системе. Полноценными моделями они могут стать лишь после проведения дополнительных преобразований [18, 19], после которых они более полно соответствуют понятию "пространства". Иногда для построения диагностических моделей пытаются использовать схемы замещения определенных элементов СЭВТ для обоснования способов резервирования путей [16, 20, 21, 22]. Схемы замещения строятся таким образом, что в них вносятся дополнительные элементы, учитывающие возможное воздействие разрушающих факторов. Это необходимо для уяснения логики воздействия неисправности на процесс функционирования объекта и включения механизмов реконфигураций, однако никак не может упростить процедуру поиска аномалий и отказов. Главными недостатками такой формы представления являются возможность их построения лишь для некоторых элементов СЭВТ (с достаточно большим уровнем агрегатирования), а также существенное усложнение исходной схемы, что противоречит логике поиска неисправностей в данных средствах. 3) В виде логических схем и формул. Такие модели используются, как правило, для описания дискретных схем. Для построения таких моделей применим аппарат булевой алгебры [23].
Данная форма представления обладает внешней простотой, к тому же она легко формализуется для машинного поиска возможных решений. Однако такие модели лишь логически отображают структуру объекта, не обладают наглядностью и не приспособлены для декомпозиции в целях выделения неисправного элемента при различных видах алгоритмических, программных и технических отказов. Несмотря на приспособленность переключающих логических функций к минимизации, это свойство не используется, так как они описывают неизменяемую структуру объекта диагностирования при одиночных отказах и применимы только для исследования его надежностных характеристик. 4) В виде таблиц. Табличная форма чаще всего применяется для представления логических схем управления, построенных из электронных элементов на базе интегральных микросхем, а также для реализации процедуры маршрутизации сообщений в СЭВТ. При этом способы построения таблиц возможны самые разные. В работе [9] они названы таблицами покрытий, в некоторых других [24] матрицами состояний элементов объекта. Недостатком является то, что в некоторых случаях различным неисправностям соответствуют одинаковые таблицы. Данная неоднозначность является серьезным недостатком табличной формы представления объекта диагностирования, особенно для столь сложных объектов, каковыми являются СЭВТ. Она характерна для любых видов таблиц, поэтому применение данного вида модели может носить ограниченный характер, для частных однозначных случаев. 5) В виде содержательного описания (так называемые лингвистические модели). Содержательное описание в совокупности с имеющимися схемами технического устройства наиболее подробно описывает объект диагностирования. Такие модели удобно использовать для изучения принципов функционирования технологических систем и воздействия неисправностей на процесс их функционирования. Однако такие модели не поддаются формализации, не обладают наглядностью и не приспособлены для декомпозиции, поэтому их использование для целей диагностики неудобно. Кроме того, они обладают явным "субъективизмом", так как отражают мнение конкретного специалиста, составляющего такое описание и не позволяют учесть возможную "маскируемость" отказов СЭВТ.
Структурно-функциональная модель пространства состояний средств электронно-вычислительной техники
Научной основой операциональной модели являются: структурно-функциональный подход (СФП) к исследованию сложных систем, теория множеств, теория вероятности, методы математического программирования, численные методы оптимизации [58]. Построение операциональной модели включает следующие этапы [16]: структурно-функциональное описание средств электронно-вычислительной техники; переход от структурно-функционального описания к представлению множественной картины структуры объекта с позиции теоретико-множественного аппарата; осуществление количественной оценки мощности классов порежимных множеств.
Сущность СФП [59,60] заключается в воспроизведении модели структуры СЭВТ, элементами которой выступают функции. При этом под функциями будем понимать функциональные преобразования, в результате которых происходит процесс перехода сигнала или элемента из одного состояния в другое в соответствии с алгоритмами работы системы. Следует отметить, что каждое из этих преобразований реализуется конечным набором элементов - первичных элементов, классификация которых приведена на рис. 2.1 [16]. При этом, в ходе проектирования СЭВТ, осуществляют комплексирование элементарных функциональных преобразований, добиваясь минимальной избыточности и наименьшего количества соединений узлов, блоков, стоек, обеспечивающих реализацию функций, возложенных на СЭВТ (рис. 2.2).
Для построения механизма СФП необходимо выявить отношения СЭВТ со средой («Техноценоз») и родами деятельности, обеспечивающими существование таких отношений. Таким способом можно осуществить дивергенцию применения СЭВТ по назначению на ряд несводимых друг к другу родов деятельности (рис. 2.3) [16]: z - преобразование поступающих информационных потоков к виду, удобному для передачи с использованием данной среды
Разбиение СЭВТ по родам деятельности. распространения и обратно (z - целенаправленна, так как к качеству передачи информации предъявляются определенные требования по своевременности, достоверности и безопасности) — основной процесс; а - жизнеобеспечение основного процесса (поддержание и восстановление свойств используемых СЭВТ в допустимых пределах, которые обеспечиваются: созданием резервного оборудования с помощью различных способов резервирования - структурного, временного, информационного, функционального, нагрузочного; контролем состояния среды распространения и потоков поступающих заявок на сервис; контролем технического состояния элементов СЭВТ и рациональным их использованием при применении по назначению; своевременным проведением мероприятий материально-технического обеспечения и др.); b - организация (адаптация основного процесса к внешним воздействиям, т.е. к изменению характеристик среды распространения сигналов, потоков поступающих заявок на обслуживание, требований, предъявляемых к СЭВТ на различных стадиях и этапах жизненного цикла); с - управление (осуществление реконструкций и реконфигураций структуры СЭВТ); d - энергообеспечение (своевременное и достаточное обеспечение питающими напряжениями и токами элементов СЭВТ заданного качества: по частоте, амплитуде, пульсациям, стабильности и т.д.). Процессы организации функционирования СЭВТ устанавливают его полиструктуру, создают новые или изменяют имеющиеся варианты структуры и их отношения, в том числе с целью обеспечения их восстановления. Процессы жизнеобеспечения стабилизируют параметры полиструктуры, обеспечивая поддержание свойств ее элементов в заданных пределах или воспроизводя утраченные функциональные преобразования в условиях изменяющихся внешних воздействий на аппаратуру и обслуживающий персонал.
Управление обеспечивает целенаправленное протекание процессов обмена данными, переводя имеющиеся отношения между функциональными преобразованиями, в связи с рациональным распределением совокупного ресурса, в зависимости от динамики изменения среды распространения и потоков заявок на обслуживание. Энергообеспечение заключается в распределении энергии для обеспечения функционирования основных элементов полиструктуры (в ряде случаев возможно централизованное ее распределение до элементов полиструктур, осуществляющих элементарные функциональные преобразования). При этом процессы рода z занимают особое место, выступая как основные, осуществление которых обеспечивается остальными родами деятельности. На рис. 2.3 [16]: X(t) - совокупность входных сигналов (либо информационных потоков); X (t) - совокупность выходных сигналов (информационных потоков); Y(t) - совокупность сигналов, соответствующих X(t) и преобразованных к виду, удобному для передачи с использованием данной среды распространения; Y (t) - совокупность сигналов, несущих информацию, поступающих на вход СЭВТ из среды распространения.
Как показано в [58], дальнейшая декомпозиция родов деятельности «Ь» и «а» основывается на разнородности элементов структуры СЭВТ как системы (операторов и технических устройств) и на использовании признака направленности деятельности. Данное разбиение связано с анализом материальных элементов системы в различных аспектах полиструктуры, в связи с тем, что содержание одноименных родов деятельности, направленных на субъект и аппаратуру, различно. При этом под полиструктурой понимается совокупность ви дов структуры. Различают три вида структуры системы: технико-технологическую (ТТС), образованную различными функциональными преобразованиями, находящихся в отношениях, которые актуализируются с помощью информационных (в том числе с помощью программного обеспечения), электрических, механических и других связей; организационную (ОС), состоящую из должностных лиц, наделенных обязанностями, правами и ответственностью и находящихся в организационных отношениях друг с другом (подчинения, соподчинения, взаимодействия); эргономическую (ЭС), в состав которой входят люди, как производительная сила и аппаратно-програмные средства, охваченные отношениями «субъект-орудие труда».
В свою очередь, процессы жизнеобеспечения (а) можно расчленить на предупредительные, компенсирующие и защитные (аь а2 и а3). Используя комбинации выделенных, несводимых родов деятельности в процессе функционирования СЭВТ можно получить более глубокую декомпозицию (например, организация управления, жизнеобеспечения, энергообеспечения и т. п.) [58]. Используя методы дедукции и свойство открытости СЭВТ, любой из родов деятельности можно разделить на пять частей (рис. 2.4) [16]: некоторое функциональное преобразование (f); обеспечение данного функционального преобразования: предметом деятельности (е), инструментом (g) и вспомогательными материалами (h); вывод продукта преобразования (і).
Контроль технического состояния и диагностирования средств электронно-вычислительной техники как задача распознавания образов. Обучение распознаванию технических состояний и отказов
Несмотря на разнообразие методов диагностирования СЭВТ, рассмотренных в р. 1.3, можно отметить, что определение технических состояний и отыскание отказов трактуют как решение задачи распознавания образов, в процессе которого выполняют распознавание технических состояний или отказов по имеющимся признакам. Это объясняется тем, что по своей постановке и принципу решения задача распознавания возможных технических состояний и отказов совпадает с задачей контроля технического состояния и диагностирования СЭВТ.
Таким образом, по своей постановке и принципу решения сформулированная задача совпадает с задачей контроля технического состояния и диагностирования объекта. Это позволяет использовать аппарат теории распознавания образов при разработке моделей и алгоритмов контроля технических состояний и определения мест отказов в СЭВТ [85 - 88]. При этом объектом распознавания или распознаваемым образом является состояние контролируемого СЭВТ. В качестве алфавита классов выступает фактормножество: Y/Q=OX. в котором каждый смежный класс Yj соответствует одному из технических состояний контролируемого СЭВТ. Следовательно, если требуется распознать неработоспособные состояния, то задача сводится к распознаванию отказов, т.е. к определению функциональных элементов, по вине которых произошёл отказ СЭВТ. Уточним математическую формулировку задачи распознавания технических состояний и отказов СЭВТ. Будем рассматривать конкретное состояние СЭВТ как точку ук в n-мерном вещественном пространстве признаков Y. Положение точки в пространстве определяется её координатами Укь--- Укп- Ими являются значения контролируемых параметров, которые приняты нами за признаки распознаваемых состояний. Точка ук изменяет своё положение в том случае, если хотя бы одна из её координат ykj j = (l,n) изменяется.
Необходимость в обучении при распознавании технических состояний СЭВТ возникает тогда, когда объем априорной информации недостаточен для того, чтобы в многомерном пространстве признаков путем непосредственной обработки исходных данных построить поверхности, которые в определенном смысле наилучшим образом разделяли бы это пространство на области, соответствующие классам. Обучение заключается в экстраполяции данных, полученных из ограниченного числа реализаций рассматриваемого множества Yt, на все это множество.
Требуется на основе "показа" конечного числа обучающих примеров из выборки (3-17) построить в «-мерном пространстве гиперповерхности, наилучшим (в определенном смысле) образом разделяющие это пространство на области Eh соответствующие классам Щ = \,ш). Для решения данного вопроса воспользуемся алгоритмом обучения [37], в соответствии с которым для каждого класса строится некоторая разделяющая функция по "показам" обучающих векторов у=(уі,У2,---,Уп) с указанием, к какому классу они принадлежат.
Практически при использовании алгоритма (3-21) требуется определить такое число k = N;, которое обеспечивает приемлемую точность установления коэффициентов ЄЦ. Найденные коэффициенты еу в дальнейшем используются при реализации процесса распознавания технических состояний СЭВТ согласно правилу (3-16).
Различные отказы элементов СЭВТ проявляются по-разному, что позволяет отличить один отказ от другого при их распознавании. В этом случае между сменными функциональными элементами и классами распознаваемых отказов взаимно однозначное соответствие: в каждый і-й класс включаются отказы только і-го элемента і = (l,m). Ясно, что разные дефекты внутри одного и того же элемента могут отличаться друг от друга по ряду признаков. В то же время существуют некоторые общие свойства этих дефектов, которые отличают их от дефектов других элементов.
Смысл обучения и заключается в установлении общих признаков дефектов, принадлежащих одному и тому же классу при использовании ограниченного числа их реализаций или так называемых обучающих примеров. В результате обучения формируются некоторые числовые характеристики, отражающие свойства всех отказов, включенных в данный класс. По этим характеристикам можно различать классы между собой.
Для осуществления обучения может быть использовано физическое или математическое (имитационное) моделирование различных отказов. Для этого в каждый элемент заведомо исправного СЭВТ (или его модели) вводятся отдельные дефекты (неисправности) и фиксируются при этом значения всех контролируемых выходных сигналов у; при подаче на вход СЭВТ сигналов, имитирующих внешние возмущения. Предположим, в і-й элемент введено N; дефектов и зафиксированы при этом значения всех п контролируемых выходных сигналов.
Управляемый делитель частоты импульсов
Для контроля технического состояния и диагностирования функциональных узлов СЭВТ часто используют метод сравнения выходных сигналов образцового и контролируемого устройств. При реализации данного метода в образцовом устройстве формируют импульсы, частоту, длительность или скважность которых устанавливают равными аналогичным параметрам контролируемого изделия. В большинстве случаев проверку работоспособности выполняют по одному наиболее важному параметру - частоте, так как сравнение частоты двух импульсных последовательностей сравнительно просто обеспечивается цифровым компаратором на основе триггера или реверсивного счетчика [103, 104].
Для упрощения диагностической аппаратуры сравнение сигналов на разных выходах контролируемого устройства выполняют методом обегающего контроля, т. е. поочередно сравнивают частоту образцового устройства с частотой импульсов на разных выходах исследуемого цифрового блока. При этом соответствующие выходы контролируемого объекта подключаются к входу цифрового компаратора с помощью мультиплексора или коммутатора, а для дискретного изменения частоты импульсов в образцовом устройстве применяют управляемый делитель частоты. В процессе обегающего контроля переключение коэффициента деления образцовой частоты выполняют синхронно с коммутацией выходов диагностируемого объекта, а его техническое состояние определяют по состоянию цифрового компаратора.
Порядок подключения данного устройства показан на рисунке 4.4. Как правило, достоверное выделение неисправности или неработоспособности контролируемого объекта обеспечивается в том случае, если разность измеряемой fBx и образцовой f0 частот, измеренная за время Тизм превышает погрешность дискретности счета, т. е. fBx - fo I Тц;ш 1 [103]. При диагностировании цифровых устройств, применяемых в современных СЭВТ, а также для контроля различных формирователей импульсов с псевдопереключаемой частотой, делителей частоты, пересчетных схем и т. п. требуется использовать управляемые делители, скважность выходных импульсов которых не зависит от частоты. Необходимость разработки управляемого делителя частоты импульсов связана с тем, что в известных устройствах при большом коэффициенте деления частоты возрастает скважность импульсов, что приводит к уменьшению мощности и значительному отличию образцового и контролируемого сигналов. Для формирования прямоугольных импульсов заданной частоты со скважностью, равной двум, независимо от коэффициента деления частоты, разработана универсальная схема управляемого делителя частоты [105].
Входная шина 8 подключена к счётному входу вычитающего счётчика 1 и первому входу элемента " Исключающее ИЛИ " 2, выход которого соединён с тактовым входом запуска триггера 6 и первым входом мажоритарного элемента 3. Второй вход элемента 3 подключен к инверсному выходу заёма счётчика 1, а третий вход и выход мажоритарного элемента 3 объединены и соединены с первым входом элемента совпадения 5, инверсный выход которого подлючен к входу предварительной установки вычитающего счётчика 1 и входу запуска триггера 7. Выход триггера 7 соединён с выходом всего устройства и подключен к D-входу триггера 6, выход которого соединён с вторым входом первого элемента совпадения 4. Первый вход элемента совпадения 4 соединён с первым ( младшим ) разрядом шины 9 кода установки коэффициента деления, остальные разряды которой, начиная со второго, подключены к информационным входам вычитающего счётчика 1. Кроме того, второй вход элемента совпадения 5 подключен к шине управления 10 и соединён с инверсным R-входом сброса триггера 7.
В исходном положении на шину 8 поступают входные импульсы высокой частоты fBX , а на шине 9 в двоичном коде установлен заданный коэффициент деления частоты Кд . На шину 10 поступает запрещающий сигнал нулевого уровня, поэтому элемент совпадения 5 установлен в единичное состояние и при его выходном сигнале высокого уровня счётчик 1 находится в состоянии предварительной установки, т. е. в режиме записи данных, поступающих на его информационные входы от шины 9 кода коэффициента деления. Триггер 7 находится в нулевом состоянии, так как на его R-вход подан сигнал "0" по шине 10. Работа схемы разрешается подачей сигнала единичного уровня по шине управления 10. При этом дальнейший режим работы устройства зависит от чётного или нечётного значения коэффициента деления частоты на шине 9.
Если коэффициент деления чётный, то в первом ( младшем ) разряде шины 9 двоичного кода коэффициента деления будет сигнал нулевого уровня. При этом элемент совпадения 4 находится в единичном состоянии, и на его выходе формируется сигнал логической "1", который поступает на вход элемента 2 " Исключающее ИЛИ ". Особенность работы элемента " Исключающее ИЛИ " состоит в том, что при одном входном сигнале нулевого уровня этот элемент выполняет функцию повторителя, т. е. просто передаёт на выход второй входной сигнал, а при первом сигнале единичного уровня элемент " Исключающее ИЛИ " выполняет функцию логического инвертора - передаёт на выход второй входной сигнал с иверсией уровня ( при входном уровне логической "1" на выходе формируется сигнал логического "0" и наоборот ). Поэтому при чётном коэффициенте деления на выходе элемента 2 " Исключающее ИЛИ " формируется сигнал, инверсный по отношению к сигналу на шине 8, или при скважности входного сигнала Q = 2 на выходе элемента 2 формируются аналогичные импульсы, сдвинутые на фазовый угол 180 . При работе вычитающего счётчика 1 по переднему фронту входного импульса на шине 8 выполняется операция вычитания единицы из записанного значения кода деления. Например, при значении коэффициента деления Кд = 4 на шине 9 установлен двоичный код "100". Так как информационные входы D0... DN счётчика 1 подключены к второму и последующим разрядам шины кода коэффициента деления, то на его входах D0... DN будет код "10", соответствующий цифре Кд/2 = 2. Вследствие этого при появлении первого импульса на счётном входе вычитающего счётчика его выходной код становится на единицу меньше, а при появлении второго счётного импульса на шине 8 счётчик 1 устанавливается в нулевое состояние, и на его выходе заёма появляется нулевой уровень сигнала, который поступает на второй вход мажоритарного элемента 3.
