Общие принципы оценки качества цифровых устройств Неисправность цифровых устройств проявляется в виде искажения выходной информации или ее отсутствии (при наличии входного сигнала и напряжения питания). Источником неисправности могут быть один или несколько элементов, а также внешние воздействия и факторы, не входящие во множество элементов устройства — пыль, влага, застывшие капли припоя и т. д. Неисправные элементы называются дефектными. Каждый элемент (деталь) оказывает влияние на формирование выходных параметров. Зависимость между состояниями элементов устройства и его выходными параметрами носит неоднозначный характер: большинство элементов влияет сразу на несколько параметров, а сами параметры могут зависеть от многих элементов. Работу электронного устройства можно оценивать различными показателями: физическим состоянием элементов; качеством выдаваемой информации; формой и значением напряжений в различных точках (оцениваются по показаниям измерительных приборов). Начинать поиск неисправностей необходимо с обнаружения существенных противоречий в этих показателях. На определении этих противоречий основаны все методы поиска неисправностей. Для оценки качества аналоговых устройств используются ее электрические схемы, на которых указаны номинальные числовые значения физических величин (напряжений, токов, частот, фазовых сдвигов и т.п.) и формы сигналов в контролируемых точках. Последовательно проверяя участки схемы с помощью технических средств измерений, можно обнаружить отказавшие элементы и блоки. В цифровых устройствах электрические сигналы представляют собой наборы импульсов различных уровней напряжений; дискретный поток данных в контролируемой схеме является очень сложным и непрерывно изменяющимся в короткие промежутки времени. При этом напряжения, токи и частота следования импульсов могут находиться в пределах допусков, а само контролируемое цифровое устройство – в неработоспособном состоянии: последовательность прохождения дискретных данных не соответствует заданному алгоритму работы. В этом и состоит главная сложность и особенность контроля качества цифровых устройств. Таким образом, для оценки качества цифровых устройств требуется особая методика и организация контроля, а также разработка и производство специальной контрольно-измерительной аппаратуры. Процесс контроля цифровых устройств с целью оценки их качества называется тестированием. Вопросы тестирования цифровых устройств должны учитываться еще на этапе их проектирования. Надежность цифровых устройств Надежность устройства – свойство выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в допустимых пределах в течение требуемого промежутка времени, и возможность возобновления функционирования, утраченного по тем или иным причинам. Классификация отказов цифровых устройств: 1. По характеру изменения параметров до момента возникновения отказы делят на внезапные и постепенные. Внезапные отказы возникают в результате мгновенного изменения одного или нескольких параметров элементов, из которых построена ЭВМ. Устранение внезапного отказа производят путем замены отказавшего элемента. Постепенные отказы возникают в результате постепенного изменения параметров элемента до тех пор, пока значение одного из параметров не выйдет за некоторые пределы, определяющие нормальную работу элементов. Устранение постепенного отказа связано либо с заменой, ремонтом, регулировкой параметров отказавшего элемента, либо с компенсацией за счет изменения параметров других элементов. 2. По характеру устранения отказы делят на устойчивые и самоустраняющиеся. Для устранения устойчивых отказов необходимо отрегулировать или заменить отказавший элемент. Самоустраняющиеся отказы исчезают без вмешательства техника и проявляются в форме сбоя или перемежающегося отказа К внешним факторам возникновения сбоев относятся колебания напряжения питания, вибрации, температурные колебания. Специальными мерами (стабилизация, амортизация и термостатирование) влияние этих факторов может быть значительно ослаблено. К внутренним факторам относятся случайные колебания параметров элементов, не синхронность работы отдельных устройств, внутренние шумы и наводки. Если в устройстве возникают сразу несколько отказов, то по их взаимосвязи различают независимые отказы (возникновение их не связано с предшествующими отказами) и зависимые (появление их вызвано отказом в предыдущий момент времени). 3. По внешним проявлениям отказы делят на явные и неявные. Явные отказы обнаруживаются при внешнем осмотре, а неявные отказы - специальными методами контроля. Диагностирование Для цифровых устройств характерно тестовое диагностирование, при котором на объекте подаются специальные, так называемые тестовые воздействия. Тестовые воздействия и последовательность их выполнения называются тестом. В процессе технического диагностирования используются определенные параметры объекта, называемые диагностическими (контролируемыми) параметрами. Для каждого объекта можно указать множество параметров, характеризующих его техническое состояние. Их выбирают в зависимости от применяемого метода диагностирования. Различают прямые и косвенные диагностические параметры. Прямые диагностические параметры непосредственно характеризуют техническое состояние объекта. К этой группе параметров относятся геометрические параметры технического состояния, а также ряд параметров рабочих процессов (например, зазор, давление в гидросистеме и пр.). Косвенные диагностические параметры связаны с соответствующими параметрами технического состояния функциональной зависимостью и характеризуют изменение технического состояния объекта (системы) косвенным образом. Существенным недостатком косвенных диагностических параметров является то, что они вносят дополнительную погрешность в результаты диагностирования, обусловленную искажением сигнала в процессе формирования диагностического параметра. Косвенные диагностические параметры, как правило, носят широкий информационный характер, так как формируются под действием изменения целого ряда (а не одного) параметров технического состояния. Средства диагностирования по отношению к цифровым устройствам могут быть встроенными или внешними. Встроенное средство диагностирования (контроля технического состояния) - средство диагностирования (контроля), являющееся составной частью объекта. Внешнее средство диагностирования (контроля технического состояния) - средство диагностирования (контроля), выполненное конструктивно отдельно от объекта (вольтметры, омметры, мультиметры, осциллографы и т.д.). В зависимости от предназначения для однотипных или разнотипных объектов диагностирования различают специализированные или универсальные средства технического диагностирования. Кроме того, средства диагностирования могут быть аппаратурными или программными. Физические методы контроля состояния цифровых устройств имеют недостаточную достоверность, не смотря на их многообразие и глубину. Для достоверности определения работоспособного состояния цифровых устройств наиболее эффективно используются тестовые методы диагностики и контроля. В основе тестового контроля лежит тестовый сигнал, подаваемый на цифровое устройство (ЦУ) и вызывающий такую реакцию на входной сигнал, которая свидетельствует о том, что ЦУ находится в работоспособном состоянии. Контрольный тест формально определяется как последовательность входных наборов и соответствующих им выходных наборов, обеспечивающих контроль исправного состояния цифрового узла. Контрольные тесты составляются таким образом, что позволяют обнаружить одиночные константные неисправности в статическом режиме. Работоспособность контролируется следующим образом. На вход ЦУ подаются наборы кодов контрольного теста, снимаемые с ЦУ выходные наборы кодов сравниваются с эталонными кодами. При совпадении каждого из выходных кодов теста с эталонными, ЦУ считается работоспособным. Контрольные тесты составляются на базе анализа принципиальных схем ЦУ. В случае несовпадения сигналов контрольного и эталонного кодов дальнейшая подача тестов прекращается и на этом наборе диагностируется отказ. Диагностирование отказа начинается с того выхода ЦУ, на котором зафиксировано не совпадение контрольного и эталонного кодов. На практике, помимо диагностирования ЦУ по принципиальной схеме широко применяется диагностирование по таблицам. По этой методике для каждого набора контрольного теста составляются диагностические таблицы: полная и сокращенная. Полная диагностическая таблица рассчитана на кратные неисправности, сокращенная таблица - на одиночные неисправности. Сокращенная диагностическая таблица включает только те элементы ИМС (интегральная микросхема), которые не проверены не на одном из предыдущих контрольных тестов. Программные и аппаратные методы контроля и диагностики Предприятия и фирмы изготовители ЭВМ разрабатывают специальные инструкции для пользователей и диагностические программы, которые прилагаются к изделиям в виде технического описания, инструкции пользователя, встроенного программного обеспечения или специальных программ на магнитных или лазерных носителях информации. Для всех IBM-совместимых моделей ЭВМ существует несколько разновидностей диагностических программ. Эти программы применяют при диагностике неисправностей как компьютеров в целом, так и их отдельных компонентов. Во многих случаях такие программы могут проделать большую часть работы по определению дефектного узла. Их можно условно подразделить на три группы: POST (Power-On Self Test — процедура самопроверки при включении); специализированные диагностические программы фирм изготовителей; диагностические программы общего назначения. Сложность программ и их потенциальные возможности на каждой последующей ступени, как правило, возрастают. Программа POST. Эта программа предназначена для повышения надежности ЭВМ наряду с контролем на четность памяти. Эта программа представляет собой последовательность коротких программ «зашитых» в BIOS и предназначенных для проверки всех основных компонентов системы непосредственно после ее включения. Процедура POST выполняется перед загрузкой операционной системы и запускается всякий раз, когда включают компьютер. Автоматически выполняется некоторая последовательность операций по проверке различных компонентов компьютера. Обычно проверяются центральный процессор, ПЗУ, вспомогательные схемы системной платы, оперативная память и основные периферийные устройства. Эти тесты выполняются быстро и не слишком тщательно по сравнению с диагностическими программами. Если при выполнении процедуры POST обнаруживается неисправный компонент системы, то выдается сообщение об ошибке или предупредительный сигнал. Хотя диагностика, выполняемая процедурой POST, не очень подробная, она представляет собой первую ступень защиты системы, особенно в тех случаях, когда обнаруживаются серьезные неисправности системной платы. Если окажется, что неисправность достаточно серьезная, то дальнейшая загрузка системы приостанавливается и выдается сообщение об ошибке, по которому чаще всего можно сразу определить причину возникшей неисправности. Такие неисправности иногда называют «фатальными ошибками» (fatal errors). Процедурой POST обычно предусматривается три способа индикации неисправности: звуковые сигналы, сообщения, выводимые на экран монитора, и шестнадцатеричные коды, посылаемые по адресам портов ввода/вывода. Специализированные диагностические программы предприятий и фирм изготовителей выпускают большинство солидных предприятий и фирм изготовителей компьютеров, таких как IBM, Compaq, Hewlett-Packard и т. п. для своих вычислительных систем. Обычно это наборы тестов для «тотальной» проверки всех компонентов компьютера. Диагностические программы фирм-изготовителей обычно предусмотрены двух уровней. Первый уровень — это общая диагностика, которая в основном ориентирована на пользователей. Так как процедуры поиска неисправностей в большинстве современных систем достаточно просты, у пользователей обычно не возникает сложностей при работе с программами общей диагностики — даже при отсутствии соответствующей документации. Второй уровень — технический, и рассчитан на специалистов. Диагностические программы общего назначения выпускают несколько фирм, среди которых можно отметить пакеты программ Norton Utilities компании Symantec, MicroScope (Micro 2000), QAPlus (Diagsoft), PC-Probe (Landmark) и других фирм.