схеми контролю

Складність ЕОМ і інших ЦУ визначає важливість операцій контролю і діагностики їх функціонування. У деяких випадках контроль життєвий-но важливий (авіаційні прилади, управління потужними енергетичними установками, моніторинг пацієнтів в клініках і ін.).

Причинами порушення нормальної роботи ЦУ можуть бути відмови (т. Е. Порушення через несправностей, що мають постійний ха-рактер) і збої (т. Е. Порушення через прояви несприятливих фак-торів, зокрема, перешкод, які в надалі можуть і не проявитися). Незалежно від цього далі будемо говорити про помилки функционирова-ня, оскільки для розглянутих далі питань конкретний характер помилок є несуттєвим.

Цілі і завдання контролю, діагностики та виправлення помилок в ЦУ можуть бути різними.

Можна ставити задачу запобігання помилок в роботі ЦУ. Для цього необ-ходимо такі заходи, як застосування високоякісних елементів схем, стабілізація умов навколишнього середовища і т. П. Але навіть при всіх стараннях-ях навряд чи можливо повністю позбутися від помилок. Маючи на увазі неминучість виникнення помилок, слід подбати про їх виявленні. Завдання виявлення помилок вирішуються різними методами. Мож-но, наприклад, скористатися дублюванням ЦУ і порівнянням результатів роботи двох ідентичних пристроїв. Розбіжність результатів в цьому випадку розглядається як ознака помилки (хоча ймовірність того, що помилка з'явилася в контрольованому пристрої, а не в контролюючому дорівнює всього 50%). Для виявлення помилок використовуються спеціальні коди, більш складні, ніж виконавчі.

І, нарешті, можна ставити завдання маскування (виправлення) помилок. У цьому випадку наявність помилок певного типу і кількості чи не порушує роботу пристрою, оскільки їх вплив усувається автоматично. У цій області використовується, наприклад, триразове резервування пристроїв з виробленням результату шляхом "голосування" за допомогою мажоритарних елементів. Ці елементи виробляють вихідні дані "за більшістю" вхідних. Якщо з трьох пристроїв одне стало працювати неправильно, це не позначиться на ре-док. Тільки помилка в двох з трьох каналів проявляється в результаті.

Відзначимо, що додавання до функцій пристроїв функцій контролю завжди пов'язане з надмірністю - платою за нові можливості будуть додаткового-тільні апаратні або тимчасові витрати.

Введена надмірність - це ціна контролю. Зокрема, метод дублюють-вання цінний своєю універсальністю, але доріг, для нього надмірність со-ставлять близько 100%.

У цьому параграфі розглянуті дуже обмежені питання контролю ЦУ, якому присвячуються спеціальні праці. Тут порушені теми, пов'язані з розумінням роботи ІС, що випускаються для використання в системах кон-троля. До таких схем відносяться мажоритарні елементи, схеми контролю за модулем 2 і схеми кодування-декодування для кодів Хеммінга.

Завдання мажоритарного елементу - вироб-вести "голосування" і передати на вихід величину, відповідну більшості з вхідних. Ясно, що мажоритарний еле-мент може мати тільки непарне число входів. Практично випускаються елементів-ти мають по три входи або по п'ять входів. Функціонування мажоритарного еле-мента, на входи якого поступають вели-чини F1, F2, і F3 і за результатами голо-ження виробляється вихідна величина F, представлено в табл. 2.8. Якщо мається на увазі контроль багаторозрядних слів, то в кожному розряді ставиться елемент розглянутого типу.

Крім виходу F, в таблиці дані і виходи a1, а 0 - старший і молодший розряди двухразрядного коду, що вказує номер відмовив каналу (рис. 2.19).

З таблиці легко отримати функції, які після нескладних Перетворюва-ний наводяться до наступних:

Мал. 2.19. Схема голосування з мажоритарних елементом

У схемах типу рис. 2.19 від мажоритарного елементу потрібно особливо ви-сокая надійність, т. К. Його відмова втрачає своє значення всю схему складом, що резервує-вання.

Контроль за модулем 2

Контроль правильності передач і зберігання даних - важлива умова нормальної роботи ЦУ. У цій області найпростішим і широко застосовуваним методом є контроль за модулем 2. Приступаючи до ознайомлення з цим методом, слід зупинитися на деяких поняттях з теорії побудови завадостійких кодів. Кодова комбінація - набір з сім-волів прийнятого алфавіту. Код - сукупність кодових комбінацій, ис-пользуемих для відображення інформації. Кодова відстань між дво-ма кодовими комбінаціями - число розрядів, в яких ці комбіна-ції відрізняються один від одного. Мінімальна кодова відстань - міні-мальное кодове відстань для будь-якої пари комбінацій, що входять в даний код. Кратністю помилки називають число помилок в даному слові (число невірних розрядів).

З теорії кодування відомі умови виявлення і виправлення помилок при використанні кодів:

де dmin - мінімальна кодова відстань коду; гобн і rіcnp - кратність виявляються і виправляє помилок відповідно.

Існує також поняття ваги комбінації, під яким розуміється число одиниць в даній комбінації.

Для двійкового коду мінімальна кодова відстань dmin = 1, тому він не має можливості будь-якого контролю вироблених над ним дій. Щоб отримати можливість виявляти хоча б помилки оди-нічной кратності, потрібно збільшити мінімальну кодову відстань на 1. Це і зроблено для коду контролю за модулем 2 (контролю по парному-сти / непарності).

При цьому способі контролю кожне слово доповнюється контрольним розрядом, значення якого підбирається так, щоб зробити парних (непарних) вага кожної кодової, комбінації. При одиночній помилку в кодової комбінації парність (непарність) її ваги змінюється, а така комбінація не належить до даного коду, що і виявляється схемами контролю. При подвійній помилці парність (непарність) комбінації не порушується - така помилка не виявляється. Легко бачити, що у коду з контрольним розрядом dmin = 2. Хоча виявляються помилки не тільки одиничною, але взагалі непарної кратності, на величину dmin це не впливає.

При контролі по парності вага кодових комбінацій роблять парних, при контролі за непарності - непарних. Логічні можливості обох вари-антів абсолютно ідентичні. Залежно від технічної реалізації ка-лів передачі даних, може проявитися перевагу того чи іншого варіанта, оскільки один з варіантів може дозволити відрізняти обрив всіх ліній зв'язку від передачі нульового слова, а інший - ні.

Значення контрольного розряду р при контролі по парності (рч) і непарності (рн) наведені для чотирирозрядний інформаційного слова в табл. 2.9.

Після передачі слова або зчитування його з пам'яті знову проводиться складання розрядів кодової комбінації по модулю 2 (згортка по модулю 2) і перевіряється, чи збереглася чет-ність (непарність) ваги прийнятої комбінації. Якщо парність (непарність) ваги когось бинации змінилася, фіксується помилка операції.

З наведеного матеріалу випливає, що контроль за модулем 2 ефективний там, де ймовірність одиничної помилки багато більше, ніж ймовірність подвійний (або взагалі груповий).

Зокрема, для напівпровідникової основний пам'яті комп'ютерів така ситуація справедлива, т. К. Кожний біт слова зберігається в своїй власній осередку, і найбільш вірогідні одиничні помилки. А для пам'яті на магніт-них носіях інформації (диски, стрічки) дефекти такі, що зазвичай зачіпають площа, на якій розміщено декілька біт даних, поет-му для цієї пам'яті контроль за модулем 2 неефективний.

Контроль за модулем 2 реалізується за допомогою схем згортки. Для практики типова багатоярусна схема згортки пірамідального типу (рис. 2.20, a).

На рис. 2.20, а показана схема згортки байта. Для оцінки апаратної складність ності і швидкодії подібних схем при розрядності системи згортання слова 2 n (n - довільне ціле число1 легко отримати співвідношення:

де МЛЕ - число логічних елементів у схемі; L - її логічна глибина.

Схемотехніка зараз зорієнтована головним чином на роботу з парал-лельно даними, однак не виключені ситуації обробки послідовно-них даних, коли слова передаються по одній лінії послідовно розряд за розрядом. Для таких випадків доцільно застосовувати схему згортки (рис. 2.20, б), яка видає результат всього через одну затримку після надходження останнього розряду а / у.

Прикладом ІС згортки по модулю 2 може служити мікросхема ІП5 серії КР1533 (рис. 2.21, а). Схема має 9 входів, що допускає згортку байта з дев'ятим контрольним розрядом. Двома виходами схеми є Е (Even) і О (Odd). Якщо вага вхідний комбінації парний, то Е = 1 і О = 0, і на-оборот, якщо вага непарний.

Мал. 2.20. Схеми згортки пірамідального (а) і послідовного (б) типів

Мал. 2.21. Мікросхема ІП5 (а, б) і її застосування в схемі контролю (в)

Схемотехнічних ІС КР1533ІП5 представляє собою пірамідальну структуру з трехвходових елементів типу парність / непарність (рис. 2.21, б).

Передача даних з контролем по модулю 2

Передача даних або їх запис / зчитування (якщо мова йде про пам'ять) з контролем показані на рис. 2.21, в. Вхідні дані позначені через D, на виході з каналу зв'язку або пам'яті дані позначені через D, по-кільки внаслідок помилок вони можуть змінитися.

Контроль за модулем 2 можна застосувати не тільки для операцій передачі ре-вати слів, але і для деяких більш складних операцій. У цих випадках недостатньо просто додати до інформаційномуслову контрольний раз-ряд, а потрібні більш розвинені операції.