Надежность ЗУ

Отдельные БИС могут исправно работать десятилетия. Однако при объединении сотен и тысяч БИС среднее время между сбоями, которые возникают то в одном, то в другом кристалле, может составить всего несколько часов, что недопустимо, особенно для управляющих микроЭВМ.

В случае повреждения микросхемы возникающая ошибка становится неустранимой.

ЗЭ при этом либо “застревает” в одном положении, либо беспорядочно перебрасывается из одного состояния в другое. Если повреждены адресные линии, то ненадежными могут стать целый столбец или строка данных.

Однако ошибки возникают и в неповрежденных микросхемах. Обычными виновниками таких ошибок являются альфа-частицы, испускаемые ядрами тяжелых элементов при радиоактивном распаде. Альфа-частицы - отрицательный фактор, который присущ, как правило, устройствам памяти современных ЭВМ, так как радиоактивные атомы в небольших количествах присутствуют почти во всех материалах. В частности, атомы урана и тория содержатся в пластмассовых корпусах обычных микросхем памяти. В итоге кристалл подвергается настоящей бомбардировке.

На физическом уровне состояние ЗЭ определяется наличием/отсутствием заряда в определенной области полупроводника. Проникновение массивной и заряженной альфа-частицы в такую область может привести к изменению ее заряда, что на деле обычно соответствует переходу 1 в 0. Возникает сбой, т.е. случайная ошибка, которую можно предвидеть, но нельзя избежать.

Наиболее простой (дешевый) способ борьбы сегодня с подобными ошибками - избыточное кодирование (коды Хемминга). Его аппаратной основой служат дополнительные разряды каждого хранимого слова. Их содержимое формируется автоматически (недоступно пользователю), наподобие разряда обычного контроля на “чет-нечет”. Используется это содержимое также автоматически, обеспечивая локализацию одиночной ошибки слова и ее коррекцию, так что такая ошибка не достигает выходного контакта. Пример соотношения объемов основной и дополнительной памяти на одном кристалле: 256К*1 бит (или 64К*4 бит) - основная память, 128 К бит - дополнительная.

Использование корректирующих кодов позволяет увеличить среднее время до появления сбоя на несколько десятичных порядков.

Г л а в а 4. ОРГАНИЗАЦИЯ ВВОДА-ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ

Область применения микроЭВМ, т.е. класс реализуемых алгоритмов, обусловливает, во-первых, выбор типа центрального процессора и, во-вторых, количество и перечень требуемых типов внешних устройств (ВУ) и каналов связи. Оба эти фактора приводят к применяемой в большинстве МПС двухуровневой схеме сопряжения ВУ с процессором и памятью.

На 1-м уровне процессор и память сопрягаются с контроллерами ВУ (ИК) через системный интерфейс (магистрали).

На 2-м уровне сопряжения ИК посредством шин связи с ВУ соединяются с соответствующими ВУ.

На первом уровне в общем случае можно выделить два основных способа использования системного интерфейса для организации обмена информации с ВУ: 1) с применением специальных команд ввода-вывода; 2) по аналогии с обращением к памяти.

В первом случае номер (адрес) ВУ передается по магистрали адреса МА, как и адрес ячейки памяти. Как номер ВУ информация на МА интерпретируется только при наличии специальных управляющих сигналов, т.е. сигналов на МУ, например, “Ввод из ВУ” или “Вывод в ВУ”.

Для задания моментов времени, указывающих на готовность данных в ВУ для передачи в миктоЭВМ либо подтверждающих их прием в ВУ, может служить управляющий осведомительный сигнал “Готовность ВУ”.

Описанного простого набора сигналов достаточно для организации асинхронного программно-управляемого обмена данными с ВУ на 1-м уровне (процессор - ИК).

Операция ВЫВОД, инициируемая МП, выполняется следующим образом.

МП выставляет на МА адрес (номер) ВУ, на МД - значения разрядов выводимого слова данных. Далее МП единичным сигналом по линии “Вывод в ВУ” указывает тип операции (рис.4.1). Адресуемый ИК принимает данные, пересылает их в ВУ и единичным сигналом на линии “Готовность ВУ” сообщает процессору, что данные приняты ВУ и можно снять информацию с МА, МД и МУ.

ВУ

Цикл обмена

МП

Готовность

Данные

Вывод в ВУ

Адрес

Рис.4.1. Диаграмма операции ВЫВОД

Цикл обмена

МП

ВУ

Готовность

Данные

Ввод из ВУ

Адрес

Рис.4.2. Диаграмма операции ВВОД

Операция ВВОД начинается с того, что МП выставляет на МА адрес (номер) ВУ и единичным сигналом на шине “Ввод из ВУ” указывает тип операции (рис.4.2). По этому сигналу ИК считывает слово данных из ВУ, выставляет его на МД и единичным сигналом по линии “Готовность ВУ” сообщает об этом процессору. Приняв данные, МП снимает сигналы на МА и МУ.

Во втором случае, т.е. при обращении к ВУ по аналогии с обращением к памяти, отпадает необходимость в специальных сигналах, позволяющих так или иначе интерпретировать содержимое МА. ИК просто селектирует это содержимое и выделяет собственный адрес.

Однако остается необходимость передавать в ВУ приказ на ввод/вывод информации. Для этого используются шины МУ “чтение” и “запись”, используемые обычно для работы с модулями памяти. Временные диаграммы операций ВВОД и ВЫВОД для этого случая полностью соответствуют тем, что приведены на рис.4.1 и 4.2.

В принципе рассмотренный здесь минимальный набор управляющих сигналов позволяет организовать обмен с ВУ не только в асинхронном режиме, но и в режиме прерывания программы. Однако это покупается ценой существенного усложнения алгоритомв обработки управляющих сигналов и, соответственно, аппаратуры для такой обработки. Для организации прерываний и режима прямого доступа более рациональным оказывается пойти на увеличение числа управляющих сигналов, о чем речь пойдет далее.

Исключительное разнообразие ВУ микроЭВМ приводит к необходимости различать и отрабатывать в ИК большое число различных режимов работы. Организовать передачу каждого приказа ВУ по отдельной линии МУ системного интерфейса пратически невозможно по двум причинам:

1) при разработке МП трудно предвидеть все разнообразие применений микроЭВМ на его основе, а значит, и разнообразие используемых ВУ;

2) для каждого дополнительного управляющего сигнала потребуется отдельный вывод в БИС МП.

Проблема решается путем мультиплексирования МД, т.е. путем использования ее как для обмена данными с ИК в одни моменты времени, так и частью управляющей информации в другие моменты.

При этом данные должны размещаться в регистре данных ИК, а управляющая информация - в одном или нескольких регистрах управления и состояния. Их число зависит от сложности ВУ и разрядности МД. Это ставит новую задачу - выбор одного или нескольких регистров ИК ВУ.

Наиболее просто эта задача решается путем выделения своего адреса каждому регистру ИК в системе адресов микроЭВМ.

Рассмотрим далее на примере КР580 (MicroBus) и “Э-60” (Q-Bus) оба случая организации системных магистралей с использованием специальных команд и по аналогии с обращением к памяти соответственно.

Т а б л и ц а 4.1

Управляющие сигналы MicroBus

Обозна-чение	Значение	Источник	Назначение
DBIN	Разрешение приема информации с МД	МП	МД D0,..., D7 находится в режиме приема информации
WR	Признак выдачи информации на МД	МП	На МД МП выдана информация для передачи в память или ВУ
READY	Готовность данных к передаче	Память, ВУ	Информация в памяти или ВУ готова для передачи в МП. При отсутствии сигнала READY МП переходит в состояние ожидания (WAIT).
WAIT	Ожидание	МП	МП в ожидании, выходит из него при поступлении сигнала READY
INT	Запрос прерывания	ВУ	Запрос ВУ на обслуживание-прерывание текущей программы после выполнения очередной команды; запрос ВУ на обслуживание в состоянии ожидания МП во время останова.
INTE	Разрешение прерывания	МП	Разрешение, выдаваемое для ВУ на обмен информацией в режиме прерывания программы
HOLD	Захват шин	ВУ	Запрос ВУ на ПДП
HLDA	Подтверждение захвата шин	МП	Разрешение для ВУ на обмен в режиме ПДП. МА и МД (внутренние) МП отключаются от магистралей
SYNC	Синхронизация	МП	Начало машинного цикла подтверждает выдачу МП на МД слова состояния МП
RESET	Сброс	Внешние схемы управления	СЧК—>0, триггеры разрешения прерывания и захвата шин —>0

Вначале - MicroBus. На рис.4.3 и в табл.4.1 приведены и раскрыты сигналы МУ.

По младшим восьми шинам 16-разрядной МА передаются адреса ВУ; соответственно можно адресовать до 256 регистров при ВЫВОДЕ (OUT) и столько же при ВВОДЕ (IN).

Тактовые сигналы

HOLD

RESET

READY

INT

DSIN

WR

INTE

SYNC

WAIT

HLDA

Ф₁ Ф₂

6 входных

6 выходных

Запрос захвата шин

Сброс

Готовность данных к передаче

Запрос прерывания

Разрешение приема информации

Признак выдачи информации

Разре- шение преры-вания

Выходной сигнал синх-ронизации

Выходной сигнал ожидания

Подт-верж-дение захва-та шин

22 15 13 12 23 14 17 18 16 19 24 21

Рис.4.3. Сигналы МУ КР580ИК80А

Сами команды ввода/вывода идентифицируются в слове состояния МП, выводимом по МД в специальный регистр или системный контроллер. В частности, в тех типах циклов, которые отвечают вводу/выводу, разряд Д4 этого слова равен 1 лишь при выводе, Д6 - лишь при вводе.

В целом MicroBus позволяет реализовать два режима обмена с ИК ВУ: программно-управляемый асинхронный и по прерыванию программы; режим ПДП.

Допускается также обработка в МП сигналов от ВУ запроса прерывания и захвата шин во время останова МП. За счет этого удается организовать эффективное взаимодействие программ микроЭВМ и медленной периферии в системах реального времени.

Q-Bus. Здесь для адресации ВУ используется часть адресного пространства, о чем ранее уже шла речь. Можно адресовать до 4К регистров ВУ.

Управление передачей информации (адресов или данных) сводится к реализации стандартных циклов обмена (ВВОД или ВЫВОД) между двумя устройствами, подключенными к системному интерфейсу. На одно из этих устройств возлагаются функции управления обменом, и оно называется активным. Таковым обычно является МП, но это может быть и ИК ПДП. Второе устройство называется пассивным. Таковым всегда является память микроЭВМ.

При этом используется следующий набор управляющих сигналов.

Синхронизация активного устройства (СИА). Источник - активное устройство. Передний фронт этого сигнала указывает, что на МА/МД активным устройством выставлены адрес ВУ или данные. СИА = 1 в течении всего цикла обмена.

Синхронизация пассивного устройства (СИП). Источник - пассивное устройство. Является ответом на сигналы активного устройства ВВОД или ВЫВОД. С помощью этого сигнала активное устройство извещается, что данные приняты с МА/МД при ВЫВОДЕ, или данные установлены пассивным устройством там же при ВВОДЕ.

ВВОД. Источник - активное устройство. Вырабатывается в течении СИА. Означает, что ведется ввод в активное устройство, готовое принять данные.

ВЫВОД. Источник - активное устройство. Это означает, что на МА/МД им выставлены данные. Пассивное устройство принимает данные, в подтверждение чего должно выработать сигнал СИП.

БАЙТ. Источник - активное устройство. Вырабатывается только при ВЫВОДЕ. Активное устройство выводит один байт информации по шинам ДА00...ДА07.

ВУ. Источник - активное устройство. Вырабатывается в том случае, когда на МА/МД установлен адрес, относящийся к старшим 4К адресов (с 160000 В по 177776 В), т.е. к тому адресному пространству, что соответствует регистрам ВУ. Введение этого сигнала позволяет сократить затраты оборудования в ИК на селекцию адресов, передаваемые по МА/МД.

Эти шесть сигналов обеспечивают в рамках Q-Bus реализацию асинхронного программно-управляемого обмена данными с ВУ.

Сигналы для обмена по прерыванию и в режиме МДП сведены в табл.4.2.

Т а б л и ц а 4.2

Сигналы Q-Bus, управляющие режимами обмена с ВУ

Обозна-чение	Значение	Источник	Назначение
ТПТ	Требование прерывания	ВУ	Информирует МП о том, что ВУ готово к обмену данными. Вызывает прерывание программы после выполнения очередной команды
ППР	Предоставление прерывания	МП	Извещает ВУ, что прерывание разрешено. Линия ППР проходит последовательно через все ВУ, обеспечивая приоритетное обслуживание запросов на прерывание
ТПД	Требование прямого доступа к памяти	ВУ	Информирует МП о том, что ВУ требует ПДП
ППД	Предоставление прямого доступа	МП	Разрешение для ВУ на обмен в режиме ПДП. МП приостанавливает выполнение команды после завершения текущего цикла обмена. Линия ППД проходит через ВУ аналогично линиям ППР

Продолжение табл. 4.2

Обозначение	Значение	Источник	Назначение
ПВ	Подтверждение выбора	ВУ	Вырабатывается в ответ на сигнал ППД и подтверждает, что ВУ ведёт обмен в режиме ПДП
ПРТ	Требование прерывания по внешнему событию	Аппаратный таймер, ВУ	Обычно используется для передачи в МП сигналов аппаратного таймера. Более приоритетен, чем ТПР

Дата добавления: 2014-12-16