Отладка микропроцессорных систем

Скачать DjVu (2,19 МБ)

Описание

Рассмотрены практические вопросы отладки микропроцессорных

систем и применяемое для этого контрольно-измерительное оборудование. Приведено описание логических и сигнатурных анализаторов. Показаны некоторые схемотехнические решения и программное обеспечение, необходимые при отладке микросистем.

Для инженерно-технических работников в области вычислительной техники н автоматики, занятых проектированием, производством и эксплуатацией микросистем.

Предисловие к русскому изданию

В настоящее время не приходится много говорить о достижениях и роли микроэлектроники и микропроцессорной техники, поскольку их значение в народном хозяйстве общеизвестно. Для многих инженерно-технических работников микропроцессоры стали основной сферой их производственной деятельности, и в обозримом будущем число таких специалистов будет возрастать. Кроме того, вопросы проектирования микропроцессорных систем вошли в учебные планы многих специальностей высших технических учебных заведений. Именно на инженерно-технических работников и студентов институтов, специализирующихся в области вычислительной техники, рассчитана настоящая книга.

Монография Г. Б. Уильямса, по существу, является первым изданием, целиком посвященным вопросам отладки микропроцессорных систем, и она, безусловно, вызовет интерес советских читателей. Не следует искать в книге обсуждения теоретических аспектов отладки микропроцессорных систем. Книга написана инженером и для инженеров. В ней сосредоточены личный опыт автора и рекомендации его коллег, поэтому мотив практической направленности рассматриваемых вопросов отчетливо звучит на протяжении всей книги.

Мы не будем касаться обзора содержания книги, так как он достаточно подробно изложен в предисловии автора. Отметим только, что книга написана четким «техническим» языком, хотя иногда автор приводит и общие сведения. Очевидно, наибольший интерес читателей вызовут главы, посвященные логическим и сигнатурным анализаторам, т. е. приборам, разработанным специально для отладки микропроцессорных систем.

В иллюстративных примерах автор большей частью опирается на 8-битный микропроцессор Z80 фирмы Zilog, США. Архитектурно этот микропроцессор напоминает отечественный микропроцессор КР580ИК80, но имеет два набора внутренних регистров и несколько расширенную систему команд. Кроме того, в этих микропроцессорах применяются различные мнемоники ассемблерных команд, например LD' и MOV, DEC и DCR, INC и INR. Однако разобраться в простых фрагментах программ несложно, а расширенные возможности микропроцессора Z80 почти не привлекаются.

Приходится сделать традиционное замечание об используемой терминологии. Русский и английский языки довольно богаты разнообразными терминами, относящимися к микропроцессорной технике и, в частности, отладке микропроцессорных систем, а общий терминологический стандарт отсутствует. При переводе мы придерживались следующих основных терминов: «поиск неисправностей» (troubleshooting, fault finding), «тестирование» (testing), «контроль» (Checking), «отказ» (fault), «неисправность» (failure, malfuntion), «тест» (test), и сделали исключение только в названии книги. Кроме того, введены такие термины, как «пульсатор» (pulser), «пробник» (probe) и «индикатор тока» (current tracer). Будем надеяться, что читатели сами сориентируются в тонкостях трактовки приведенных терминов.

Конечно, у каждого читателя сложится свое впечатление о прочитанной книге и ее значении в профессиональной деятельности. Нам остается ожидать, что большинство читателей воспримут книгу с интересом.

В. Л. Григорьев

Предисловие

Микропроцессорая революция длится уже более десятилетия; за это время применяемые приборы прошли путь от простейших вычислительных элементов до сложных многофункциональных подсистем, реализованных в одной микросхеме. В истории исключительно быстрого развития микроэлектроники были драматические и довольно острые моменты. Многие приборы, разработанные за прошедшее время, были отвергнуты рынком, а другие, наоборот, получили очень широкое распространение и стали промышленными стандартами. Мы находимся на этапе создания микросистем пятого поколения, с которыми связывается появление компьютерных архитектур, радикально отличающихся от классической архитектуры Джона фон Неймана.

Но, как это часто бывает с быстро прогрессирующими технологиями, промышленность, в общем, медленно адаптируется к достижениям микроэлектроники, что объясняется разнообразными причинами. В промышленности действует естественный консерватизм, особенно когда дело касается замены оборудования, а старая технология дает неплохие результаты. Появление большого числа комплектов приборов, выполняющих примерно одинаковые функции, ставит проблему выбора подходящего комплекта. Работающие в промышленности инженеры и техники должны изучать все новые и новые системы, на что уходит много времени и расходуются значительные средства. Все эти факторы приводят к тому, что от момента разработки изделия до его широкого применения проходят два-три года.

В отличие от консервативного подхода в промышленности новые фирмы оказываются заинтересованными во внедрении современных технологий. Стремительный рост рынка персональных компьютеров служит ярким примером сферы сбыта, возникшей благодаря достижениям микроэлектроники. Фирмы оказались заинтересованными в разработке законченных вычислительных систем как средства увеличения продажи их продукции.

Структура вычислительной системы ставит уникальные проблемы в случае ее отказа и проведения тестирования. К сожалению, разработка необходимой контрольно-измерительной аппаратуры заметно отстает от развития собственно микроэлектронных приборов. В первых вариантах контрольно-измерительной аппаратуры использовались традиционные приборы, рассчитанные на восприятие и отображение информации от микропроцессорных систем. Индицируемую информацию было трудно интерпретировать, а настройка приборов была довольно сложной. Со временем в разработке контрольно-измерительной аппаратуры стали учитываться требования эргономики с целью упрощения работы с ней и удобного представления результатов.

Сами способы поиска неисправностей в микросистемах развились от возложения большинства забот на пользователей до встраивания средств контроля в сами системы с соответствующей «разгрузкой» пользователей. При многих методах контроля микропроцессорных систем требуются лишь незначительные дополнительные средства, которые проще встроить при разработке н производстве системы, чем дорабатывать готовое изделие.

Целенаправленные проверка и ремонт неисправной системы предполагают знание персоналом конкретной системы, умение правильно выбрать необходимую аппаратуру и наличие тщательно продуманного плана работ. Мы не будем касаться первого требования, а сосредоточим внимание на втором и третьем требованиях. Продуманный подход к проверке любой системы можно представить в виде так называемого «дерева поиска неисправностей», которое превращает общую задачу проверки в последовательность действий; на каждом этапе этой задачи учитываются результаты предыдущих действий. В предлагаемой вниманию читателей книге раскрывается данный подход как наиболее результативный для цифровых систем и показывается, какие контрольно-измерительные приборы следует применять в конкретных ситуациях.

Книга ориентирована на всех, кто желает познакомиться с отладкой микропроцессорных систем и применяемой для этого аппаратурой. Ее материал представит интерес для инженеров и техников, которые хотят расширить свои знания в быстро прогрессирующей микропроцессорной технике. Книга написана таким образом, что каждая из ее глав посвящена отдельным вопросам и сравнительно автономна. Однако добиться полной независимости отдельных глав не удалось.

Значительная часть книги написана по материалам лекций, прочитанных автором на курсах повышения квалификации инженеров и аспирантов.

Вводная глава по микропроцессорным системам включена только ради полноты охвата материала и не претендует на всеобъемлющее изложение вопроса. Основное внимание здесь сосредоточено на таких вопросах, как тристабильные элементы и дешифрирование адреса, которые очень важны для понимания работы вычислительных систем, но излагаются в книгах довольно бегло. Приведена схема микроконтроллера, являющегося управляющим элементом во многих производственных процессах, а в конце главы кратко-рассмотрены вопросы программирования.

В главе 2 содержится обзор тех проблем, которые характерны для систем с шинной структурой, и обсуждаются основные принципы проверки и локализации отказов в компьютерах. Система рассматривается как ядро, окруженное периферийными микросхемами, и для проведения основных проверок ядро должно функционировать.

Глава 3 посвящена принципам контроля систем, особенно в условиях опытного производства. Рассмотрены виды специальных воздействий и «дерево поиска неисправностей» как основа локализации отказов.

Глава 4 касается применения для контроля микрокомпьютеров таких традиционных контрольно-измерительных приборов, как осциллографы и цифровые вольтметры. Основное внимание обращено на их ограничения и необходимость разработки специальных приборов, предназначенных для анализа отказов в микрокомпьютерах.

В гл. 5—8 описываются приборы, ориентированные на цифровые системы. В гл. 5 речь идет о таких простейших приборах, как логические пробники, логические пульсаторы, индикаторы тока и логические компараторы. Дано описание принципов их работы и способов применения в типичных ситуациях. Анализ ограничений этих простых средств служит введением для последующих глав, в которых рассматриваются более сложные приборы.

В гл. 6 обсуждаются логические анализаторы и их эволюция от сравнительно простых приборов на основе осциллографов до сложнейших современных моделей. Попутно рассмотрены виды индикаторов и их применение. Несколько идей, изложенных в этой главе, разработано слушателями курсов, за что автор выражает признательность П. Девису и С. Хантеру.

Материал гл. 7 посвящен сигнатурному анализу и его происхождению из способа подсчета переходов. Дано математическое обоснование сигнатурного анализа и обеспечиваемой им высокой вероятности обнаружения ошибок. Необходимо, чтобы проверяемая система была рассчитана на применение сигнатурного анализа, а для этого требуются дополнительные схемы и встроенные тест-программы. Тем не менее большинство существующих систем можно приспособить для сигнатурного анализа.

Глава 8 знакомит читателей с таким способом проверки, как эмуляция. Она начинается с обсуждения моделирования как средства имитации поведения системы и заканчивается методами управления одной системой от другой таким образом, что возможно реализовать различные уровни эмуляции. Термин «эмуляция» используется сейчас применительно к разнообразным приборам, начиная большими системами проектирования и кончая автономными контрольными приборами; в книге обсуждаются обе эти крайности. Эмуляционное контрольное оборудование опирается на использование многих из ранее рассмотренных методов и характеризуется широким спектром возможностей приборов.

Глава 9 содержит сведения по видам тест-программ, предназначенных для контроля компонентов системы. Такие тест-программы варьируются от программ самоконтроля, которые выполняются при включении системы, до программ, инициируемых только после возникновения отказа. Приведены примеры тест-программ, которые можио использовать для контроля основных компонентов вычислительной системы.

В последней главе затронуты вопросы контроля периферийного оборудования вычислительных систем, рассмотрен функциональный контроль системы на примере системы сбора данных, конфигурация которой рассчитана на этот вид контроля, описано использование индикаторов «проходит/не проходит», которые упрощают эксплуатацию систем, приведены сведения о стандарте последовательной связи RS232C и о шине параллельного интерфейса IEEE-488.

Главное назначение книги — осветить основные современные методы контроля и показать те принципы, на которых они базируются. По мере усложнения систем и разработки новых, методов контроля совершенствуется и контрольно-измерительная аппаратура. Поэтому материал книги актуален только для современного уровня самих систем и приборов и со временем, конечно, должен видоизмениться. Тем не менее книга может служить отправной точкой и должна дать читателю такую основу, которая будет применима и к последующим разработкам.

Выражаю признательность П. А. И. Девису и К. Р. Веберу за внимательное изучение рукописи и полезные предложения, которые способствовали улучшению материала книги и формы его изложения.

Г. Б. Уильямc