ИССЛЕДОВАННЫЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ СРЕДСТВ МНОГОКАНАЛЬНОГО СИГНАТУРНОГО АНАЛИЗА

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются задачи, расмотрен анализ современных микропроцессорных устройств систем передачи данных как объекта контроля и диагностик, необходимой для выбора характеристик методов сигнатурного анализ паказано, что основным документам сигнатурного анализа является словары (таблица) этолонных сигнатур. Рассматриваются методы расчета и определения сигнатур для сигнатурного анализа при диагностике микропроцессорных устройств. Проведен сравнителный анализ методов расчеть и определения эталонных сигнатур, используемых при диагностике микропроцессорных устройств. Разработаны алгаритмы и многоканального сигнатурного метода для автоматизации определения эталонных сигнатур для многовыходных микропроцессорных устройств.

ABSTRACT

The article discusses the tasks, analyzes the analysis of modern microprocessor devices of data transmission systems as an object of control and diagnostics necessary for choosing the characteristics of signature analysis methods, it is believed that the main documents of signature analysis are dictionaries (table) of etolon signatures. Methods for calculating and determining signatures for signature analysis in diagnostics of microprocessor devices are considered. A comparative analysis of methods for calculating and determining reference signatures used in diagnostics of microprocessor devices is carried out. The algorithms and the multichannel signature method have been developed to automate the determination of reference signatures for multi-output microprocessor devices.

Ключевые слова: Микропроцессорных устройств (МПУ), жизненый цикл, сигнатурный анализ (СА), многоканального сигнатурный анализ (МСА).

Keywords: Microprocessor devices (MPD), life cycle, signature analysis (SА), multichannel signature analysis (МSА)

ВВЕДЕНИЕ

При построении современных систем передачи данных (СПД) актуальной задачей является исследование методов повышения качества функционирования технических средств и системы в целом [1,2,3]. В современных СПД используется элементная база, основанная на применении больших интегральных схем (БИС), сверхбольших интегральных схем (СБИС) и микропроцессорных комплектов (МПК), которая позволяет существенно повысить эффективность систем – увеличить производительность и надежность, расширить функциональные возможности систем, уменьшить массу, габариты и потребляемую мощность. В то же время переход к широкому использованию БИС, СБИС и МПК в современных СПД, создал вместе с бесспорными преимуществами и ряд серьезных проблем, связанных в первую очередь с процессами их контроля и диагностики [4,5,6,7]. В условиях эксплуатации СПД важнейшей из двух составляющих коэффициент готовности является время восстановление, которое определяется временем обнаружения (контроль) и временем поиска неисправности (диагностика), поэтому одним из основных направлений работ является улучшение технических и эксплуатационных характеристик технических средств СПД путём улучшения показателей ремонтопригодности. Это связано с тем, что односторонняя ориентация на достижения высокой безотказности СПД в ущерб ремонтопригодности часто не обеспечивает повышение коэффициента готовности в условиях эксплуатации, так как сложность поиска и устранения неисправностей приводит к росту времени её восстановления.

В этой связи одной из решающих предпосылок достижения высоких надежностях характеристик связана с дальнейшим повышением интенсивности работ по разработке и использованию новых подходов и методов контроля и диагностике СПД и их технических средств на всех стадиях жизненного цикла.

Пусть на вход генератора псевдослучайной последовательности (ГПСП) (рис. 1) поступает входная двоичная последовательность. ГПСП, подобные изображенному на рис. 1, осуществляют преобразование входной двоичной последовательности, соответствующей делению входного многочлена  на инверсию характеристического полинома, описывающего данный ГПСП.

В связи с тем, что нумерация регистров обычно начинается с нуля, то сигнатура может быть записана в виде:

.    (4)

Для получения формулы расчета сигнатуры в конкретном ГПСП в выражении (4) вместо , где , необходимо подставить номера разрядов сдвигового регистра ГПСП, из которых взяты обратные связи. Например, в соответствии с (4), для ГПСП на базе 16-разрядного регистра формула расчета сигнатуры имеет вид:

Рассмотрим схему ГПСП на - разрядном регистре сдвига, с обратными связями, взятыми из  разрядов, которые заведены в сумматор по модулю 2. Тогда ,

где  – входной многочлен;

 – частное от деления;

 – инверсия полинома обратных связей для регистра длиной  n - разрядов;

 – остаток.

Рассмотрим теперь регистр сдвига, как совокупность вложенных один в другой сдвиговых регистров длиной  разрядов. Очевидно, что каждый регистр осуществляет собственное деление (преобразование) входного многочлена. Если степень входного многочлена больше степени (разрядности) регистра сдвига, то влияние вложенных регистров учитывается в полиноме обратных связей сдвигового регистра большей длины. Если степень входного многочлена не превосходит степень регистра, то выполняется деление входного многочлена на инверсию полинома обратных связей регистра сдвига меньшей длины. Так как степень  меньше степени , то для получения реального остатка необходимо провести деление  на инверсию полиномов обратных связей регистров меньшей длины.

Обозначим инверсию полиномов обратных связей через  Разделим входной многочлен  на полином

                                                           (5)

Затем последовательно рассмотрим остатки ,  в качестве входных многочленов для регистров сдвига, меньшей длины, разделив их на полином :

                                                                   (6)

                                                                      (7)

                                                                       (8)

Анализ формул (5÷8) показывает, что является выходным многочленом регистра степени ,  – выходной многочлен регистра степени , который заполняет разряды от  до  регистра сдвига, – выходной многочлен регистра степени , который заполняет разряды от  +1 до  и т.д;

  – остаток, оставшийся в сдвиговом регистре, который имеет только одну обратную связь и заполняет разряды от  до . Таким образом, сигнатура может быть записана в следующем виде [9-12]:

.                      (9)

По этой формуле можно рассчитать сигнатуры для регистра сдвига с нумерацией от  до . Если нумерация разрядов начинается с нуля, то формула (9) примет вид:

.                               (10)

Так, для ГПСП, разработанного фирмой Hewlett Packard (HP) формула имеет вид:

.                          (11)

Рассмотрим пример расчета сигнатуры указанным методом для входной последовательности 11111100000111111111, которую представим в полиномиальном виде:

Разделив входную последовательность  на инверсный полином , получим частное:  и остаток  Затем произведем деление  на инверсию полинома обратных связей 12-разрядного регистра  В результате получим частное  и остаток  Разделим  на инверсию полинома обратных связей 9 - ти разрядного регистра . В результате получим частное и остаток

Разделим  на инверсию полинома обратных связей 7 - разрядного регистра . В результате получим частное  и остаток  Подставив полученные значения в выражение для , получим

Преобразуем, полученный многочлен в двоичную форму , которой соответствует сигнатура Н953. Из приведенного примера видно, что этот метод расчета требует запоминания образующих полиномов в степени , а также дополнительных расчетов для получения реальной сигнатуры.

Сигнатуры воспроизводятся, как правило, в алфавите, состоящим из десяти цифр и шести букв 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,C,F,H,P,U. Каждой двоичной последовательности соответствует своя сигнатура.

0000 - “0” 0100 - “4” 1000 - “8” 1100 - “F”

0001 - “1” 0101 - “5” 1001 - “9” 1101 - “H”

0010 - “2” 0110 - “6” 1010 - “A” 1110 - “P”

0011 - “3” 0111 - “7” 1011 - “C” 1111 - “U”

Упрощенный метод расчета эталонных сигнатур[3,12]

Как отмечалось ранее, принцип реализации СА в целом основывается на математических соотношениях, аналогичных тем, что используются при формировании циклических кодов. Однако ввиду того, что практическая схема самого делителя, выполненная на многовходовых сумматорах по модулю 2, отличается от используемого делителя циклического кода, содержимое регистра сдвига СА и результат деления  на  не совпадают. Известно, что остаток, получаемый в регистре сдвига, имеет вид , а остаток при делении  на  имеет вид:r₁₆(X)=

В этой связи необходимо анализировать не остаток от деления, а частное от деления. В соответствии с этой методикой сигнатура рассчитывается путем умножения входного многочлена  на одночлен  и деления этого произведения на обратный образующий полином

                                                 (12)

При этом частное от деления имеет такую же степень как , а сигнатурой являются последние 2 разряда. .

Рассмотрим пример теоретического расчета сигнатуры этим методом для аналогичной ранее рассмотренной входной последовательности. Умножив входной многочлен  на одночлен , получим:

 Разделим этот многочлен на обратный полином

В результате получим частное

Q(X)=x¹⁹+ x¹⁸+ x¹⁷+ x¹⁶+ x¹⁵+ x¹⁴+ x¹²+ x¹¹+ x⁸+ x⁶+ x⁴+x+1 и остаток .

Преобразуя в двоичную форму получим Q(X)=11111101100101010011

Последние 16 разрядов и являются сигнатурой, т.е. ξ(X)=1101100101010011 (Н953).

Метод определения сигнатур на основе моделирования многоканального сигнатурного анализатора[7,8]

Описание виртуального макета многоканального сигнатурного анализатора.

Рисунок 2. Многоканального сигнатурного анализатора

1-состояние триггеров в последний такт работы.

2- свертка(сигнатура).

3-входящий вектор.

4-поле для отображения последовательностей.

5-поля для ввода длинны последовательности.

6-поле для установление обратных связей регистра.

Символы красного цвета – очередной входящий вектор бит.Символы черного цвета -состояние предыдущего триггеры в предыдущий такт.

Символы зеленого цвета – состояние последнего триггера в предыдущий такт(появляется при наличии обратной связи ).Символы синего цвета – состояния триггеров в текущем такте.

Для того что бы получить свертку необходимо в начале ввести длину потока (поле №5) затем нажать на кнопку “генерировать” и затем на кнопку “просчитать” во время последнего такта работы анализатора, в поле №1(состояние триггеров в последний такт работы) появится двоичная последовательность которая является еще не свернутой сигнатурой, затем при нажатии на кнопку “сигнатура” в поле №2 появится готовая свертка. Также можно установить обратные связи в поле №6.

Кроме того можно самим вводит желаемые последовательности, для этого необходимо в поле для указания длинны (поле №5) указываем длину последовательности а в поле отображения последовательностей (поле №4) вводим последовательности.

Данная программа работает на всех операциооных системах поддерживающих браузеры такие как Opera, Mazilla firefox, Explorer.

На рисунке представлен интерфейс программы для моделирования работы многоканального сигнатурного анализатора на 4, 8, 16 разрядов (каналы).

На данных рисунках представлен момент работы модели в определенный такт.

Рисунок 3. 4-каналов сигнатурного анализатора

Рисунок 4. 8-каналов сигнатурного анализатора

Рисунок 5. 16-каналов сигнатурного анализатора

ВЫВОДЫ

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

Научно обоснованное решение сложных задач контроля и диагностики СПД, использующее в своем составе комплекты БИС, СБИС и МПК, может быть обеспечено на основе системного подхода к разработке контрольно-диагностического обеспечения для различных стадий жизненного цикла.

Разработана методика анализа микропроцессорных устройств СПД как объекта контроля и диагностики для выбора характеристик метода сигнатурного анализа.

Общая методология применения сигнатурного анализа предполагает работ и определение эталонных сигнатур для заведомо годного микропроцессорных устройства, анализ, поэтому проведен существующих математических методов расчета и определенья эталонных сигнатур.

С целью автоматизации определения эталонных сигнатур разработаны алгоритмы и программы для моделирования одно и многоканального сигнатурного анализ позволяющая изменять как разрядность регистра сдвига и типы неприводимых позволяющая изменять как разрядность регистра сдвига и типы неприводимых полиномов, так и длины анализируемых двоичных последовательностей.

Разработанное программное обеспечение для моделирования одноканального сигнатурного анализа работает в операционных системах Microsoft Windows, а программа для моделирования работы многоканального сигнатурного анализ написана на языке PHP и с помощью программы Devel Studio.

Список литературы:

1. Анкудинов И.В. Микропроцессорные системы. Архитектура и проектирование. Учебное пособие. Санкт-Петербург 2003
2. Антошина И.В., Котов Ю.Т. Микропроцессоры и микропроцессорные системы (аналитический обзор).  Москва 2005 г
3. Амирсаидов У.Б.,Аббасханова Х.Ю., Балтаев Ж.Б. Методы оценки надежности сети передачи данных с учётом воздействия внешних факторов ВЕСТНИК ТашГТУ, 4/2014г., стр 27-31
4. Бестугин А. Р., Богданова А. Ф., Стогов Г. В.. Контроль и диагностирование телекоммуникационных сетей - СПб: Политехника, 2003. 174 с.: ил.
5. Безуглов Д.А., И.В. Калиенко И.В. Цифровые устройства и микропроцессоры. – Ростов – на  – Дону: Феникс, 2006. – 480 с.
6. Djuraev R.X., Baltaev J.B., Xasanov O.A. Increasing the efficiency of diagnosing microprocessor devices based on multichannel signal analysis means. Тошкент, ICISCT2020.
7. Djuraev R.X., Baltaev J.B., Badalov J.I. Study of the method of compact testing of technical means of data transmission networks Toshkent, ICISCT2020
8. Джураев Р.Х., Джаббаров Ш.Ю., Балтаев Ж.Б. «Системы технического обслуживания и эксплуатации сетей телекоммуникации». Учебник.-Т.: “Алоқачи”.2019, 234 с.
9. Djuraev R.X.,Baltaev J.B., Alimov U.B. Methods of Determining Reference Signals for One and Multichannel Signatural Analyzer of Microprocessor Systems, Science Publishing Group, Communications USA № 6(1) 2018. –R. 20-24
10. Djuraev R.X., Baltaev J.B. Investigated Methods of Improving the Yefficiency of Diagnosing Microprocessor Devices of Data Transmission Systems Based on Multi-Channel Signature Analysis, Science Publishing Group, Communications USA № 7(1) 2019. –R. 13-24 rr.
11. Djuraev R.X., Djabbarov Sh.Yu., Baltaev J.B. Raqamli qurilmalarning sakkiz kanalli signatura usulida diagnostika qilishning modellashtirish dasturi. O’zbekiston Respublikasi intellektual mulk agentligi.  Elektron hisoblash mashinalari uchun yaratilgan dasturning rasmiy ro’yxatdan o’tkazganligi to’g’risidagi guvohnoma. №DGU 04123. 16.12.2016y.
12. Zainalabedin Navabi, Digital System Test and Testable Design: Using HDL Models and Architectures, Springer, 2011