Организация ремонта ЭВМ
План лекции:
Виды ремонта
Ремонтные работы
Основные способы ремонта.
Виды ремонта
Существуют следующие виды ремонта ЭВМ:
текущий (внеплановый);
профилактический (плановый);
Необходимость текущего ремонта возникает при появлении неисправности. Профилактический ремонт производится в целях предупреждения в ЭВМ неисправностей, обусловленных постепенным изменением параметров элементов (планируется и проводится периодически).
Капитальный ремонт, характерный для других областей техники к компьютерам не применяется, т.к. моральное устаревание вычислительной техники происходит гораздо быстрее физического износа
Ремонтные работы
При устранении неисправностей ЭВМ выполняются следующие виды ремонтных работ:
обнаружение возникших в процессе эксплуатации неисправностей (процедуры диагностики);
замена неисправных модулей и блоков исправными;
ремонт и замена кабелей;
настройка и регулировка отдельных блоков и устройств;
очистка ЭВМ от пыли, грязи, промывка контактов.
Часть работ может быть выполнена силами обслуживающего персонала, часть специализированными подразделениями.
При проведении ремонтных работ необходимо соблюдать следующие меры безопасности:
Все работы по возможности должны выполняться при отключенном питании.
Не включать ЭВМ при неисправности систем защиты и питания.
Переключение разъемов производить только при выключенном напряжении.
Замену элементов и пайку производить при выключенном напряжении.
Использовать электроинструмент с заземленными корпусами и напряжением питания не выше 36В.
Измерение напряжения производить с использованием средств защиты.
Прозвонку электрических цепей не выполнять под напряжением (для прозвонки микросхем используется источник не более 1,5 В).
При выполнении ремонтных работ применяется следующее оборудование и материалы:
-паяльные станции (с контролем температуры);
-вакуумный отсос для припоя;
-слесарный и монтажный инструмент;
-оловянно-свинцовые припои (ПОС-61), флюсы.
Основные способы ремонта
Ремонт электронных устройств производится следующими способами:
Путем замены узла (устройства) на резервный. После замены вышедшего из строя устройства производится пуск ЭВМ, а вышедшее устройство ремонтируется. В зависимости от автоматизации системы переход на резервный блок производится вручную или автоматически. Чаще всего резервируется устройство памяти, как ОЗУ, так и ПЗУ.
Путем замены сменного элемента (печатная плата). В этом случае, система диагностики должна производить поиск неисправности с точностью до элемента. Персонал должен иметь комплекты сменных плат для замены вышедших из строя. Неисправная плата может ремонтироваться силами персонала или отправляться для централизованного ремонта. Этот вид ремонта является основным.
Путем замены неисправных комплектующих. Замена неисправных комплектующих производится с применением стендового контрольно-измерительного оборудования. При этом в ряде ЭВМ на каждую печатную плату существует таблица состояний, а контрольно-измерительные стенды конструируются таким образом, чтобы была возможность генерации нужной посылки. Для каждого состояния может быть найден неисправный элемент, если результат работы схемы не совпадает с таблицей.
Основные виды неисправностей печатных плат можно разделить на следующие классы:
отсутствие контактов в разъеме, соединяющем плату расширения с основной (устраняется повторным монтажом с промывкой контактов растворителем);
появление вследствие деформации плат микротрещин в печатных проводниках (появление скрытых заводских дефектов, устраняется пропайкой печатного проводника или установкой перемычки);
появление перемычки между дорожками вследствие усыхания лакового покрытия печатной платы (устраняется промывкой платы с восстановлением покрытия);
нарушение контактов в месте пайки навесных элементов (устраняется пропайкой элементов);
изменение параметров аналоговых схем, входящих в состав ЭВА;
выход из строя автономных источников электропитания установленных на плате;
выход из строя микросхем памяти, комбинационных схем.
В общем случае проявление неисправности материнской (системной) платы достаточно сложно обнаруживается и возможно только при наличии специального оборудования (например, второго, достоверно рабочего, персонального компьютера, осциллографа, мультиметров (аналогового и цифрового).
Задача упрощается в случае необходимости выполнения диагностики материнской платы серверного типа, в таких системах как правило предусмотрены достаточно интеллектуальные средства контроля с визуальной диагностикой и дополнительной защитой в цепях питания. Например, серверные системы HP Proliant ML 530 и 570 могут выполнять диагностику материнской платы, с точностью до компонента, обозначая отказавший узел (память, плата расширения, процессор, вентиляторы и т.д. соответствующей индикацией светодиода, напротив отказавшего элемента. В случае замыкания цепей питания сервера - система полностью отключает напряжение, в том числе и дежурное. Это упрощает диагностику и устранение неисправностей в системах такого класса.
Рассмотрим основные неисправности материнских (системных) плат современных персональных компьютеров.
1) Отсутствие питающего напряжения.
Проявление: Не включается БП, или включается БП, но не включается материнская плата ПК.
Методика устранения: При включении компьютера схемы блока питания (допустим, что блок питания проверенный и 100% рабочий) необходимо проверить параметры напряжений, и, если они в норме, перейти к следующему этапу диагностики.
Если напряжение не находится в допустимых пределах следует внимательно осмотреть плату на наличие перебитых, перегоревших дорожек и компонентов.
В некоторых случаях, материнские платы могут не включаться если разряжена батарея питания BIOS. (CR2032/BR2032).
2) Повреждение системы стабилизации напряжения.
Проявление: компьютер работает неустойчиво, зависает, перезагружается.
Методика проверки/устранения:
Необходимо проверить на отсутствие повреждений конденсаторы материнской платы ПК, заменить их в случае необходимости. В случае более серьёзных повреждений необходимо менять полевые транзисторы, в цепях стабилизации напряжения. Для точной диагностики может потребоваться специальное оборудование и руководство по материнской плате.
Неисправность BIOS:
А) микросхема ПЗУ;
Б) «прошивка» ПО в микросхеме ПЗУ.
Методика проверки/устранения - с помощью осциллографа, или программатора (перезаписать последнюю версию прошивки которую можно скачать с сайта производителя материнской платы).
4) Выход из строя выводов портов (LPT,COM,PS/2 и др.).
Проявление: если устройство не нужно для запуска ПК - оно перестаёт корректно работать. В противном случае - ПК не включается. Например, отказ встроенного сетевого адаптера (1-й случай, если не повреждён северный мост), повреждение ШИМ контроллера питания процессора (2-й случай, система просто не включится)
Методика устранения:
Полный анализ материнской платы с применением осциллографа и др. специализированных устройств и стендов. Возможно только в случае специально подготовленного персонала на предприятии
Лекция 13
Надежность программного обеспечения (ПО).
План лекции:
Характеристики надежности ПО
Причины и признаки появления отказов ПО
Модели надежности ПО
Характеристики надежности ПО
При анализе надежности выполнения ЭВМ заданных функций компьютер следует рассматривать как единый комплекс программных и аппаратных средств и учитывать, что его надежность зависит также от надежности программ.
Надежность программного обеспечения – это свойство сохранять заданные характеристики при определенных условиях эксплуатации. Надежность ПО определяется его безотказностью и восстанавливаемостью.
Безотказность ПО – его свойство сохранять работоспособность в процессе обработки информации, которую можно определить вероятностью работы без отказов при определенных условиях внешней среды в течение заданного периода наблюдения.
Отказ программы – это недопустимое отклонение характеристик процесса функционирования программы от требуемых. Определенные условия внешней среды – это совокупность входных данных и состояния вычислительной системы.
Заданный период наблюдения обычно соответствует необходимому числу прогонов программы для решения задачи.
Безотказность ПО можно охарактеризовать также средним временем между двумя отказами в процессе выполнения программы (при условии, что сбой аппаратных средств отсутствует). С точки зрения надежности принципиальное отличие программных средств от аппаратных состоит в том, что программы не изнашиваются и не подвержены физическому старению в процессе работы.
Поэтому характеристики надежности ПО зависят от тщательности разработки и отладки, а также от условий хранения носителей программ. Безотказность ПО определяется его корректностью, а значит целиком зависит от наличия в нем ошибок, внесенных на этапе создания и хранения, в то время как безотказность аппаратных средств зависит в основном от случайных отказов, связанных с физическими изменениями параметров элементов. Вид обрабатываемых данных не влияет на аппаратуру, но может привести к отказам ПО.
Рисунок 1
Таким образом, входные данные в значительной мере влияют на безотказность ПО. Интенсивность отказов ПО и аппаратуры можно представить сравнительными графиками во времени (рис.1). Интенсивность отказов ПО с течением времени уменьшается, так как в процессе эксплуатации обнаруживаются и устраняются его скрытые ошибки. Восстановление ПО определяется затратами времени и труда на устранение отказа из-за ошибки в программе и ее последствий.
Восстановление после отказа может заключатся в корректировке текста программы, исправлений данных, внесения изменений в организацию вычислительного процесса. Последняя мера будет нужна, например, при работе ЭВМ в реальном масштабе времени.
Восстанавливаемость программы может быть оценена сравнительной продолжительностью устранения ошибки в программе и восстановления ее работоспособности. Восстанавливаемость зависит от сложности структуры комплекса программ, от алгоритмического языка, от качества документации и т.д. Можно также говорить об устойчивости ПО, понимая под этим способность ограничивать последствия собственных ошибок и противостоять неблагоприятным условиям внешней среды. Устойчивость ПО может быть повышена с помощью разных форм структурной, информационной и временной избыточности, позволяющей иметь дублирующие модули программ, альтернативные пути для решения одной задачи, позволяющих осуществлять контроль за процессом исполнения программ (зацикливание, блокировка и т.д.).
Причины отказов ПО:
Ошибки, скрытые в самой программе.
Искажение входной информации, подлежащей обработке.
Неверные действия пользователя (могут быть связаны с некорректной документацией).
Неисправность аппаратуры, на которой реализуется вычислительный процесс (особенно при программировании).
Рассмотрим некоторые пункты более подробно.
1.Скрытые ошибки программы неизбежны при создании сложных структур ПО. Их проявление происходит при определенном сочетании входных данных. Можно выделить следующие основные классы скрытых ошибок:
Ошибки вычислений. В исходные математические выражения при программировании могут быть внесены ошибки. Также могут быть заданы неверные типы переменных, знаки операций и т.д.
Логические ошибки. Связаны с изменением алгоритма в случае внесения неверных условий перехода, изменения параметров цикла и т.д.
Ошибки ввода-вывода. Неверное форматирование данных, при котором часть данных может теряться. Часто меняют местами управляющие слова и данные.
Ошибки манипулирования данными. Обычно связаны с неверными именами переменных.
Ошибки совместимости. Отсутствие совместимости с другими программами или операционными системами.
Ошибки сопряжения. Отсутствие вызываемой подпрограммы, отсутствие загрузки регистров перед их использованием в вызываемой подпрограмме.
2.Ошибки, связанные с искажением информации могут возникать при повреждении данных на первичном носителе информации, при сбое или отказах при вводе с первоначальных носителей, при наличии шумов каналов связи, а также при ошибках пользователей при вводе исходных данных.
Последствия и признаки появления ошибок в программе.
В зависимости от степени серьезности последствий ошибок в программе, отклонения выполнения программой заданных функций можно разделить следующим образом:
Полное прекращение выполнения функций на длительное или неопределенное время.
Кратковременное прекращение хода вычислительного процесса.
Симптомы проявления ошибки в программе:
преждевременное окончание программы;
увеличение времени выполнения программы (зацикливание);
потери или искажение накопленных данных;
нарушение порядка вызова отдельных программ.
Для устранения ошибок программы необходимо предусмотреть специальные средства диагностики типа кодов завершения, вводить в ПО контрольные точки, обеспечить возможность рестарта с контрольных точек.
Аналитические модели надежности программ
Аналитические модели дают возможность исследовать закономерности появления ошибок ПО, а также прогнозировать надежность эксплуатации ПО. Модели строятся в предположении, что появление ошибок является случайным событием и имеет вероятностный характер.
Функцию надежности  можно определить как вероятность того, что ошибка появится в программе не ранее, чем через время  . Обратная величина – функция ненадежности  - вероятность того, что ошибка произойдет за время .
Из этих характеристик можно вывести величину интенсивности отказов  , которая будет определяться плотностью вероятности возникновения отказа:
Для ПО характерно ступенчатое изменение . Поэтому наиболее простая модель надежности ПО – это дискретная модель:
 - постоянная, характеризующая начальное число ошибок;
i(t) – число отказов, устраняемое в момент времени t;
 - эмпирический коэффициент, зависящий от характеристик системы.
Эти параметры можно найти на основании последовательности наблюдений интервалов между обнаружением ошибок по методу максимального правдоподобия.
Если i(t) постоянна - получим простую линейную модель.
Рассматриваемая модель является грубой. На практике условия, в которых она работает, не соблюдаются. Например, некоторые ошибки являются неустранимыми.
Модель надежности программ с дискретным увеличением времени наработки на отказ.
Строится на гипотезе, что устранение ошибки приводит к увеличению времени наработки на отказ на некоторую случайную величину.
Пусть время между отказами изменяется согласно зависимости:
T(i) = T(i-1)+ Δ T(i),
причем все значения T(i) независимы. Тогда для m-го отказа
 .
Если принять, что Т(0)≈ΔТ(0) (основанием такого предположения можно считать то, что в начале испытаний ПО отказы возникают часто), то средняя наработка между двумя отказами
 ,
а среднее время работы до m-го отказа:
 ,
где  - математическое ожидание времени между двумя отказами:
 .
Здесь Δti – время между двумя соседними отказами.
Среднеквадратичное отклонение времени между отказами
В данной модели функция надежности определяется в зависмости от числа возникших отказов m.
где Ф(х) – интеграл Лапласа.
Экспоненциальная модель надежности ПО.
Основана на предположении об экспоненциальном характере изменения числа ошибок во времени. В этой модели прогнозируется надежность программы на основе данных, полученных во время тестирования. В модели вводится суммарное время функционирования   , которое отсчитывается с момента начала тестирования до контрольного момента оценки надежности. Система дифференциальных уравнений, описывающих поведение такой системы:
Получим дифференциальное уравнение
Решением его будет число ошибок m, выявленных за время , которое определяется зависимостью:
m = M(1- exp(-Kτ)),
где К – коэффициент пропорциональности;
М – число ошибок, имевшееся перед фазой тестирования.
Пусть среднее время наработки на отказ .
Если ввести величину - начальное значение средней времени наработки на отказ, то:
 ,
Получаем, что  .
Рассмотренная модель может применяться для определения времени испытания программ с целью достижения заданного уровня надежности.
В данной модели можно учесть и ошибки, возникающие в ходе отладки ПО. Например, число ошибок, выявленных для достижения заданного уровня наработки на отказ Т02 при имеющемся уровне Т01 будет равно:
 ,
где N0=M/B,
В- коэффициент уменьшения ошибок, определяемый как отношение интенсивности уменьшения ошибок к интенсивности отказов.
Марковские модели.
Для определения надежности больших программных комплексов используются марковские модели. В марковском процессе выбор следующего модуля зависит только от модуля, выполняемого в данный момент и не зависит от предыстории. Структуру управления программой по марковской модели можно представить в виде графа (рис.2).
Каждое состояние программы может быть оценено вероятностью безотказной работы  -го модуля  . Вероятность перехода от -го модуля к  -му показана величиной  .
Вероятность отказа равна  . Таким образом можно составить матрицу переходных вероятностей:
Для каждого целого k>0 Рk(i, j) будет определять вероятность перехода из состояния i в состояние j за k шагов. Тогда матрица
Будет определять вероятность перехода и одного состояния в другое за произвольное число шагов.
Вычеркнув из матрицы P две последние строки и два последних столбца, соответствующие успеху С и отказу F, получаем матрицу Q.
Пусть  . Положив W = I – Q, имеем:
S = W-1 = (I – Q)-1, откуда надежность программного комплекса:
R = S (1,n ) Rn.
Лекция 14
Помехи в сигнальных цепях ЭВМ
План лекции:
Общие положения
Классификация помех
Основы операторного метода расчета электрических цепей
Операторные схемы замещения элементов электрических цепей
Общие положения
Надежность и долговечность работы ЭВМ в значительной мере определяется их помехоустойчивостью по отношению к внешним и внутренним случайным и регулярным помехам. От правильного решения задачи обеспечения помехоустойчивости узлов ЭВМ зависит нормальное ее функционирование в процессе эксплуатации. Особую актуальность борьба с помехами приобретает в сетях ЭВМ. Это возникает по следующим причинам:
– рост задержек сигналов в линиях связи по сравнению с задержками логических элементов, связанный с ограниченностью скорости распространения сигналов в линиях связи и переходными процессами в них;
– уменьшение энергетического уровня информационных сигналов (повышение быстродействия путем повышения частоты, снижения перепада напряжений) и увеличение энергетического уровня внешних помех вследствие повышения энерговооруженности предприятий;
– возрастание взаимовлияния сигналов из-за увеличения плотности размещения элементов, применение ЭВМ в устройствах и системах с заведомо высоким уровнем помех (заводы, бортовые системы);
– усложнение систем (увеличение числа внешних устройств, которые содержат большое количество электромеханических устройств, и длин линий связи).
Связи между устройствами ЭВМ могут осуществляться:
– «в навал», одиночными проводами обычного монтажа;
– одиночными проводами над заземленной плоскостью;
– жгутами;
– печатными проводниками;
– тонкопленочными проводниками;
– витыми парами;
– плоскими кабелями;
– радиочастотными кабелями.
В зависимости от соотношения длительности фронта передаваемого сигнала и времени распространения его по линии связи последние разделяют (для случая анализа) на электрически длинные и электрически короткие линии.
Линия считается электрически короткой, если
 ,
где t1,0 – время переключения сигнала из 1 в 0;
t0,1 – время переключения сигнала из 0 в 1;
l – длина линии связи;
vp– скорость распространения сигнала в линии связи.
На практике при отсутствии реактивных составляющих сопротивления линии связи принимают
– диэлектрическая постоянная среды;
 – скорость света, 3.00108 м/сек.
Линия связи считается электрически длинной линией, если
 или  .
ДЛС иногда определяют по соотношению длины линии к длине волны l/λ (если l/λ>0,05 – длинная линия связи). В другом случае, ДЛС считается такая линия, в которой время распространения сигнала в линиях связи намного превышает время нарастания фронта, и переходные процессы в такой линии различны в разных точках.
Граничное значение длины линии связи lkp, при конкретной длительности фронта передаваемого сигнала tфр, когда ее еще можно считать электрически короткой, оценивается из соотношения
 ,
где  – нсек,  – м;  – 0,06 м/нсек.
Таблица оценочных значений lkp, для различных типов выходных каскадов логических элементов имеет вид:
-
Схемотехника, технология
|
, нс
|
, мм
|
p МДП
|
100
|
6*103
|
k МДП, И2Л
|
20
|
1,2*103
|
n МДП
|
15
|
900
|
ТТЛ
|
10
|
600
|
ТТЛШ
|
5
|
300
|
ЭСЛ
|
2
|
120
|
Как правило, при подключении периферийных блоков к ЭВМ (принтеров, дисководов, мониторов) связи можно рассматривать как электрически длинные. Доля электрически длинных линий с ростом быстродействия увеличивается. При расчетах ЭДЛ (электрически длинные линии) описываются системами с распределенными параметрами. ЭКЛ (электрически короткие линии) – системами с сосредоточенными параметрами.
Электромагнитная помеха для вычислительного устройства – это внешнее или внутреннее электромагнитное, магнитное или электрическое явление, , приводящее к искажению дискретной информации во время ее передачи, преобразования, хранения, или способное оказать такое влияние.
Классификация помех
Помехи могут быть квалифицированны по разделяющим признакам:
По способу передачи от источника к приёмнику: пространственные и кондуктивные (приходящие через гальванически связанные цепи).
По характеру воздействия на дискретную информацию при ее передаче по линиям связи помехи делятся на:
1) задержки передачи импульсов;
2) искажения фронтов импульсов;
3) искажения формы импульсов;
4) постоянные смещения уровней напряжения питания;
5) искажения уровней передаваемых потенциалов;
6) уменьшение амплитуды передаваемых импульсов;
7) динамические нестабильности напряжения.
Причины, вызывающие задержку передачи импульсов:
– конечная скорость распространения электромагнитных волн в линиях связи;
– искажения фронтов из-за реактивности составляющих входных и выходных цепей;
– отражения в линиях связи, наводки от внешних цепей.
Причины искажения фронтов:
– реактивный характер электрически коротких линий связи;
– отражения в электрически длинных линиях связи;
– взаимные и внешние наводки.
Причины искажения уровней передаваемых потенциалов:
– взаимные и внешние наводки в сигнальных проводниках;
– погрешности источников питания.
Причины ослабления амплитуды:
– затухание сигналов в электрически длинных линиях связи;
– высокое относительное значение сопротивления в электрически коротких линиях связи.
Причины постоянного смещения уровней напряжения питания – конечность омического сопротивления шин «питание» и «земля».
Причина динамической нестабильности напряжения питания – индуктивность шин «питание» и «земля» и колебательный характер переходных процессов в цепях питания при импульсных нагрузках.
По источнику создания помехи делятся на внешние (наводки, создаваемые внешними устройствами) и внутренние (конкретные линии связи в самом устройстве).
По месту возникновения – помехи в сигнальных линиях связи и помехи в цепях питания.
По результатам воздействия на полезный сигнал различают помехи аддитивные и мультипликативные.
По времени появления различают случайные и регулярные помехи.
Основы операторного метода расчета электрических цепей
Пусть функция f(t) – однозначная, ограниченная, равная нулю при t<0 и удовлетворяющая условиям Дирихле. Тогда изображением по Лапласу называется выражение вида
 .
Отношение между оригиналом f(t ) и изображением F(p) обозначается
 .
Свойства изображений функций:
свойство линейности:
Если  ,  , … ,  , то
Теорема об изображении производной.
Если
 ,
то 
Доказательство:
 (1)
Известно, что
 .
Обозначим  ,  ,
тогда  ,  .
Следовательно, выражение (1) принимает вид:
 ,
что требовалось доказать.
Интеграл
 .
4) Если функция – константа, то
 .
Если функция равна exp(αt),
то  ;
- комплексное число.
Операторные схемы замещения элементов электрических цепей
1) Сопротивление
 , 
Схема замещения представлена на рисунке.
2) Индуктивность
Преобразование Лапласа:
3) Емкость
4) Источник ЭДС
Если e(t) – постоянная величина, равная E, то преобразование Лапласа для эквивалентного источника в операторной форме будет иметь вид E/p.
Поиск функции времени – оригинала по изображению осуществляется с помощью теоремы разложения. Для этого операторную функцию разлагают на сумму элементарных дробей, для которых заранее известны оригиналы.
Лекция 15
Искажения сигналов в линиях с сосредоточенными параметрами
План лекции
Искажения в линиях с высокой сосредоточенной емкостью
Помехи в линиях связи с большой погонной индуктивностью
Методы борьбы с искажениями в линиях с сосредоточенными параметрами
|
