Файл: Торгашев В.А. Система остаточных классов и надежность ЦВМ.pdf

став этой схемы входят уже рассмотренные ранее универсальная таблица УТ (рис. 3.4), обеспечивающая выполнение модульных операций сложения, вычитания и умножения в прямых кодах, а также таблицы ТІ п Т2, преобразующие остатки из дополнитель­ ного кода в прямой и обратно. Коммутационная схема КС в за­ висимости от приходящих на нее управляющих сигналов обеспе­ чивает ввод в рассматриваемый блок либо остатков, соответствую­

выполнении немодульиых операций). Дешифратор ДШ формирует

(УУ) для определения знака числа п установления факта пере­

сов жестко определяются при проектировании ЦВМ, т. е. заранее фиксируются информационные модули, объем аппаратуры, входящей в состав АУ, для отдельных оснований СОК можно уменьшить. Так, для информационных модулей дешифратор ДШ вырождается в схе­ му «И», выделяющую нулевое значение остатков. Для некоторых мо­ дулей можно упростить коммутационную схему (КС), учитывая тот факт, что от части оснований в процессе выполнения немодульиых операций символы не поступают. Однако подобная относительно небольшая экономия оборудования лишает систему остаточных клас­ сов одного из наиболее важных ее свойств — возможности обмен­ ных операций между точностью, быстродействием и надежностью. Поэтому целесообразнее сохранить одинаковую структуру АУ для всех оснований СОК, что, кстати, имеет смысл и с точки зрения уни­ фикации производства ЦВМ.

Изменение соотношения между числом информационных и конт­ рольных модулей, переход к вычислениям в сокращенных СОК, из­ менение порядка следования оснований системы при вычислении по­ зиционных характеристик пли расширении системы оснований осу­ ществляются исключительно при помощи сигналов управления, по­ ступающих на вход коммутационной схемы. Как будет показано ниже (при рассмотрении устройства управления), для формирования этих сигналов можно использовать специальные управляющие слова, хранящиеся в ЗУ. Кстати, константы, используемые в ходе выпол­ нения немодульных операций, тоже хранятся в запоминающем уст­ ройстве. В этом случае любое изменение характеристики арифмети­ ческого устройства можно осуществить чисто программными спосо­ бами, изменяя управляющие слова и соответствующие константы.

3.4. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА И ДЕШИФРАТОРЫ

Как отмечалось ранее, в состав управляющих ЦВМ обычно вхо­ дят ПЗУ, в котором хранится программа и некоторые константы, и ОЗУ, предназначенные в основном для храпения числовой инфор­ мации. Кроме того, устройство управления также можно рассмат­ ривать как своеобразное ПЗУ, в ячейках которого хранятся управ-

93

лающие сигналы, а роль адресов выполняют коды операций и мик­ роопераций.

В каждом из этих устройств можно выделить две основные час­ ти: ч и с л о в у ю и а д р е с н у ю . К числовой части относятся непосредственно накопители, усилители записи и считывания, выход­ ные и входные регистры, т. е. вся аппаратура, обеспечивающая хра­ нение и передачу чисел (команд или управляющих сигналов). К. ад­ ресной части ЗУ относятся дешифраторы адреса вместе с соответ­ ствующими регистрами.

Если все числа, записанные в ОЗУ, представлены в избыточной СОК, то ошибки, возникающие в процессе записи, хранения или счи­ тывания чисел из ОЗУ, могут быть исправлены в арифметическом устройстве с помощью изложенных в предыдущей главе методов. Ошибки, возникающие в числовой части ПЗУ, искажают либо коды адресов, либо коды операций в командах и, следовательно, могут быть исправлены при помощи тех средств, которые обеспечивают защиту адресных частей ОЗУ и УУ. Что касается устройства уп­ равления, то всю его аппаратуру можно распределить по соответст­ вующим адресным и числовым трактам. Тогда ошибки, возникающие в УУ, обнаруживаются и исправляются при коррекции соответству­ ющих чисел или адресов.

Для контроля и коррекции ошибок, возникающих в адресных трактах, используются избыточные дешифраторы адреса'. Лучше все­ го для этой цели подходят дешифраторы, выполненные на порого­ вых элементах, например на магнитных ключах.

Предположим, что дешифраторы строятся по двухступенчатой схеме. Элементы первой ступени обеспечивают преобразование остат­ ков 0|, ..., соответствующих основаниям системы остаточных классов, рI, .... рт из двоичной формы в унитарную. Окончательная расшифровка адреса осуществляется при помощи /«-входовых поро­ говых элементов второй ступени.

Как известно, выходной сигнал простейшего порогового элемен­ та равен нулю, если сумма входных двоичных сигналов хі, .... х,„ меньше порога Ѳ, и единице в обратном случае *. Таким образом, при 0 = /« пороговый элемент реализует логическую операцию И.

Если число элементов последней ступени дешифратора N равно числу возможных комбинаций остатков, поступающих на вход де­

меньшее число ненулевых входных сигналов.

Предположим теперь, что система остаточных классов образует корректирующий R-код с минимальным расстоянием сі, причем каж­ дому сигналу на выходе дешифратора можно сопоставить некоторое кодовое слово {Л}м . Тогда нетрудно убедиться в том, что при пода­ че на вход дешифратора слова {Л},ѵ на элемент ПЭ (Л) по-прежне­ му поступает т единичных сигналов, в то время как па любой дру­ гой элемент поступит не более т—d единиц. Если в результате воз­ действия ошибок изменяются значения t различных остатков числа

* В более общем случае суммируются значения входных сигна­ лов, умноженных на некоторые весовые коэффициенты.

94

Й Ь ь то количество единичных сигналов на входе элемента ГІЭ (/1) уменьшится до т—t.

Поэтому при d = 2/е+1, установив значение порога для всех эле­ ментов равным т— А, можно обеспечить правильную работу деши­ фратора, если число ошибок в коде адреса не превышает величины к. Подобный способ коррекции ошибок позволяет очень эффективно, без дополнительных затрат времени, бороться со случайными сбоя­ ми. Если же ошибки носят постоянный характер, т. е. вызваны от­ казами элементов, то применение данного способа не позволяет пол­ ностью использовать корректирующие возможности СОК. Кроме то­ го, во многих системах желательно не только исправлять ошибки, но и своевременно обнаруживать и локализовать их, для того чтобы иметь возможность быстро устранять возникшую неисправность и восстанавливать исходную надежность ЦВМ.

Всвязи с этим рассмотрим еще один метод коррекции ошибок

вдешифраторах, связанный с использованием обнаруживающих воз­ можностей R-кодов. Метод этот удобен еще н потому, что при его использовании для построения выходной ступени дешифратора мож­ но применять не только пороговые, но и любые другие элементы, реализующие логическую операцию «И».

По-прежнему будем считать, что дешифратор является двух­

входных сигналов, поступающих на вход любого элемента второй ступени, меньше т, так как пришедшему вектору по условию не соответствует ни один из элементов второй ступени дешифратора. Тот факт, что ии на одном из выходов дешифратора не появляется сигнал «1», может быть использован для обнаружения ошибок.

Локализацию ошибок будем осуществлять с помощью поочеред­ ного исключения из СОК различных оснований и их комбинаций. Практически для исключения из СОК основания р; достаточно на входы всех элементов второй (или первой) ступени, связанных с этим основанием, подать единичные сигналы. Если при исключении некоторой группы из А или меньшего числа оснований на одном из выходов дешифратора появится единичный сигнал, то можно счи­ тать, что ошибки локализованы именно в этих основаниях и полу­ ченный выходной сигнал дешифратора соответствует правильному значению, поступившему на его вход кода адреса.

Интересно отметить, что при появлении ошибки не происходит обращения ни к одной ячейке запоминающего устройства. Поэтому, например, в ОЗУ не возникают необратимые потери информации изза неправильной записи или считывания чисел.

Ошибки в различных основаниях СОК, как правило, являются независимыми, т. е. вероятность одновременного искажения двух или большего числа символов в коде адреса' пренебрежимо мала. Поэто­ му можно считать, что ошибки обычно носят одиночный характер и для их коррекции требуется не более чем т тактов.

Для поочередного отключения модулей достаточно использовать счетчик, имеющий не менее m-j-1 состояний, и дешифратор, с выхо­ да которого снимаются сигналы отключения. Счетчик начинает рабо-

95

тать при появлении сигнала ошибки и устанавливается в начальное состояние как только па выходе дешифратора адреса появляется правильный сигнал. Для того чтобы отказ данного счетчика не мог привести к выходу из строя схемы коррекции ошибок, достаточно поставить независимые счетчики для каждого из основании СОК.

Если ошибка носит постоянный характер, то модуль, которому она соответствует, не должен вновь подключаться к дешифратору адреса. Для того чтобы отличать ошибки, вызванные сбоями, от оши­ бок, обусловленных отказами, в состав адресного тракта включается схема, содержащая счетчик ошибок и триггер, обеспечивающий ис­ ключение из СОК соответствующего основания. К содержимому счетчика ошибок прибавляется единица всякий раз, когда при от­ ключении данного модуля происходит коррекция ошибок в дешифра­ торе адреса. Если число, записанное в счетчике ошибок, достмгаеі некоторой наперед заданной величины К. то указанный выше триг­ гер перейдет в состояние «1» и отключит от дешифратора соответ­ ствующий адресный тракт. Возврат этого триггера в исходное состо­ яние может быть осуществлен специальным внешним сигналом пос­ ле устранения причин, вызывающих ошибки.

Рассмотренные выше способы защиты дешифраторов позволяют устранять ошибки, вызванные отказами в любых частях адресных трактов, кроме выходных элементов дешифраторов, так как коррек­ тирующие сигналы поступают на входы этих элементов. Правда, если в последней ступени дешифратора используются магнитные ключи, то отказ элемента может произойти только в случае обрыва выходной обмотки или обмотки смещения этого элемента. При хо­ рошо отработанной технологии производства ЗУ такое событие до­ статочно маловероятно. Поэтому простое дублирование или, в край­ нем случае, утроение обмоток позволяют полностью исключить воз­ можность отказов подобного рода.

В тех случаях, когда дешифраторы построены на полупровод­ никовых элементах (что характерно для современных полупровод­ никовых ОЗУ и ПЗУ в интегральном исполнении), то желательно иметь независимые дешифраторы для каждого из оснований СОК, соответствующей числам, хранящимся в ЗУ. Тогда неустранимая ошибка в дешифраторе адреса в худшем случае приведет к иска­

в АУ или же в дешифраторах других ЗУ..

Кстати, в полупроводниковых ЗУ очень редко используются де­ шифраторы, обеспечивающие считывание (или запись) слов, длины которых равны длине разрядной сетки ЦВМ. Чаще всего из-за огра­ ничений, налагаемых на нагрузочные способности и быстродействие элементов, а также па рассеиваемые ими мощности, приходится де­ лить запоминающее устройство на несколько независимых частей, обеспечивающих хранение относительно коротких слов (длиной от одного до восьми разрядов).

Применение системы остаточных классов позволяет использовать эту независимость отдельных частей подобных ЗУ для повышения надежности запоминающих устройств.

Рассмотрим теперь структуру схемы обнаружения ошибок. На выходе этой схемы должен появляться сигнал ошибки, если при об­ ращении к дешифратору ни на одном из его выходов не появляется

96

единичным сигнал. Поэтому данная схема соответствует УѴ-входово- му логическому элементу «ИЛИ-НЕ».

В тех случаях, когда запоминающее устройство состоит из не­ скольких независимых числовых трактов *, каждому тракту соответ­ ствует своя схема обнаружения ошибок. В то же время на входы схем коррекции должен подаваться единый сигнал ошибки, причем желательно, чтобы отказ одной или нескольких схем обнаружения ошибок не отражался на работе схем коррекции. В этих схемах воз­ можны два типа отказов элементов: либо схема не формирует сиг­ нала ошибки при нулевых сигналах на выходах дешифратора, либо эта схема вырабатывает ложный сигнал при отсутствии ошибок в дешифраторе. Однако при некоторых конкретных реализациях по­ добных схем могут появляться лишь ошибки одного нз типов. На­ пример, если выходы дешифратора подключаются к диодному эле­ менту «ИЛИ», то при нулевых входных сигналах никакие отказы внутри этого элемента не могут привести к появлению единицы на его выходе, ß дайной схеме возможно лишь появление ложного ну­ левого сигнала. Поэтому, полагая, что информация об ошибках со­ держит нулевой сигнал, подадим на вход каждой схемы коррекции сигналы от всех схем обнаружения ошибок, объединив их при помо­ щи элемента «ИЛИ». Тогда схема коррекции начнет работать лишь в том случае, если все схемы обнаружения формируют нулевые сиг­ налы ошибки. Наличие единичных сигналов на выходах только не­ которых схем свидетельствует о том, что хотя остальные схемы об­ наружения ошибок являются неисправными, однако в адресных трактах ошибки отсутствуют.

Предположим теперь, что в результате отказа, возникшего в вы­ ходной ступени одного из дешифраторов, на каком-либо из его вы­ ходов имеется постоянный единичный сигнал. Тогда в дальнейшем, при появлении ошибки в одном из адресных трактов, схемы коррек­ ции ошибок не смогут начать работу из-за наличия единицы на их входах. Однако неправильный сигнал на выходе дешифратора неиз­ бежно приведет к искажению чисел, записанных в ЗУ. Поэтому схе­ мы защиты данных числовых трактов обнаружат эту ошибку и ис­ ключат из СОК соответствующее основание. Одновременно можно отключить от схем коррекции и тот выход схемы обнаружения оши­ бок, с которого поступил неправильный единичный сигнал. Таким образом, любая ошибка, независимо от того, возникает ли она в ос­ новных цепях ЭВМ либо в схемах контроля и коррекции, не может привести к выходу из строя всего запоминающего устройства.

В тех случаях, когда в цепях обнаружения ошибок могут встре­ титься отказы обоих типов, приходится вводить еще одну ступень контроля, позволяющую обнаруживать и исправлять подобные от­ казы. Однако в этом случае схема защиты ЗУ настолько усложняет­ ся, что, по-видимому, целесообразнее разделить ЗУ на полностью не­ зависимые участки, соответствующие числовым трактам. Каждый из этих участков является законченным независимым запоминающим устройством со своими схемами контроля и коррекции ошибок. Ошибки, вызванные отказами отдельных элементов ЗУ, которые не могут быть исправлены с помощью собственных схем защиты ЗУ,

* По отношению к другим ЗУ эти тракты могут рассматривать­ ся как адресные.