SPOLEHLIVOST PROGRAMOVÉHO VYBAVENÍ PRO OBVODY VYSOKÉ INTEGRACE A OBVODY VELMI VYSOKÉ INTEGRACE

Transkript

1 VOLUME: 8 NUMBER: 1 ČERVEN SOLEHLIVOST ROGRAMOVÉHO VYBAVENÍ RO OBVODY VYSOKÉ INTEGRACE A OBVODY VELMI VYSOKÉ INTEGRACE Artm GANIYEV 1, Jan VITÁSEK 1 1 Katdra tlkomunikační tchniky, Fakulta lktrotchniky a informatiky, VŠB-TU Otrava, 17. litopadu 15, Otrava-oruba, Čká rpublika artm.ganiyv.t@vb.cz, jan.vitak@vb.cz Abtrakt. Článk zabývá zpracováním mtodiky hodnocní bzporuchovoti obvodů vyoké intgrac (LSI) a vlmi vyoké intgrac (VLSI). V článku j provdna rovnávací analýza faktorů určujících bzporuchovot intgrovaných obvodů, analýza xitujících mtodik a modlu hodnocní bzporuchové činnoti obvodů vyoké intgrac a vlmi vyoké intgrac. Stěžjní čátí článku j popi navržného algoritmu a programu pro analýzu poruchovoti obvodů vyoké intgrac a vlmi vyoké intgrac. Klíčová lova Obvod vyoké intgrac, obvod vlmi vyoké intgrac, paměťový prvk, paměťové zařízní, programové vybavní, tlkomunikační ytém. 1. Úvod V tomto článku j zpracována mtodika hodnocní bzporuchovoti paměťových obvodů vyoké intgrac a vlmi vyoké intgrac radiotchnických ytémů (RTS). Zdokonalování oučaných RTS včtně tlkomunikačních ytémů j pojno vývojm oučaných přítrojových a informačních tchnologií. Hlavními měry jjich rozvoj jou: využití čílicových tchnologií, zmnšní rozměrů, zvýšní tupně intgrac. Vývoj oučaných ytémů radiových pojů (mobilní komunikační zařízní, digitální tlviz, digitální rozhla a radionavigační ytémy atd.) byl umožněn zvýšním množtví funkcí, tupně intgrac, ložitoti. LSI a VLSI obvody jou rovněž základm všch výpočtních ytémů, ktré používají k kontrol a řízní tchnologických proců, kontrol a řízní RTS, bzporuchovot těchto ytémů závií na bzporuchové funkci LSI a VLSI obvodů. Exitují různé mtody zvyšování bzporuchovoti LSI a VLSI obvodů, avšak otázkám přítrojové a programově-přítrojové rdundanc pro zvýšní bzporuchovoti LSI a VLSI jako základní mtodě zlpšování jjich provozuchopnoti nvěnuj dotatčná pozornot. V něktrých případch rovněž nhodnotí jjich bzporuchovot při přítrojové rdundanci. Obvykl hodnotí bzporuchovot LSI a VLSI zřtlm k nnadálým poruchám a v něktrých případch zohldňuj počátk poruchy, al zpravidla nvěnuj pozornot polhlivoti programového vybavní (V), ktré j v oučaných výpočtních ytémch RTS jjich noddělitlnou oučátí. Úkol zpracování komplxní mtodiky hodnocní bzporuchovoti obvodů LSI a VLSI j proto aktuální. Cílm prác j zpracování mtodiky hodnocní bzporuchovoti obvodů LSI a VLSI zřtlm k tchnologickým poruchám a polhlivoti V a návrh programu pro jjich výpočt. K doažní tanovného cíl bylo nutné řšit náldující úkoly: provét rovnávací analýzu faktorů určujících bzporuchovot intgrovaných obvodů, provét analýzu xitujících mtodik hodnocní bzporuchovoti funkčnoti LSI a VLSI, provét analýzu mtod zvyšování bzporuchovoti LSI a VLSI a zpracovat návrhy na zvýšní jjich polhlivoti, prozkoumat varianty z hldika bzporuchovoti intgrovaných obvodů různého tupně intgrac vzhldm k přítrojové a programově-přítrojové rdundanci, provét analýzu modlů hodnocní polhlivoti V LSI a VLSI z hldika tchnologických faktorů a navrhnout odpovídající mtodiku hodnocní polhlivoti programového vybavní, zhodnotit fktivitu zpracovaných mtodik. ři řšní tanovných úkolů byly uplatněny analytické a programové mtody výzkumu na základě zpracovaných mtodik náldným zpracováním a analýzou. 1 ADVANCES IN ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING 48

2 VOLUME: 8 NUMBER: 1 ČERVEN. Tori.1 Volba modlu pro hodnocní polhlivoti programového vybavní Jak již bylo poznamnáno, hodnocní a prognotika polhlivoti programového vybavní (V) provádí na základě matmatických modlů polhlivoti programů. Na čaové přímc Obr. 1 j dol uvdno čílo poruchy programu a nahoř jou uvdny čaové intrvaly mzi jdnotlivými poruchami programu [1]. řdtavm i, ž v výchozím ča program pracuj a zachová vou funkčnot do konc čaového intrvalu t 1, kdy objví první porucha programu. t 1 t t i t 1 i-1 i Obr. 1: Momnty poruch programu v ča. rogramátor pak,,opraví program, ktrý poté pracuj právně v ča t atd. Ať j náhodný ča mzi poruchou i a (i+1) funkcí hutoty rozložní f (ti), paramtr λ i míra intnzity poruch. Čím j λi mnší, tím kvalitnější j program. J nutné zmnšit λi, tj. vztah λ i < λ i 1 pro všchna i. Rozbrm něktré matmatické modly polhlivoti V, proanalyzujm j a zvolím odtranit první makromodl. 1) Modl podl Jlinkého Morandy Njprotší modl klaického typu. Jho základm jou náldující přdpoklady [8]: 1. intnzita zjištění chyb R (t) proporcionálně průběžnému počtu chyb v programu, tj. počtu zbývajících (prvotních) chyb po odpočtu chyb odhalných,. všchny chyby jou tjně důvěryhodné a jjich odhalní vzájmně nouvií, 3. ča další poruchy j rozděln xponnciálně, 4. chyby tál korigují, aniž by byly vnny nové, 5. intnzita chyb nbo pravděpodobnoti rizika R (t)cont v intrvalu mzi dvěma oudními momnty výkytu chyb. Rovnic rizikovoti j náldující: R () t K( B ( i 1) ), (1) t libovolný bod čau mzi odhalním chyb (i-1) a i, K nznámý koficint proporcionality, B výchozí prvotní (nznámý) clkový počt chyb, ktré zůtávají v V. V ouladu těmito přdpoklady pravděpodobnot chodu programů vyjádří jako funkc čau t i. ) Šumanův modl ( ti ) R( t ) λ i i λiti. () Tnto modl liší od modlu Jlinkého-Morandy tím, ž jou čaové tapy odladění a provozování hodnocny zvlášť []. Modl počívá na náldujících přdpokladch: 1. clkový počt příkazů v programu j v trojovém jazyc tálý,. na počátku ttování počt chyb rovná určité tálé vličině a úměrně opravě chyb jjich počt klá, v průběhu ttování programu nové chyby nvznikají, 3. chyby jou již na počátku zjititlné a podl clkového počtu opravných chyb lz hodnotit zbývající, 4. intnzita poruch programu j proporcionální počtu zbývajících chyb. ři využití těchto přdpokladů zíkávám intnzitu odhalní poruch na čaovém intrvalu t (frkvnc objvní chyb): ( ) K ( ) λ t Δτ, (3) r t doba provozování ytému, K koficint proporcionality-úměrnoti, ( Δτ ) r počt zbývajících chyb v ča τ, v vztahu k clkovému počtu příkazů I, Δ τ doba ladění programu odpočítávaná od momntu počátku tavní ytému programového zajištění. bzchybného provozování: p () t xp λ ( Δτ ) dτ xp K r ( ) t t Δτ dτ. (4) okud v daném modlu frkvnc výkytu chyb pokládá za nzávilou na ča t, j pokládána za tálou a náldně j třdní doba bzporuchové funkc programu rovna: 1 1 T. (5) λ Δτ () t K ( ) r 1 ADVANCES IN ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING 49

3 VOLUME: 8 NUMBER: 1 ČERVEN Takto lz využít makromodly pro zpracování V k zhodnocní polhlivoti V modl Šumanův, vyžadující znalot zbývajících chyb a tyto lz odhalit Holtdovou mtrikou. opi a podtatu ralizac této mtriky viz dál.. Modly zpracování programového vybavní Jak bylo uvdno v kapitol.1, k zhodnocní polhlivoti V lz použít Holtdovu mtriku. odl této hypotézy clkový počt určovaných chyb B (přdávaných uživatli) v programu určuj podl ložitoti jjího tavní a tnto program lz charaktrizovat jako programovací činnot E nbo podl vlikoti programu V [4], [6]: B CE, C j koficint proporcionality. otncionální rozah programu (v bitch) [7]: ( n + ) log ( n ) V, (6) + n * minimální počt různých oprandů, ktré přtavuj obyčjně počt volných vtupních a výtupních paramtrů. Hodnota n můž být určna jště v tádiu tchnického zadání zpracování V. [7]: V takovém případě j vlikot programu V rovna ( ) γ V V, (7) γ úrovň jazyka programování (mtrika). ro jazyk na úrovni trojového kódu γ.88, pro jazyk programování L1 γ 1.53, pro anglický jazyk (jazyk vyšší úrovně) γ.16. rogramovací činnot lz vyjádřit náldovně [7]: L V V úrovně j E 3 [7]. 3 ( V ) V L E V V γ, (8) úrovň programu. ro jazyk vlmi vyoké očt chyb v programu lz určit rovnicí [7]: ( V ) V B. (9) 3γ 3 ři použití Šumanova modlu k zhodnocní V a výrazu (9) lz určit základní kritéria polhlivoti V. Intnzita poruch V: V () t Kr ( Δτ ) KBr λ, (1) t doba činnoti programu, K koficint proporcionality, Br r ( Δτ ) počt zbývajících chyb B v čaovém okamžiku τ vztahující k clkovému počtu příkazů I, tj. B r B I, Δτ doba odladění programu odpočítávaná od momntu tavování ytému V. bzporuchové činnoti V při použití xponnciálního zákona rozdělní poruch čau výkytu chyb: ( t) xp( λ t) xp( K B t). (11) V 3. Zpracování algoritmů a programů pro hodnocní polhlivoti V paměťových zařízní 3.1 Statitický modl hodnocní polhlivoti programového vybavní V případě, ž j známa intnzita poruch LSI (VLSI), lz navrhnout a hodnotit polhlivot V podl tatitických údajů, tj. tchnických (katalogových) údajů konkrétních LIS (Z). Na základě tatitických údajů [3] uvdných v Tab. 1 3 a Obr. 3 5 (k..4.) lz navrhnout náldující matmatický modl intnzity poruch V λ V : λ V K λz λkor λ Z intnzita poruch LIS Z, 1, (1) λ kor intnzita poruch LIS Z m kódových lov; K 1 koficint proporcionality. Uvdm konkrétní algoritmy a programy komplxního zhodnocní polhlivoti LIS (VLIS) a V pro daný modl zřtlm k podmínkám provozování. 3. Zpracování programu zhodnocní polhlivoti LIS (VLIS) paměťové zařízní a programového vybavní z hldika podmínk provozování Na Obr. j uvdn algoritmu programu hodnocní polhlivoti LIS (VLIS), paměťového zařízní (Z) a programového vybavní (V) z hldika podmínk k provozování. rogram pracuj náldovně: 1. výpočt hodnot paramtrů provozování pro normální ržim funkčnoti VLIS paměťových zařízní, r 1 ADVANCES IN ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING 5

4 VOLUME: 8 NUMBER: 1 ČERVEN. na monitoru vytoupí výldky výpočtů a grafikonu záviloti (t), 3. probíhá volba paramtru provozování a dfinic jho významu, 4. proběhn změna zvolného paramtru, 5. vypočítávají hodnoty intnzity poruchy LIS (VLIS) Z pro zvolnou hodnotu paramtru, 6. výldky výpočtů vytupují na monitoru, 7. v případě nutnoti probíhá výtup grafikonu záviloti (t) na monitoru, 8. jtli j xprimnt ukončn, vytoupí z daného bloku programu. : 1 π T výraz zhodnocní pro průměrnou λn N dobu vyhldávání matic LIS Z a v tavu provozování, λ intnzita poruch paměťového prvku mikrochémat ( ), n délka lova při použití korigovaní, N počt lov v paměťovém zařízní, n i délka kódového lova bz korigovaní, T1 1 ( λ Nn i ) průměrná doba vyhldaní matic LIS Z bz korigovaní v tavu provozovaní. ři zpracování programu byly požity náldující výchozí údaj (data): 1. použij LIS Z,. použij Hmmingův kód. ro LIS Z diponuj náldujícími tchnickými daty [5]: λ - intnzita poruch paměťových prvku () mikrochémat, λ 1, , n - délka lova při použití korigovaní, n 15, N - počt lov v Z, N 6144, n i - délka kódového lova bz korigovaní, n 8, T1 1 ( λ Nn i ) průměrná doba vyhldaní matic LIS Z bz v tavu provozovaní. i Obr. : Algoritmu programu hodnocní polhlivoti provozování LIS (VLIS) Z a V z hldika podmínk provozování. V ouladu uvdným algoritmm byl vypracován program v programovacím jazyc Turbo acal (vrz 7.) umožňující ldovat vliv provozních faktorů na polhlivot LIS (VLIS) Z a V. rogram umožňuj změnit ty paramtry, jimiž jou např. napětí kritického náboj U kn, napětí napájní U n a tplotu okolního protřdí T. rogram umožňuj ldovat vliv oučaně jn jdnoho faktoru. ři výpočtch používá vztah: T T 1 ni ni π N 1.5 N, (13) n n Normální podmínky pro provozování daného LIS Z jou U kn,5 V, U n 5 V ± 5 %, T C [5]. rogram umožňuj provádět výzkum vlivu změny těchto paramtrů na polhlivot LIS Z a V. U kn mění od 1, V do,4 V; U n od 4,5 V do 5,5 V; T od 18,5 C do 44,5 C. ro výš uvdná data zíkávám náldující hodnoty průměrného čau matic LIS Z bz v provozuchopném tavu: T hodin, T hodin, T /T 1 34,. Zíkané údaj umožňují vyvodit, jak použití Hmmingova kódu zvyšuj průměrnou dobu (ča) vyhldávání matic LIS Z v provozuchopném tavu 34, krát. Určím základní charaktritiky vlikoti polhlivoti LIS Z. Intnzita poruch matic Z: λ m 1 T. ro Z bz chyb: 1 ADVANCES IN ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING 51

5 VOLUME: 8 NUMBER: 1 ČERVEN 4 λ m1 1 T (), a m chyb: 7 λ 1 T (). m oté přdtavuj pravděpodobnot provozování λt 1 () t bz chyb za 4, 1 a 1 hodin: 1 1 3,631 ( ) ( 4) 4 4 3,631 ( 1) ( 4 ) 3,631 ( 1) ( 4 ) 1 ro Z a chyb: ( ) ( 7) ( 1) ( 7 ) 6.91 ( 1) ( 7 ) 1,99, 1,716,,9999, 1 1,383.,9991,,995. Zíkané výldky ukazují, ž použití Hmmingova kódu umožňuj značně zvýšit polhlivot uchovaných informací, v daném případě programového vybavní. Výldky výpočtů intnzity poruch Z jou uvdny v Tab. 1 a na Obr. 3 grafikon záviloti (t) pro normální podmínky (U kn,5 V, U n 5 V, T C). V Tab. j uvdn výpočt intnzity poruch Z a na Obr. 4 grafikon záviloti (t) při U kn,5 V, U n 5 V, T 3,5 C. V Tab. 3 j uvdn výpočt intnzity poruch Z a na Obr. 5 grafikon záviloti (t) při U kn,5 V, U n 5 V, T 44,5 C. Tab.1: Výpočt intnzity poruch Z, U kn,5 V, U n 5 V, T C. Ukazatlé polhlivoti Z růměrná doba vyhldávání v provozuchopném tavu, hod Intnzita poruch RAM, provozování za 4 hod provozování za 1 hodin rovozování za 1 hod Intnzita poruch V, Vztah čaů, m/bz Bz S m , , ,99,99998,7161,9995,389,9951 3,531E-4 34, ro nadnou rovnatlnot pravděpodobnotí provozování v různých podmínkách při použití kódu i bz něho utváří program grafikon záviloti pravděpodobnoti provozování na ča (t) (Obr. 3). Obr. 3: Grafikon záviloti (t) pro normální podmínky (U kn,5 V, U n 5 V, T C). Tab.: Výpočt intnzity poruch Z, U kn,5 V, U n 5 V, T C. Ukazatlé polhlivoti Bz S Z m růměrný ča výkytu v provozuchopném tavu v hod Intnzita poruch RAM 9, , ,97684,99993 provozování za 4 hod,3766,99715 rovozování za 1 hodin rovozování za 1 hodin,97187 Intnzita poruch V, 9, Vztah čaů, m/bz 34,3 Obr. 4: Grafikon záviloti (t) pro normální podmínky (U kn,5 V, U n 5 V, T 3,5 C). Tab.3: Výpočt intnzity poruch Z, U kn,5 V, U n 5 V, T C. Ukazatlé polhlivoti Z růměrný ča výkytu v provozuchopném tavu v hod Intnzita poruch RAM Bz S m , , ADVANCES IN ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING 5

6 VOLUME: 8 NUMBER: 1 ČERVEN,8781,99945 provozování za 4 hod,38,9775 rovozování za 1 hodin rovozování za 1,79443 hodin Intnzita poruch V, 7, Vztah čaů, m/bz 34,1 případy m i bz něj a bylo zjištěno, ž: použití kódu zvyšuj bzporuchovot komplxu LIS (VLIS) programového vybavní; použití Hammingova kódu v ržimu umožňuj zvýšit ča (průměrnou dobu) provozuchopného tavu komplxu LIS (VLIS) V až 34 krát. oděkování Děkuji panu prof. Ing. Divišovi, CSc. a Ing. Tařovi za účinnou a odbornou pomoc a další cnné rady. řípěvk vznikl za aktivní podpory SGS S/1185 a GA 1/9/55. Obr. 5: Grafikon záviloti (t) pro normální podmínky (U kn,5 V, U n 5 V, T 44,5 C). 4. Závěr Na základě provdných výzkumů lz tanovit: 1. Analýza xitujících mtod kontroly LIS a VLIS ukázala, ž njfktivnější j funkčně-paramtrická mtoda kontroly kombinující chémata attací a takto lz njúčinněji doáhnout zvýšní bzporuchovoti a polhlivoti zíkávaných informací.. Byly prověřny a navržny modly umožňující hodnotit clkovou bzporuchovot LIS a VLIS při různých kombinacích zákonů klaifikac poruch vznikajících v LIS a VLIS. 3. Byl navržn modl umožňující určit pravděpodobnot oučaného vzniku poruch v výpočtním ytému vtavěným kontrolním ytémm. 4. Byla navržna mtodika hodnocní konomického přínou zpracované mtodiky diagnotikování LIS podl ttovacího programu. 5. Bylo uvdno, ž pro tchnologii makromodlového zpracování programového vybavní j Šumanův modl hodnocní polhlivoti programového vybavní njfktivnější. 6. Bylo uvdno hodnocní polhlivoti programového vybavní pro LIS (VLIS) pro oužitá litratura [1] ZEBEME, M. A. Efktivnot razrabotki intrumntalnych rdtv dla tlkommunikacionnogo programmnogo obpčnia. Elktrovaz,. No [] KALABEKOV, B. A. Cifrovi utrojtva a mikroprocorni ytmy: - M. Goračaja linia Tlkom,. 336.: il. [3] DERUGIN, A. A.; CIRKIN, V. V.; KRASOVSKIJ, V. E.; od rd. GORDONOVA, A. U.; DERUGINA, A. A. M. rimnni intgrálních mikrochémat paměti: Spravočnik: Radio a vaz, : il. [4] ABDULAEV, D. A. otoki izmritlnoj informaci v ytmach potojannoj čatotoj oproa. Izvtia Akadmii nauk USSR. Sria tchničkych nauk. No. 1., [5] LEBEDEV, O. N. Mikrochmy pamti a ich primnni. M. Radio a vaz, (Maovaja radiobibliotka; Vyp. 115). [6] KEJDŽAN, G. A. rognozirovani nadžnoti mikrolktronnoj apparatury na baz LIS. M. Radio a vaz, [7] IYUDU, K. A. Nadžnot, kontrol a diagnotika vyčílitlných mašin a ytém [8] HLAVIČKA, J.: Diagnotika a polhlivot, kripta ČVUT raha, ISBN O autorch Artm GANIYEV narodil v Taškntu. Titul Ing. zíkal na fakultě Elktrotchniky a komunikačních tchnologií v Otravě tudim oboru Elktronika a dělovací tchnika v roc 9. Jho výzkumné aktivity zahrnují optimalizac přnou dat v přítupových širokopámových ítích. Jan VITÁSEK narodil v Opavě. Titul Ing. zíkal na fakultě Elktrotchniky a komunikačních tchnologií v Brně tudim oboru Elktronika a dělovací tchnika v roc 9. Jho výzkumné aktivity zahrnují šířní a zpracování optických ignálů. 1 ADVANCES IN ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING 53