Spolehlivost programového vybavení pro obvody vysoké integrace a obvody velmi vysoké integrace

Transkript

1 48 INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AND SERVICES, VOL. 8, NO., JUNE 0 Spolhlivost programového vybavní pro obvody vysoké intgrac a obvody vlmi vysoké intgrac Artm GANIYEV.1, Jan VITÁSEK 1 1 Katdra tlkomunikační tchniky, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava-oruba, Čská rpublika artm.ganiyv.st@vsb.cz, jan.vitask@vsb.cz Abstrakt. Článk s zabývá zpracováním mtodiky hodnocní bzporuchovosti obvodů vysoké intgrac (LSI) a vlmi vysoké intgrac (VLSI). V článku j provdna srovnávací analýza faktorů určujících bzporuchovost intgrovaných obvodů, analýza xistujících mtodik a modlu hodnocní bzporuchové činnosti obvodů vysoké intgrac a vlmi vysoké intgrac. Stěžjní částí článku j popis navržného algoritmu a programu pro analýzu poruchovosti obvodů vysoké intgrac a vlmi vysoké intgrac. Klíčová slova Obvod vysoké intgrac, obvod vlmi vysoké intgrac, paměťový prvk, paměťové zařízní, programové vybavní, tlkomunikační systém. 1. Úvod V tomto článku j zpracována mtodika hodnocní bzporuchovosti paměťových obvodů vysoké intgrac a vlmi vysoké intgrac radiotchnických systémů (RTS). Zdokonalování současných RTS včtně tlkomunikačních systémů j spojno s vývojm současných přístrojových a informačních tchnologií. Hlavními směry jjich rozvoj jsou: využití číslicových tchnologií, zmnšní rozměrů, zvýšní stupně intgrac. Vývoj současných systémů radiových spojů (mobilní komunikační zařízní, digitální tlviz, digitální rozhlas a radionavigační systémy atd.) byl umožněn zvýšním množství funkcí, stupně intgrac, složitosti. LSI a VLSI obvody jsou rovněž základm všch výpočtních systémů, ktré s používají k kontrol a řízní tchnologických procsů, kontrol a řízní RTS, kd bzporuchovost těchto systémů závisí na bzporuchové funkci LSI a VLSI obvodů. Existují různé mtody zvyšování bzporuchovosti LSI a VLSI obvodů, avšak otázkám přístrojové a programověpřístrojové rdundanc pro zvýšní bzporuchovosti LSI a VLSI jako základní mtodě zlpšování jjich provozuschopnosti s nvěnuj dostatčná pozornost. V něktrých případch s rovněž nhodnotí jjich bzporuchovost při přístrojové rdundanci. Obvykl s hodnotí bzporuchovost LSI a VLSI s zřtlm k nnadálým poruchám a v něktrých případch s zohldňuj počátk poruchy, al zpravidla s nvěnuj pozornost spolhlivosti programového vybavní (V), ktré j v současných výpočtních systémch RTS jjich noddělitlnou součástí. Úkol zpracování komplxní mtodiky hodnocní bzporuchovosti obvodů LSI a VLSI j proto aktuální. Cílm prác j zpracování mtodiky hodnocní bzporuchovosti obvodů LSI a VLSI s zřtlm k tchnologickým poruchám a spolhlivosti V a návrh programu pro jjich výpočt. K dosažní stanovného cíl bylo nutné řšit násldující úkoly: - provést srovnávací analýzu faktorů určujících bzporuchovost intgrovaných obvodů, - provést analýzu xistujících mtodik hodnocní bzporuchovosti funkčnosti LSI a VLSI, - provést analýzu mtod zvyšování bzporuchovosti LSI a VLSI a zpracovat návrhy na zvýšní jjich spolhlivosti, - prozkoumat varianty z hldiska bzporuchovosti intgrovaných obvodů různého stupně intgrac vzhldm k přístrojové a programově-přístrojové rdundanci, - provést analýzu modlů hodnocní spolhlivosti V LSI a VLSI z hldiska tchnologických faktorů a navrhnout odpovídající mtodiku hodnocní spolhlivosti programového vybavní, - zhodnotit fktivitu zpracovaných mtodik. ři řšní stanovných úkolů byly uplatněny analytické a programové mtody výzkumu na základě zpracovaných mtodik s násldným zpracováním a analýzou.. Tori.1 Volba modlu pro hodnocní spolhlivosti programového vybavní

2 INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AND SERVICES, VOL. 8, NO., JUNE 0 49 Jak již bylo poznamnáno, hodnocní a prognostika spolhlivosti programového vybavní (V) s provádí na základě matmatických modlů spolhlivosti programů. Na časové přímc obr. 1 j dol uvdno číslo poruchy programu a nahoř jsou uvdny časové intrvaly mzi jdnotlivými poruchami programu [1]. řdstavm si, ž v výchozím čas program pracuj a zachová svou funkčnost do konc časového intrvalu t 1, kdy s objví první porucha programu. t 1 t t i t 0 1 i-1 i Obr. 1. Momnty poruch programu v čas rogramátor pak,,opraví program, ktrý poté pracuj správně v čas t atd. Ať j náhodný čas mzi poruchou i a (i+1) funkcí hustoty rozložní f (ti), kd paramtr l i - míra intnzity poruch. Čím j li mnší, tím kvalitnější j program. J nutné zmnšit li, tj. vztah l i < l i-1 pro všchna i. Rozbrm něktré matmatické modly spolhlivosti V, proanalyzujm j a zvolím odstranit první makromodl. Modl podl Jlinského Morandy. Njprostší modl klasického typu. Jho základm jsou násldující 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 jsou stjně důvěryhodné a jjich odhalní vzájmně nsouvisí; 3) čas další poruchy j rozděln xponnciálně; 4) chyby s stál korigují, aniž by byly vnsny nové; 5) intnzita chyb nbo pravděpodobnosti rizika R (t)const v intrvalu mzi dvěma sousdními momnty výskytu chyb. Rovnic rizikovosti j násldující: R ( t) K( B - ( i -1)), (1) kd t libovolný bod času mzi odhalním chyb (i-1) a i; K nznámý koficint proporcionality; B výchozí prvotní (nznámý) clkový počt chyb, ktré zůstávají v V. V souladu s těmito přdpoklady s pravděpodobnost bzporuchového chodu programů vyjádří jako funkc času t i. -l ( ) it i, t i () kd li R( t i ). Šumanův modl. Tnto modl s liší od modlu Jlinského-Morandy tím, ž jsou časové tapy odladění a provozování hodnocny zvlášť []. Modl spočívá na násldujících přdpokladch: 1) clkový počt příkazů v programu j v strojovém jazyc stálý; ) na počátku tstování s počt chyb rovná určité stálé vličině a úměrně opravě chyb jjich počt klsá, v průběhu tstování programu nové chyby nvznikají; 3) chyby jsou již na počátku zjistitlné a podl clkového počtu opravných chyb lz hodnotit zbývající; 4) intnzita poruch programu j proporcionální počtu zbývajících chyb. ři využití těchto přdpokladů získávám intnzitu odhalní poruch na časovém intrvalu t (frkvnc objvní chyb): ls ( t ) Ksr ( Dt ), (3) kd t doba provozování systému; K s koficint proporcionality-úměrnosti; r ( Dt ) počt zbývajících chyb v čas t, v vztahu k clkovému počtu příkazů I; D t doba ladění programu odpočítávaná od momntu počátku sstavní systému programového zajištění. ravděpodobnost bzchybného provozování: é t ù é t () xp ( ) xp ( ). 0 0 ú ú ù p t ê- ò l s Dt dt ú ê- ò Ksr Dt dt (4) êë úû êë û okud s v daném modlu frkvnc výskytu chyb pokládá za nzávislou na čas t, j pokládána za stálou a násldně j střdní doba bzporuchové funkc programu rovna: T l () ( Dt). s t Ks (5) r Takto lz využít makromodly pro zpracování V k zhodnocní spolhlivosti V modl Šumanův, vyžadující znalost zbývajících chyb a tyto lz odhalit Holstdovou mtrikou. opis a podstatu ralizac této mtriky viz dál.. Modly zpracování programového vybavní Jak bylo uvdno v kapitol.1, k zhodnocní spolhlivosti V lz použít Holstdovu mtriku. odl této hypotézy s clkový počt určovaných chyb B (přdávaných uživatli) v programu určuj podl složitosti jjího sstavní a tnto program lz charaktrizovat jako programovací činnost E nbo podl vlikosti programu V [4, 6]: B» CE, kd C koficint proporcionality. otncionální rozsah programu (v bitch) [7]: ( n + ) log ( n ), V + (6) kd n minimální počt různých oprandů, ktré přstavuj obyčjně počt volných vstupních a výstupních paramtrů. Hodnota n můž být určna jště v stádiu tchnického zadání zpracování V. V takovém případě j vlikost programu V rovna [7]: ( ) g, V V (7) kd g - úrovň jazyka programování (mtrika).

3 50 INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AND SERVICES, VOL. 8, NO., JUNE 0 ro jazyk na úrovni strojového kódu g 0.88, pro jazyk programování L1 g 1.53, pro anglický jazyk (jazyk vyšší úrovně) g.16. rogramovací činnost lz vyjádřit násldovně [7]: 3 ( V ) V L, E V V g (8) kd L V V - úrovň programu. ro jazyk vlmi vysoké úrovně j E 3000 [7]. očt chyb v programu lz určit rovnicí [7]: ( V ) V. B (9) 3000g 3000 ři použití Šumanova modlu k zhodnocní V a výrazu (9) lz určit základní kritéria spolhlivosti V. Intnzita poruch V: ( t ) K ( Dt ) K B, l V s r s r () kd: t doba činnosti programu; K s koficint proporcionality; Br r ( Dt )- počt zbývajících chyb B v časovém okamžiku t vztahující s k clkovému počtu příkazů I, tj. B r B I ; Dt - doba odladění programu odpočítávaná od momntu sstavování systému V. ravděpodobnost bzporuchové činnosti V při použití xponnciálního zákona rozdělní poruch času výskytu chyb: t xp - l t xp K B t (11) ( ) ( ) ( ). V - s r zařízní a programového vybavní z hldiska podmínk provozování. Na obr. j uvdn algoritmus programu hodnocní spolhlivosti LIS (VLIS), paměťového zařízní (Z) a programového vybavní (V) z hldiska podmínk k provozování. rogram pracuj násldovně: 1. Výpočt hodnot paramtrů provozování pro normální ržim funkčnosti VLIS paměťových zařízní.. Na monitoru vystoupí výsldky výpočtů a grafikonu závislosti (t). 3. robíhá volba paramtru provozování a dfinic jho významu. 4. roběhn změna zvolného paramtru. 5. Vypočítávají s hodnoty intnzity poruchy LIS (VLIS) Z pro zvolnou hodnotu paramtru. 6. Výsldky výpočtů vystupují na monitoru. 7. V případě nutnosti probíhá výstup grafikonu závislosti (t) na monitoru. 8. Jstli j xprimnt ukončn, vystoupí z daného bloku programu. 3. Zpracování algoritmů a programů pro hodnocní spolhlivosti V paměťových zařízní 3.1 Statistický modl hodnocní spolhlivosti programového vybavní V případě, ž j známa intnzita poruch LSI (VLSI), lz navrhnout a hodnotit spolhlivost V podl statistických údajů, tj. tchnických (katalogových) údajů konkrétních LIS (Z). Na základě statistických údajů [3] uvdných v tab. 1 3 a obr. 3 5 (k..4.) lz navrhnout násldující matmatický modl intnzity poruch V λ V : lv K1lZ - lkor, (1) kd l Z - intnzita poruch LIS Z; l - intnzita poruch LIS Z s korigováním kor kódových slov; K 1 - koficint proporcionality. Uvdm konkrétní algoritmy a programy komplxního zhodnocní spolhlivosti LIS (VLIS) a V pro daný modl s zřtlm k podmínkám provozování. 3. Zpracování programu zhodnocní spolhlivosti LIS (VLIS) paměťové Obr.. Algoritmus programu hodnocní spolhlivosti provozování LIS (VLIS) Z a V z hldiska podmínk provozování V souladu s uvdným algoritmm byl vypracován program v programovacím jazyc Turbo ascal (vrz 7.0) umožňující sldovat vliv provozních faktorů na spolhlivost LIS (VLIS) Z a V. rogram umožňuj změnit ty paramtry, jimiž jsou např. napětí kritického náboj U kn, napětí napájní U n a tplotu okolního prostřdí

4 INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AND SERVICES, VOL. 8, NO., JUNE 0 51 T. rogram umožňuj sldovat vliv současně jn jdnoho faktoru. ři výpočtch s používá vztah: T T ni ni p N 1.5, (13) n n N p kd T - výraz zhodnocní pro průměrnou l0n0 N dobu vyhldávání matic LIS Z a korigování v stavu provozování; l0 - intnzita poruch paměťového prvku mikroschémat ( /hod); n0 - délka slova při použití korigovaní; N - počt slov v paměťovém zařízní; ni - délka kódového slova bz korigovaní; T1 1 ( l0 Nn i )- průměrná doba vyhldaní matic LIS Z bz korigovaní v stavu provozovaní. ři zpracování programu byly požity násldující výchozí údaj (data): 1) použij s LIS Z; ) použij s Hmmingův kód korigování; ro LIS Z disponuj násldujícími tchnickými daty [5]: l - intnzita poruch paměťových prvku () 0 - mikroschémat, l / hod; n0 - délka slova při použití korigovaní, n 0 15 ; N - počt slov v Z, N 6144; ni - délka kódového slova bz korigovaní, n i 8; T1 1 ( l0 Nn i )- průměrná doba vyhldaní matic LIS Z bz korigování v stavu provozovaní. Normální podmínky pro provozování daného LIS Z jsou U kn.5 V, U n 5 V ± 5%, T o C [5]. rogram umožňuj provádět výzkum vlivu změny těchto paramtrů na spolhlivost LIS Z a V. U kn s 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 získávám násldující hodnoty průměrného času matic LIS Z bz korigování v provozuschopném stavu: T hodin; T 48791hodin ; T T Získané údaj umožňují vyvodit, jak použití Hmmingova kódu korigování zvyšuj průměrnou dobu (čas) vyhldávání matic LIS Z v provozuschopném stavu 34,krát. Určím základní charaktristiky vlikosti spolhlivosti LIS Z. Intnzita poruch matic Z: l m 1 T. ro Z bz korigování chyb: -4 l m1 1 T (1/hod), a s korigováním chyb: l m 1 T (1/hod). oté přdstavuj pravděpodobnost provozování -lt 1 ( t) bz korigování chyb za 4, 00 a 000 hodin: ( ) (-4) ( 00) ( ( 000) (-4 1 ro Z a korigování chyb: ( ) (-7) ( 00) ( ( 000) ( ; ; ; ; Získané výsldky ukazují, ž použití Hmmingova kódu korigování umožňuj značně zvýšit spolhlivost uchovaných informací, v daném případě programového vybavní. Výsldky výpočtů intnzity poruch Z jsou uvdny v tab. 1 a na obr. 3 grafikon závislosti (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 závislosti (t) při U kn.5 V, U n 5 V, T 30.5 C. V tab. 3 j uvdn výpočt intnzity poruch Z a na obr. 5 grafikon závislosti (t) při U kn.5 V, U n 5 V, T 44.5 C. Tab. 1. Výpočt intnzity poruch Z při U kn.5 V, U n 5 V, T C Ukazatlé spolhlivosti Z Bz korigování S korigováním růměrná doba vyhldávání v provozuschopném stavu, hod Intnzita poruch RAM, 1/hod 3.664E E-07 ravděpodobnost bzporuchového provozování za 4 hod ravděpodobnost bzporuchového provozování za 00 hodin ravděpodobnost bzporuchového rovozování za 000 hod Intnzita poruch V, 1/hod Vztah časů, s korigováním/bz korigování E ro snadnou srovnatlnost pravděpodobností bzporuchového provozování v různých podmínkách při použití kódu korigování i bz něho utváří program grafikon závislosti pravděpodobnosti bzporuchového provozování na čas (t) (obr. 3)

5 5 INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AND SERVICES, VOL. 8, NO., JUNE 0 ravděpodobnost bzporuchového rovozování za hodin ravděpodobnost bzporuchového rovozování za 000 hodin Intnzita poruch V, 1/hod Vztah časů, s korigováním/bz korigování 0, , , ,851E-03 34,1 Obr. 3. Grafikon závislosti (t) pro normální podmínky (U kn.5 V, U n 5 V, T C) Tab.. Výpočt intnzity poruch Z při U kn.5 V, U n 5 V, T 30.5 C Ukazatlé spolhlivosti Z Bz korigování S korigováním růměrný čas výskytu v provozuschopném stavu v hod Intnzita poruch RAM 1/hod 9,765650E-04,853083E-06 ravděpodobnost bzporuchového provozování za 4 hod ravděpodobnost bzporuchového rovozování za hodin ravděpodobnost bzporuchového rovozování za 000 hodin Intnzita poruch V, 1/hod Vztah časů, s korigováním/bz korigování 0, , ,3766 0, , ,7371E-04 34,3 Obr. 4. Grafikon závislosti (t) pro normální podmínky (U kn.5 V, U n 5 V, T 30.5 C) Tab. 3. Výpočt intnzity poruch Z při U kn.5 V, U n 5 V, T 44.5 C Ukazatlé spolhlivosti Z Bz korigování S korigováním růměrný čas výskytu v provozuschopném stavu v hod Intnzita poruch RAM 1/hod 7,874015E-03,301337E-05 ravděpodobnost bzporuchového provozování za 4 hod 0,8781 0,99945 Obr. 5. Grafikon závislosti (t) pro normální podmínky (U kn.5 V, U n 5 V, T 44.5 C) 4. Závěr Na základě provdných výzkumů lz stanovit: 1. Analýza xistujících mtod kontroly LIS a VLIS ukázala, ž njfktivnější j funkčně-paramtrická mtoda kontroly kombinující schémata s atstací a takto lz njúčinněji dosáhnout zvýšní bzporuchovosti a spolhlivosti získávaných informací.. Byly prověřny a navržny modly umožňující hodnotit clkovou bzporuchovost LIS a VLIS při různých kombinacích zákonů klasifikac poruch vznikajících v LIS a VLIS. 3. Byl navržn modl umožňující určit pravděpodobnost současného vzniku poruch v výpočtním systému s vstavěným kontrolním systémm. 4. Byla navržna mtodika hodnocní konomického přínosu zpracované mtodiky diagnostikování LIS podl tstovacího programu. 5. Bylo uvdno, ž pro tchnologii makromodlového zpracování programového vybavní j Šumanův modl hodnocní spolhlivosti programového vybavní njfktivnější. 6. Bylo uvdno hodnocní spolhlivosti programového vybavní pro LIS (VLIS) pro případy s korigováním i bz něj a bylo zjištěno, ž: - použití kódu korigování zvyšuj bzporuchovost komplxu LIS (VLIS) programového vybavní; - použití Hammingova kódu v ržimu korigování umožňuj zvýšit čas (průměrnou dobu) provozuschopného stavu komplxu LIS (VLIS) V až 340krát.

6 INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AND SERVICES, VOL. 8, NO., JUNE 0 53 oděkování Děkuji panu prof. Ing. Divišovi, CSc. a Ing. Tsařovi za účinnou a odbornou pomoc a další cnné rady. říspěvk vznikl za aktivní podpory SGS S/0185 a GA /09/0550. oužitá litratura [1] Zbm M. A. Efktivnost razrabotki instrumntalnych srdstv dla tlkommunikacionnogo programmnogo obspčnia // Elktrosvaz s [] Kalabkov B. A. Cifrovi ustrojstva a mikroprocssorni systmy: - M.: Goračaja linia Tlkom, s.: il. [3] rimnni intgrálních mikroschémat paměti: Spravočnik / A. A. Drugin, V. V. Cirkin, V. E. Krasovskij; od rd. A. U. Gordonova, A. A. Drugina. M.: Radio a svaz, s.: il. [4] Abdulav D. A. otoki izmritlnoj informaci v systmach s postojannoj častotoj oprosa. Izvstia Akadmii nauk USSR. Sria tchničskych nauk , (s. 3-7). [5] Lbdv O. N. Mikroschmy pamti a ich primnni. M.: radio a svaz, s. (Massovaja radiobibliotka; Vyp. 115) [6] Kjdžan G. A. rognozirovani nadžnosti mikrolktronnoj apparatury na baz LIS. M.: Radio a svaz, [7] Iyudu K. A. Nadžnost, kontrol a diagnostika vyčíslitlných mašin a systém / Vysoká škola, - M., s [8] Hlavička J.: Diagnostika a spolhlivost, skripta ČVUT raha 1998, ISBN 80-01_ Autorský kolktiv Artm GANIYEV s narodil v Taškntě. Titul Ing. získal na fakultě Elktrotchniky a komunikačních tchnologií v Ostravě studim oboru Elktronika a sdělovací tchnika v roc 009. Jho výzkumné aktivity zahrnují optimalizac přnosu dat v přístupových širokopásmových sítích. Jan VITÁSEK s narodil v Opavě. Titul Ing. získal na fakultě Elktrotchniky a komunikačních tchnologií v Brně studim oboru Elktronika a sdělovací tchnika v roc 009. Jho výzkumné aktivity zahrnují šířní a zpracování optických signálů.