Устройство для контроля микропроцессорной системы

СО 103 СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК 9) (И) 06 Р 11 2 51 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ лок анок вьще- мое перво- оминает(54) УСТРОПРОЦЕССОРН(57) Изобртельной тедля постронык системЦель изобрсти примен носится к Вычисл тение онике и едназначаетсяных вычислительлич оку слу ния надсо встр иным контролем. асширение облания я за счет можности контт заданрует ил. ния произвольноиены аппаратуры в сидержит процессор 1,онтроля прохорограммы безтеме. Система ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИПРИ ГКНТ СССР К Д ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) В.В,Васильев, Г.И.Гончаренко, В.И.Жабин, В,И.Савченко, К.Г.Само- фалов и В.В.Ткаченко(56) Авторское свидетельство СССР У 1119018, кл . С 06 Г 11/28, 1983.Авторское свидетельство СССР 9 1191912, кл. С 06 Г 11/28, 1984. СТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ МИКРОЙ СИСТЕМЫ блок 3 запоминающего устройства, б4 внешних устройств, регистр 6 комды, блок 5 выделения строба команды,блок 7 регистра контрольного блока,блок 8 формирования контрольного слова, блок 9 счетчика контрольных участков и блок 10 индикации. Блления строба команды вьщеляетмент наличия на системной шинго слова команды, который запся в регистре команды, Код командыподается на блок формирования контрольного слова и складывается с предыдущим значением контрольного слова,Результирующее контрольное слово заломинается в блоке регистра контрольного слова и может быть считано программой и проверено. Блок счетчика контрольных участков считает к ство программных обращений к б регистра контрольного слова. В чае, если к концу выполнения и граммы число обращений к блоку рольного слова не соответствуе ному, то блок индикации генер сигнал ошибки. 3 з.п. ф - лы, 7Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для построения надежных вычислительных систем со встроенным контр ол ем.Цель изобретения - расширение области применения за счет возможности контроля прохождения произвольной программы без замены аппаратуры в системе.На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2- структурная ехема блока выделения строба команды; на фиг,З - структур 1 ная схема блока регистра контрольного слова; на фиг.4 - блок формиро 1 вания контрольного слова; на фиг.5блок счетчика контрольных участков; на фиг.6 - временная диаграмма работы блока выделения строба команды; на фиг.7 - схема регистра команды и регистра контрольного слова блока регистра контрольного слова.На схеме (фиг. 1) обозначены: процессор 1, системная шина 2, блок 3 запоминающего устройства (ЗУ), блок 4 внешних устройств (ВУ), блок 5 выеления строба команды, регистр 6 оманды, блок 7 регистра контролього слова, блок 8 формирования конрольного слова, блок 9 счетчика конрольных участков, блок 10 индикации.Блок 5 выделения строба команды (фиг.2) содержит блок 11 постоянной памяти (ПЗУ), вычитающий счетчик 12, элемент И 13, элемент ИЛИ-НЕ 14, элемент 15 задержки.Блок 7.регистра контрольного сло 1 ва (фиг.З) содержит магистральный приемопередатчик 16, регистр 17 контрольного слова, селектор 18 адреса, триггер 19, первый элемент ИЛИ 20, элемент ИЛИ-НЕ 21, второй элемент ИЛИ 22, элементы И 23-25, элемент 26 задержки.Блок 8 формирования контрольного слова (фиг.4) представляет собой сумматор 27.Блок 9 счетчика контрольных участков (фиг.5) содержит вычитающий счетчик 28, первый элемент И 29, элемент ИЛИ 30, элементы И 31-33, магистральный приемопередатчик 34, селектор 35 адреса, триггер 36, элемент 37 задержки.Для того, чтобы вычислительная система работала надежно, должно быть обеспечено надежное исполнение программ. Однако в реальных условиях нормальное выполнение программыможет быть нарушено, так как возможны сбои, отказы аппаратуры и другиепричины. Поэтому важно за минимальное время обнаружить сам факт нарушения выполнения хода программ.Предлагаемое устройство осущест вляет контроль за программами, выполняемыми в данной вычислительнойсистеме. Контроль осуществляетсяпутем сложения всех кодов операций(по модулю 256) и затем программного сравнения полученного результата сзаранее рассчитанным эталоном, Вданной системе предполагается, чтовычислительная система имеет конфигурацию типа- ВОЯ, которая используется в микроЭВМ "Электроника".Данный подход предполагает наличиесовмещенного канала адреса и данных.Системная шина - это управляющие линии и совмещенные каналы адреса и 25 да нных.Устройство работает следующим образом.Блок 5 выделения строба команд выделяет момент наличия на системнойшине 2 первого слова команды, который фиксируется в регистре 6 команды. Первое слово команды вместе спредыдущим значением контрольногослова подается на входы блока 8 формирования контрольного слова. Полученный результат по сигналу, полученному из блока 5 выделения стробакоманд, записывается в регистр 17контрольного слова блока 7 контрольного слова. В любой точке программы это значение можно считать из регистра 17 контрольного слова блока 7(данный регистр программно доступен)и значение контрольного слова сравни вается программно с заранее вычисленным (эталонное значение контрольного слова может рассчитываться иливручную, или с помощью специальнойпрограммы транслятора, который добавляет в текст программы специальныекоманды, считывающие значения контрольного слова и сравнивающие это значение с эталоном).Однако в случае неправильного выполнения программы, например из-заотказа процессора 1, сравнение эталона и контрольной суммы может непроизойти, Для этого случая предусмотрен следующий механизм контполя, 516В самом начале программы в счетчик 28 контрольных участков блока 9счетчика контрольных участков заносится количество контрольных участковв программе. Под контрольным участком понимается часть программы, которая заканчивается операцией считывания контрольного слова и сравнения его с эталоном. Во время программного обращения к блоку регистраконтрольного слова формируется сигнало программном обращении к региструконтрольного слова, который передается в счетчик 28 контрольных участков блока 9, где из заданного количества обращений вычитается 1. В таком случае после нормального выполнения программы счетчик 28 блока 9должен содержать значение ."0", которое вызывает срабатывание блока индикации (например, свечение светодиода). В противном случае, например,если вышел из строя процессор 1, светодиод гореть не будет, что свидетельствует об ошибке выполнения программы.Структуры блоков 5-9 предлагаемого устройства приведены для случаяиспользования микроЭВМ "ЭлектроникаМ". При описании работы предлагаемой системы используются следующие обозначения:КСИА - сигнал синхронизации активного устройства,КСИП - сигнал синхронизации пассивного устройства,КВВОД - ввод данныхКВЫВОД - вывод данных,КВУ - вывод внешнего устройства,КСБРОС - первоначальная установка канала.В блоке 5 вьделения строба командпри включении питания в указанныхвыше микроЭВМ генерируется канальный сигнал общего сброса КСБРОС. Поэтому сигналу вычитающий счетчик 12блока 5 выделения строба командысбрасывается в "0",Первыми данными, которые появятсяна шине, будет первое слово команды,которое поступит на вход ПЗУ 11блока 5, и на выходе ПЗУ появитсякод, определяющий, сколько в даннойкоманде будет обращений к памяти.Данная операция необходима, так как впроизвольном случае невозможно отделить первое слово команды от операндов. Поэтому необходимо отслежи 05239 10 1520 2530 354050 55 вать с первой команды время появления первых слов операции на системной шине. Таким образом, по адресам соответствующим кодам первых слов команд, записаны коды, определяющие длительность команды в циклах обращения к системной шине (сколько нужно пропустить циклов, чтобы учитывать только следующее первое слово команды). Приведен пример такого соответствия: первое слово команды - код количества обращения к системному каналу (шине). Команда С.КК 1 имеет первое слово 005001 (значение кода приведено в восьмеричном значении). Так как для выполнения этой команды не нужны дополнительные обращения к памяти, а следовательно, и к системной шине, то значение, которое будет находиться по адресу 00500 1 в ПЗУ 11, будет "1".У команды СЕВИНФООО (восьмеричный код команды 005037 001100) первое слово команды 005037, Для данной команды нужно еще одно обращение к памяти, поэтому значение в соответствующей ячейке ПЗУ 11 будет "2".. После сброса в вычитающем счетчи-ке 12 будет значение "0", на выходе элемента И 13 также будет значение 0. Поэтому, начиная с первой команды, и далее в случае значения счетчика "0" и по отрицательному перепаду сигнала КВВОД появится сигнал Запись" на управляющем входе счетчика 12, По этому же сигналу код операции запишется в регистр 6 команды. В конце каждого цикла по полохмтельному перепаду канального сигнала КСЖАиз вычитающего счетчика будет вычтена 1, что обеспечит его значение "0" во время приема следующего кода операции. Первое слово команды поступит на один из групповых информационныхвходов блока 8 формирования контрольного слова, на второй вход будет подано значение, поступающее с регистра 17 контрольного слова блока 7.Блок 8 формирования контрольного слова представляет собой комбинационную схему, Поэтому сигнал, формируемый логическим элементом ИЛИ 14 блока 5, проходит через элемент 15 задержки (КС-цепочка), которая учитывает задержку, необходимую на формирование контрольного слова в блоке 8 формирования контрольного слова, и являет 1 ся стробом для записи полученного ., 160523950 значения контрольного слова в регистр 17 блока 7. Временная диаграмма сигналов, сопровождающих описанный процесс работы блока 5, приведена на фиг.б.При программном обращении к регистру 17 контрольного слова блок 7 работает следующим образом, Магистральный приемопередатчик в исходном состоянии включен на прием с системной шины 2, Таким образом, если адрес системной шины соответствует адресу регистра 17 контрольного слова, то на выходе селектора 18. адреса появится логическая единица (селектор адреса представляет собой схему сравнения кода с константой). Логический результат работы селектора адреса по сигналу КСИА записывается в триггер 19. Выход триггера 19 включается сигналом разрешения обращения к регистру. Сигнал с триггера 19 в случае операции записи (КВЫВОД) или чтения (КВВОД) через элемент 26 задержки фор- .5 мирует ответный сигнал блока 7. Величина задержки, формируемой элементом задержки, определяется требованиями к временным соотношениям. В случае программного чтения магистральный приемопередатчик 16 блока 7 переключается на направление от регистра 17 контрольного слова к системной шине 2. Это обеспечивается логическим элементом 24, выход которого подключен к управляющему входу магистрального приемопередатчика 16. Возможное исполнение регистра 17 представлено на фиг.7. Управление таким регистром обеспечивается логическими элемента ми 20, 21 и 25. В случае программного обращения к регистру 17 контрольного слова формируется сигнал о программном обращении к регистру 17 контрольного слова с помощью логическо го элемента 24. Этот логический сиг- . нал поступает на управляющий вход вычитающего счетчика 28 блока 9.Блок 9 счетчика контрольных участ" ков работает следующим образом, В начале программы в счетчике 28, который является программно-доступным, записывается значение количества контрольных участков. По сигналу, приходящему из блока 7 регистра конт 55 рольного слова (И 24), из значения кода, находящегося в вычитающем счетчике 28, вычитается 1. Таким образом в конце программы при правиль 3 йом выполнении ее значение, хранимое в счетчике должно быть равно "0". Если нет, то сигнал, формируемый на выходе элемента 29, вызовет срабатывание блока индикации (загорание светодиода), что свидетельствует о неправильной работе системы, Работа магистрального приемопередатчика 34, селектора 35 адреса, триггера 36 рассматривалась при описании блока 7. Элементы 30-33 и 37 необходимы для синхронизации работы указанных вышеэлементов.Рассмотрим ограничения, накладываемые на программирование в данной системе. Для предоставления структуры любой сложной программы можно пользоваться комбинацией трех базовых структур: "Следование", "Развилка и "Цикл", Все данные структуры имеют один вход и один выход. Суммы первых слов команд в общем случае и в различных ветвях этих структур различны. Поэтому без дополнительных мер аппаратура контроля на данных участках может зафиксировать сбой программы, которого фактически нет, Для того, чтобы этого не случилось, необходимо искусственно выравнивать суммы первых слов команды (контрольные слова) в ветвях структуры до одинакового значения перед каждый объединением ветвей. Выравнивание сумм первых слов команды может быть легко выполнено следующим образом. Перед каждой точкой объединения ветвей базовых структур вставляются дополнительные команды, которые заносят в регистр 17 контрольного слова блока 7 скорректированное значение контрольного слова. Выравнивание контрольного слова может быть выполнено одной командой. Так как суммирование первых слов команд производится по некоторому модулю, например по модулю 256, всегда можно указать число, дополняющее сумму до нужного значения. Расчет корректирующих значений может быть произведен либо программистом, либо с помощью специального траслятора, который рассчитывает корректирующее значение и вставляет необходимые дополнительные команды в программу, При использовании подпрограмм обработки прерываний можно использовать следующий прием, В начале указанных подпрограмм значение контрольного слова запоминается.а в конце выполнения подпрограммы восстанавливается. На обычную подпрограмму накладываются такие же ограничения, как и на программу в целом.Указанные свойства позволяют расширить область применения системы, так как, например, в известной системе при замене программы необходимо заменять блоки постоянной памяти, а в предлагаемой системе при переходе от программы к программе аппаратура системы остается неизменной. Следовательно, при использовании предлагаемой системы можно контролировать любые подготовленные программы, а не одну, как в известной системе,1 О 15 Формула из обр ет ения 20 1Устройство для контроля микропроцессорной системы, содержащее блок формирования контрольного слова, регистр команды, блок регистра контрольного слова, информационные 25 вход и выход которого соединены соответственно с выходом и первым информационным входом блока формирования контрольного слова, второй ин,формационный вход которого соединен с выходом регистра команды, информационный вход которого соединен с входом устройства для подключения к системной шине контролируемой микпропроцессорной системы, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения области применения устрой. ства за счет возможности контроля прохождения произвольной программы без замены аппаратуры в системе,уст О ройство содержит блок выделения строба команды, блок счетчика контрольных участков и блок индикации, вход которого соединен с выходом блока счетчика контрольных участков, вход выход которого соединен с входом-выходом устройства для подключения к системной шине контролируемой микропроцессорной системы, управляющий вход блока счетчика контрольных уча- стков соединен с выходом управления блока регистра контрольного слова, вход-выход которого соединен с входом-выходом устройства для подключения к системной шине контролируемой микропроцессорной системы, стробиру 55 ющий вход блока регистра контрольного слова соединен с выходом строба контрольного слова блока выделения строба команды, выход строба команды которого соединен с входом записи регистра команды, вход блока выделения строба команды соединен свходом устройства для подключения ксистемной шине контролируемой микропроцессорной системы.2. Устройство по п.1, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что блок вьщеления строба команды содержит блокпостоянной памяти, вычитающий счетчик, элемент задержки, элемент И иэлемент ИЛИ-НЕ, выход элемента ИЛИ-НЕсоединен с входом записи вычитающео счетчика, выходом строба командычерез элемент задержки с выходомстроба контрольного слова, первыйвход элемента ИЛИ-НЕ соединен с разрядом "Ввод" входа блока выделениястроба команды, второй вход элементаИЛИ-НЕ соединен с выходом элементаИ, входы которого соединены с группой информационных выходов вычитающего счетчика, группа информационныхвходов которого подключена к группе выходов блока постоянной памяти,адресный вход которого соединен синформационными разрядами входа блока выдсления строба команды, входысброса и вычитания вычитающего счетчика подключены соответственно кразрядам сброса и синхронизациивхода блока выделения строба команды,3. Устройство по п.1, о т л и -чающееся тем, чтоблокрегистр а контр оль ног о слова содержитрегистр контрольного слова, селектор адреса, триггер, элемент задержки, два элемента ИЛИ, элемент ИЛИ-НЕ,три элемента И и магистральный приемопередатчик, управляющий вход которого подключен к выходу первогоэлемента И и выходу управления блока регистра контрольного слова,первая группа входов-выходов магистрального приемопередатчика подключенак группе входов селектора адреса,группе входов-выходов регистра контрольного слова и информационному выходу блока регистра контрольного слова, информационный вход которого подключен к группе информационных входоврегистра контрольного слова, первыйуправляющий вход которого подключенк выходу первого элемента ИЛИ, первый вход которого подключен к стробирующему входу блока регистра конт 1605239 12рольного слова, второй вход первого элемента ИЛИ, второй управляющий вход регистра контрольного слова и вход элемента ИЛИ-НЕ подключены к вы"5 ходу второго элемента И, первый вход которого, первые входы первого и третьего элементов И подключены к выходу триггера, информационный вход которого подключен к выходу селектора 1 О адреса, вход элемента задержки подключен к выходу третьего элемента И, второй вход которого подключен к выходу второго элемента ИЛИ, первый вход которого и второй вход первого элемента И подключены к разряду"Ввод" входа-выхода блока регистров контрольного слова, второй вход вто" рого элемента ИЛИ и второй вход второго элемента И подключены к разряду 2 О "Вывод" входа-выхода блока регистра контрольного слова, разряд синхронизации входа-выхода которого соединен с синхронизирующим входом триггера, разряд ответного сигнала входа выхода блока регистра контрольного слова подключен к выходу элемента задержки, вторая группа входов-выходов магистрального приемопередатчика соединена с информационными разрядами ЗО входа-выхода блока регистра контрольного слова, третий управляющий вход регистра контрольного слова подключен к выходу элемента ИЛИ-НЕ.4. Устройство по п.1, о т л и -35 ч а ю щ е е с я тем, что блок счетчика контрольных участков содержит селектор адреса, вычитающий счетчикЭтриггер, четыре элемента И, элемент1ч.,ф задержки, элемент ИЛИ и магистральный приемопередатчик, первая группавходов-выходов которого подключенасоответственно к группам информационных входов селектора адреса и вычитающего счетчика, группа выходов которого подключена к входам первогоэлемента И, выход которого подключенк выходу блока счетчика контрольныхучастков, первые входы второго,третьего и четвертого элементов Иобъединены и подключены к выходутриггера, информационный вход которого подключен к выходу селектораадреса, выход второго элемента И подключен к счетному входу вычитающегосчетчика, выход третьего элемента Иподключен к входу элемента задержки,выход четвертого элемента И подключен к управляющему входу магистрального приемопередатчика, вторая группавходов-выходов которого подключенак информационным разрядам входа-выхода блока счетчика контрольных участков, "Вывод",."Ввод синхронизации и ответного сигнала входа-выходакоторого подключены соответственнок объединенным второму входу второгоэлемента И и первому входу элементаИЛИ, объединенным второму входу эле.мента ИЛИ и второму входу четвертого элемента И, синхронизирующемувходу триггера и выходу элементазадержки, выход элемента ИЛИ подключен к второму входу третьего элемента И, управляющий вход вычитающего счетчика подключен к управляющему входу блока счетчика контрольных участков.о но при Г ни кая твенно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина рои каз 3454 Тираж 571 НИИПИ Государственного комитета по изо 113035, Москва, Ж, Р