Общие принципы обнаружения ошибок в микропроцессорных системах

В зависимости от метода, положенного в основу контроля МПС и медицинского изделия в целом, различают два основных вида контроля: программный и аппаратурный. Каждый из них может использоваться как в оперативном режиме, т.е. в процессе работы контролируемой системы, так и в режиме профилактических проверок, причём контроль может быть автоматическим или с привлечением оператора.

Программный контроль основан на использовании специальных программ, контролирующих работу системы. Он подразделяется на программно – логический и тестовый.

Программно – логический контроль основан на том, что в основную рабочую программу вводятся дополнительные операции, при выполнении которых получается избыточная информация, необходимая для обнаружения и исправления ошибок. Наличие избыточности в информации позволяет, например, находить те или иные контрольные соотношения, которые связывают получаемые в процессе расчёта значения и которые можно проверять по программе в конце каждого этапа вычислений. Так, если вычисляются значения синусов и косинусов, то правильность их вычисления можно проверить по известному соотношению: сумма квадратов синуса и косинуса равна 1. Часто прибегают к двойному просчёту, при котором избыточность информации создаётся путём повторения вычислений, а контрольные соотношения – это совпадение результатов первого и второго просчётов.

Программно – логический контроль не требует применения специальной аппаратуры и позволяет обнаруживать ошибки, обусловленные случайными сбоями, в процессе работы МПС. Однако этот вид контроля приводит к значительному увеличению времени решения задачи.

Тестовый контроль предназначен для проверки правильности работы медицинского изделия и его отдельных узлов и блоков с помощью специальных программ – тестов. Контроль с помощью тестов сводится к выполнению МПС определённых действий над текущей информацией и сравнению результатов с известными. В случае несовпадения ответов фиксируется ошибка.

Тесты подразделяются на наладочные, проверочные и диагностические.

Наладочные тесты служат для проверки правильности функционирования элементов, узлов и блоков во время наладки медицинского изделия. Эти тесты предназначаются для обнаружения грубых ошибок (ошибки в монтаже, логике работы отдельных узлов и т.д.).

Проверочные тесты предназначены для периодической проверки работоспособности медицинского изделия и для обнаружения неисправностей в процессе эксплуатации. Эти тесты обеспечивают более полный контроль и создают более разнообразные режимы работы узлов медицинского изделия. Однако, как наладочные, так и проверочные тесты свидетельствуют лишь о факте появления ошибки в том или ином узле или блоке, не указывая места её возникновения.

Диагностические тесты служат не только для обнаружения ошибки, но и для локализации места неисправности. Эти тесты используются для проверки модуля сопряжения, оперативной и постоянной памяти и т.д. Они являются самостоятельными программами и выполняются без помощи операционной системы.

Проверочные и диагностические тесты работают под управлением специальной тестовой программы проверки – монитора (часть управляющей программы), которая осуществляет вызов, выполнение каждого отдельного теста и управление им. Проверка узлов и блоков может производиться как в профилактическом, так и оперативном (мультипрограммном) режиме, т.е. наряду с выполнением других программ (последний вид проверки устройств называется неавтономной проверкой).

В современных системах запуск тестов может производиться и автоматически по сигналу ошибки с контрольных схем изделия. При этом после локализации ошибки развитые системы саморемонтируются (реконфигурация системы). В менее мощных системах процесс локализации ошибки сопровождается подачей оператору соответствующего сигнала.

Аппаратурные средства контроля создаются введением в состав системы специального дополнительного контрольного оборудования, работающего независимо от программы. Аппаратурный контроль обеспечивает проверку правильности функционирования системы практически без снижения её быстродействия. Однако использование только аппаратурного контроля приводит к значительному усложнению и удорожанию медицинских изделий. Кроме того, введение большого количества избыточного сложного оборудования может привести к снижению её общей надёжности. Поэтому в современных системах применяется комбинированный метод контроля, представляющий собой сочетание программных и аппаратурных средств.

С целью предупреждения существенного искажения обрабатываемой информации (т.е. до того предела, когда она не сможет быть восстановлена) обнаружение ошибок в системе должно производиться непрерывно. Поэтому эта функция возлагается на быстродействующие аппаратурные средства контроля, которые позволяют практически полностью совместить во времени выполнение основных операций системы и необходимых контрольных операций. Локализация места возникновения неисправности и ликвидация последствий сбоев при этом возлагаются на программный контроль.

Комбинированный метод контроля позволяет при незначительном снижении эффективности и быстродействия системы существенно сократить время поиска и устранения ошибок и общий объём дополнительного оборудования.

В целом эффективность системы контроля медицинского изделия характеризуется следующими показателями:

отношением количества оборудования, охваченного системой контроля, к общему количеству оборудования;

вероятностью обнаружения системой контроля ошибок в работе изделия;

степенью детализации, с которой система контроля указывает место возникновения ошибки (точность диагноза);

отношением количества оборудования системы контроля к общему количеству оборудования медицинского изделия.

Рассмотрим вариант организации системы обнаружения ошибок в МПС.

Возникновение ошибок в узлах и блоках медицинского изделия, охваченных системой контроля, сопровождается соответствующим сигналом ошибки, который инициирует выполнение следующих функций:

- распознавание (диагностирование) характера ошибки (сбой, отказ);

- повторный пуск программы (части программы, операции), если ошибка вызвана сбоем;

- локализация места неисправности, если ошибка вызвана отказом, с последующим её устранением путём автоматической замены (или отключения) вышедшего из строя элемента или замены с помощью оператора;

- запоминание информации обо всех происшедших сбоях и отказах для дальнейшего анализа.

Накопленный опыт в построении систем контроля ошибок позволяет сформулировать ряд общих требований, в соответствии с которыми эти системы должны:

- обнаруживать определённый процент неисправностей, возникающих в контролируемом изделии;

- производить диагноз, локализуя место возникновения ошибки;

- давать информацию, необходимую для замены блока, имеющего неисправность, если ошибка повторяется;

- обнаруживать ошибку достаточно быстро, чтобы не дать ей распространиться в вычислительном или управляющем процессе, и позволить МПС повторить операцию (в крайнем случае часть программы), прерванную ошибкой;

- классифицировать ошибки для обеспечения правильной реакции на них со стороны МПС: а) отказ, б) сбой, в) перемежающаяся неисправность (многократные сбои), г) программные ошибки (запрещённый код и др.), д) ошибки в памяти, е) ошибки оператора, ж) ошибки в схемах контроля.