BC/NW 2011; №2 (19):12.1

ПРОБЛЕМА ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ (УСРВ), ПОСТРОЕННЫХ НА БОЛЬШИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ (БИС) И СИСТЕМАХ НА КРИСТАЛЛЕ (СНК)

Хетагуров Я.А.

(Концерн «Моринформсистема – Агат», Москва, Россия)

Развитие полупроводниковой технологии, уменьшение технологических норм до значений менее 0,1 микрон и увеличение размеров кристалла создало возможности существенного увеличения функций БИС.

Однако, высокие затраты на создание БИС - микропроцессоров, контроллеров могли окупаться производством их в больших количествах.

Число создаваемых СРВ не обладает возможностями создания для них специальных БИС и в УСРВ приходится использовать, в основном, БИС широкого применения. Для обеспечения важнейших требований УСРВ по контролю и надежности приходится увеличивать быстродействие микропроцессоров, число БИС и объемы памяти. Универсальность применения БИС – микропроцессоров, контроллеров привело к существенному усложнению их функций, которые не используются в УСРВ, что потребовало дополнительного числа интегральных схем для согласования связей.

Использование БИС – микропроцессоров, контроллеров интегральных схем в УСРВ, несмотря на существенные усложнения и увеличение их числа, в общем приводят к сокращению затрат и времени создания по сравнению с применением одних интегральных схем средней интеграции. Использование БИС широкого применения в УСРВ, учитывая длительность их производства 2 – 3 года, существенно увеличивают затраты на эксплуатацию (ЗНП) УСРВ, длительность которой 10 – 20 лет.

Приведенные обстоятельства стимулируют развитие структур, которые получили наименование «система на кристалле» (СНК). Идеи, используемые при создании СНК, существенно сокращают затраты времени и средств для их производства по сравнению с разработкой специальных БИС. Возможность использования СНК в управляющих системах реального времени в значительной степени упрощает решение важнейшей задачи обеспечения надежности СРВ.

Однако микропроцессоры, контроллеры широкого применения и СНК не имеют специального аппаратурного контроля, а используют программные методы контроля связей и работы элементов, что приводит к увеличению быстродействия в 15 – 20 раз, относительно требуемого для выполнения алгоритма.

Использование мажоритарных (аппаратурных) методов контроля увеличивает объемы аппаратуры до 3,5 раз.

Для оценки надежности УСРВ используем наименование «элемент», который является отдельной конструкцией и имеет ТУ. Элемент – это микропроцессор, контроллер, СНК, интегральная схема.

Надежность работы УСРВ определяется двумя главными показателями, во-первых, элементом с наихудшей надежностью из применяемых при построении УСРВ, во-вторых, надежностью суммарного числа связей между элементами в УСРВ, определяемого надежностью соединения.

Отметим, что контроль надежности работы каждого элемента широко развит и существуют методики его проведения с учетом различных условий эксплуатации. Количество элементов в системе оценивается определенным числом штук (10 – 100 – 1000). Контроль надежности связей между элементами, учитывая их количество (на 1,5 – 2 десятичных порядка больше числа элементов), является важной проблемой, которая определяет надежность работы системы. Надежность соединений между элементами зависит от качества работы монтажников, условий и организации их работы. Учитывая, что как выполнить качественное – надежное соединение (пайку, контакт, сварку) и его проверить известно, но методов проверки десятков, сотен тысяч и более соединений не придумано, поэтому влияние субъективных факторов существенно.

Применение автоматизированных средств пайки элементов ограниченно и требует контроля настройки автомата.

Для повышения и обеспечения надежности связей в УСРВ естественно стремление к увеличению контроля цепей связи и их уменьшению путем использования СНК, контроллеров и микропроцессоров.

Для контроля надежности соединений УСРВ используются режимы тренировок готового изделия (УСРВ) для выявления скрытых дефектов соединений. Длительность режимов тренировки назначается на основании статистических данных по надежности работы связей аппаратуры конкретного предприятия.

В работе рассмотрим влияние только одного фактора, связанного с надежностью работы УСРВ, на который обращалось мало внимания – это количество связей между элементами.

Оценим влияние, на надежность элемента, числа его функций и зависимость от них количества связей элемента. Количество функций определим числом выполняемых операций, например, у микропроцессора, контроллера, СНК – числом команд, у схемы средней интеграции – числом операций.

Отметим, во-первых, что увеличение числа функций, выполняемых элементами, приводит к уменьшению количества связей между элементами в результате перевода определенного числа внешних связей во внутренние (в схему элемента) и к увеличению надежности УСРВ; во-вторых, - увеличение числа функций элемента увеличивает объем его аппаратуры и приводит к определенному снижению надежности элемента.

Надежность элемента будем определять числом выполняемых им функций – операций.

Используя статистические данные, запишем:

ТЭ	=	b1	,
		1 + b2m

где Т^э – среднее время надежной работы элемента;

m – число функций элемента.

Число цепей связи у элемента также определяется числом выполняемых им функций. Используя статистические данные, запишем:

NЭ	=	b3	,
		1 + b4m

где N_Э – общее число цепей элемента.

На основе приведенных функций оценим зависимость между надежностью элемента и числом цепей связи:

ТЭ	=	b1b4NЭ
		NЭ (b4 - b2) + b2b3

или

NЭ	=	b2b3TЭ	.
		TЭ (b2 – b4) + b3b4

Для оценки изменений надежности работы УСРВ при уменьшении количества элементов и сокращении числа связей, определим надежности работы УСРВ двух вариантов, выполняющих одинаковые алгоритмы одинаковым количеством внешних связей, имеющих разные количества элементов.

Приведенные условия обеспечивают постоянство выполняемых операций у сравниваемых УСРВ, представляются равенством произведений числа элементов на количество функций:

Э₁m₁ = Э₂m₂ ,

где Э₁ – число элементов в первом варианте построения УСРВ;

m₁ - усредненное количество функций элемента первого варианта;

Э₂ – число элементов во втором варианте построения УСРВ;

m₂ - усредненное количество функций элемента второго варианта.

Используя эти зависимости, построим уравнение для оценок влияния изменения числа элементов на надежность УСРВ.

Представим статистические зависимости надежности УСРВ двумя выражениями:

ТС1	=	ТЭ1a1	;	ТС2	=	ТЭ2a1
		1 + Э1a2 + Б				1 + Э2a2 + Б

где Т_С1, Т_С2 – надежности наихудших элементов УСРВ;

Э₁ , Э₂ – количество элементов в УСРВ

Э₂ = Э₁ - ∆Э;

Б – учитывает влияние объема памяти на надежность Б = Wa₃

W – объем памяти в «словах»;

а₁, а₂, а₃ – коэффициенты аппроксимации.

Изменение надежности определим величиной отношения:

ТС1	=	γ
ТС2

Подставим в соотношение значения Т_С1 и Т_С2, а также Т_Э1 и Т_Э2 и используя условие произведения «Эm», представим зависимость Э₂ в виде:

Э2 = Э1	m1	;
	m2

После проведения преобразований, запишем

	Э1 ‑	∆Э
γ =		1 + b2m1	( 1 ‑	∆Э а2	)
	Э1 ‑ ∆Э			1 + Э1a2 + Б

Решая это уравнение, относительно ∆Э, и вводя обозначение, запишем

(∆Э)² - ∆Э(D₁ + γD₂) + D₀(1 – γ) = 0,

где

D1 = (1 + b2m1) Э1 +	1 + Э1a2 + Б	;
	a2

D2	=	(1 + b2m1)(1 + Э1а2 + Б)	;
		а2
D0	=	(1 + b2m1)(1 + Э1а2 + Б)Э1		=	D2 Э1.
		а2

Полученное ∆Э – изменение числа элементов в УСРВ определяется коэффициентом, представляющим изменение надежности:

ТС2	=	ТС1
		γ

На основе приведенных зависимостей возможно другое определение значения γ по значениям ∆Э и Э₁,

где А₁ = Э₁(1 – b₂m₁); A₂ = 1 + Э₁a2 + Б.

Выделенные зависимости оценивают изменение надежности УСРВ с учетом уменьшения числа элементов и с учетом надежности и соответственно связей между ними и наихудшим элементом. Выбор состава элементов, их числа важен для оценки выполнения требований по надежности УСРВ, особенно на начальном этапе создания УСРВ.

Дальнейшее уточнение состава элементов производится на основании определения методов контроля работы УСРВ и материальных затрат на реализацию состава элементов и контроля.

Достоверность полученных рекомендаций оценивается качеством используемых аппроксимирующих зависимостей.