計算機(jī)組成硬件綜合實驗箱故障診斷與維護(hù)探討

胡 珊（福建師范大學(xué) 數(shù)信學(xué)院，福建 福州 350108）

0 引言

《計算機(jī)組成原理》是高校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程與管理、軟件工程等多個專業(yè)的硬件基礎(chǔ)課程，也是計算機(jī)硬件課程體系中的核心環(huán)節(jié)[1,2]。實驗教學(xué)作為該課程理論教學(xué)的重要補(bǔ)充，有著至關(guān)重要的作用。該課程實驗的載體——計算機(jī)硬件綜合實驗箱（清華大學(xué)科教儀器廠生產(chǎn)的TEC-8）使用率高，使用人員多，但在實驗過程中，由于使用人員種種不規(guī)范的操作，及接觸點(diǎn)氧化導(dǎo)致開關(guān)接觸不良、靜電影響等，致使該硬件實驗系統(tǒng)的故障處理與維護(hù)相當(dāng)繁雜[3]，維護(hù)工作量大。有部分學(xué)者致力于組成原理虛擬實驗環(huán)境的開發(fā)和研究，不過對于硬件實驗，虛擬仿真的環(huán)境并不能完全取代真正的硬件環(huán)境，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新精神和動手能力還得需要在硬件實驗箱上進(jìn)行磨煉與提升[4]。由于硬件實驗箱沒有還原系統(tǒng)，沒有開機(jī)檢測功能，也沒有一套標(biāo)準(zhǔn)的維護(hù)方法，維護(hù)時只能每臺通電測試，由維護(hù)人員做部分計算機(jī)組成實驗項目，然后憑經(jīng)驗來判斷是否有故障或故障在哪，再不然就郵寄返廠維修。不僅耗時而且還嚴(yán)重影響設(shè)備完好率，不利于實驗教學(xué)的正常開展。

表1 部分微程序代碼表Table 1 Partial microprogram code table

圖1 TEC-8實驗箱面板功能示意圖Fig.1 Panel diagram of TEC-8 experiment box

1 硬件實驗箱維護(hù)與故障診斷

圖1是TEC-8實驗箱面板功能示意圖。

1.1 基于微程序代碼表的快速維護(hù)

打開實驗箱，編程開關(guān)下?lián)艿健罢！?，控制轉(zhuǎn)換處“微程序”，DZ1正常位（短接左、中腳），DP為1，實驗箱接通電源，按復(fù)位按鈕CLR，即表示置當(dāng)前微地址uA5～uA0為00H，后繼微地址NuA5～NuA0為01H，參見該實驗箱對應(yīng)的微程序代碼表，如表1所示部分微程序代碼表[5]。此時，P0、NuA0、SEL1、SEL0燈亮（在代碼表中顯示為1即高電平），其余燈滅，表示實驗箱基本正常。

不過維護(hù)過程中，部分試驗箱會出現(xiàn)以下問題：

1）學(xué)生反映控制存儲器代碼有問題。是否真有問題，那就選取一種操作模式（比如令SWCSWBSWA=100寫寄存器），按QD一次，當(dāng)前微地址應(yīng)為09H（uA3和uA0亮），對照微程序代碼表，后繼地址08H（NuA3亮），SELECT、SEL0、SBUS、STOP、DRW亮。第二次按QD，則當(dāng)前微地址應(yīng)為08H，后繼為0AH……第五次按QD，恢復(fù)到按CLR時狀態(tài)，即當(dāng)前微地址00H。在這一循環(huán)過程中，若有指示燈的亮滅狀態(tài)與代碼表不符，則控存代碼確有問題，處理方式為重置COM4～COM0，不過重置時要注意的是：先關(guān)實驗箱電源，接好串口編程電纜，編程開關(guān)要上撥到“編程位”，取下DZ1短路片，再打開實驗箱電源進(jìn)行COM口的重置。重置過程中，觀測實驗箱微指令燈是否閃爍，若軟件顯示成功，并伴隨微指令燈閃爍，則實驗箱基本恢復(fù)正常。

2）按QD后，指示燈沒反應(yīng)。這種情況下，首先檢查時序T1～T3有無波形，該故障一般由Time1芯片壞，或單脈沖旁的兩個與非門74LS00壞或接觸不良而引起。

3）按QD后，COM4～COM0下排燈反應(yīng)正常（表明脈沖輸出正常），而上排燈除SELECT外均不亮。該故障大多由控制轉(zhuǎn)換框內(nèi)的74LS00芯片損壞引起，更換該芯片即可。

4）按CLR及QD多次，COM4～COM0下排燈當(dāng)前微地址和后繼微地址按微代碼表亮滅正常（即脈沖輸出正常），不過SEL3～SEL0全亮不滅且COM4寫入失敗。在測試COM4芯片和對應(yīng)的74LS245芯片正常后，一般該故障由微程序控制器內(nèi)的OE-WE芯片故障引起。

5）按CLR及第一次QD，指示燈按微代碼表反應(yīng)正常，但不論后續(xù)按QD多次，實驗箱指示燈不變且COM4寫入失敗。對應(yīng)的74LS245芯片故障導(dǎo)致寫入失敗，更換后可以正常寫入，若實驗箱故障現(xiàn)象依舊，則COM1上排的74LS08一般出現(xiàn)故障。

在進(jìn)行硬件實驗箱維護(hù)時，選定某種操作模式，按微程序代碼表走一遍，根據(jù)實驗箱指示燈亮滅狀態(tài)即可判斷實驗箱是否正常。若有故障，也可判斷在哪個區(qū)域或最可能的故障芯片。以上的故障有可能一種，也有可能多種故障并存，需要管理人員多方分析，逐個排查。

1.2 實驗過程中故障排查和處理

學(xué)生實驗過程中反映的故障，一般并非實驗箱本身的硬件故障問題。因為一般投入實驗用的基本通過了維護(hù)測試，且本文1.1節(jié)已經(jīng)詳述了維護(hù)的方法，這里主要針對實驗過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，闡述故障如何排除和處理。

硬件實驗箱故障診斷本著“從簡單的事情入手，先外后內(nèi)，抓主要問題”原則。以《計算機(jī)組成原理》實驗一“運(yùn)算器組成實驗”為例，加以分析。

圖2為運(yùn)算器組成實驗電路圖[5]。實驗過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)寫不進(jìn)寄存器，或A7～A0、B7～B0顯示不正確。

首先，檢查實驗箱右上角控制轉(zhuǎn)換開關(guān)是否撥到“獨(dú)立”（實驗一到實驗三均要撥到獨(dú)立）。若在微程序位置，則電平控制信號開關(guān)的高、低電平送不進(jìn)寄存器控制端（如RS0、RS1等），被鉗制住了。這是最容易被人忽視的細(xì)節(jié)，同時也是最簡單的處理手段。

其次，保證SBUS高電平有效（即允許SD0～SD7開關(guān)信號送到DUBS線上），用邏輯筆檢查連線是否正常。若正常，再看SD0～SD7對應(yīng)的燈D0～D7是否亮滅，撥上，高電平，燈亮；撥下，低電平，燈滅。從外部入手，檢查連線、開關(guān)等是否正常。

第三，若以上兩項正常，則檢查SBUS三太門74LS244芯片是否有問題或其底座是否有問題。

這里只是用一個簡單的事例闡述了實驗過程中故障排查和處理，要根據(jù)故障現(xiàn)象、實驗電路圖及實驗接線表綜合判斷故障所在的大致位置，借助邏輯筆確定故障所在位置。

2 結(jié)束語

圖2 運(yùn)算器組成實驗電路圖Fig.2 Experimental circuit diagram for arithmetic unit

計算機(jī)硬件綜合實驗箱是高校計算機(jī)及其相關(guān)專業(yè)實踐教學(xué)的必備設(shè)備，是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神的重要武器，其維護(hù)和管理的不當(dāng)會直接影響設(shè)備完好率，甚至影響實驗教學(xué)的正常開展。本文一方面結(jié)合TEC-8硬件實驗箱在微程序狀態(tài)下單拍跟蹤每條微指令的執(zhí)行情況，各指示燈的亮滅狀態(tài)和微程序代碼表，從而快速確認(rèn)實驗箱的好壞，或故障的大致位置及處理方式；另一方面，對于實驗過程中出現(xiàn)的故障，結(jié)合實驗電路原理圖，實驗接線表和故障現(xiàn)象，本著“從簡單的事情入手，先外后內(nèi)，抓主要問題”原則來處置故障。從而提高了維護(hù)人員的工作效率，大大減輕實驗管理人員的維護(hù)工作量，保證設(shè)備正常運(yùn)作和實驗教學(xué)正常進(jìn)行。