Didattica della Strumentazione Digitale e Sistemi a Microprocessore

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1 Introduzione alle Funzioni di Manutenzione Didattica della Strumentazione Digitale e Sistemi a Microprocessore Benvenuti. Questa è l Unità di Lavoro 11.1 del MODULO 11

2 Scopo di tale Unità di Lavoro Introduzione alle Funzioni di Manutenzione SENSIBILIZZARE GLI STUDENTI A COMPRENDERE L IMPORTANZA DELLE FUNZIONI DI MANUTENZIONE NEI SISTEMI DI CONTROLLO A MICROPROCESSORE O DI ELABORAZIONE DELLE INFORMAZIONI DANDO ENFASI AI GUASTI ED AL CONTRIBUTO CHE L ELETTRONICA E L INFORMATICA FORNISCONO PER ADOTTARE I CRITERI NECESSARI ALLA CORRETTA MANUTENIBILITA DEI SISTEMI COMPLESSI

3 per quale motivo? Introduzione alle Funzioni di Manutenzione GARANTIRE IL FUNZIONAMENTODEL SISTEMA (LA DEPENDABILITY) PER GARANTIRE LA SICUREZZA DELLE PERSONE GLI INVESTIMENTI COSTI DI PRODUZIONE INFORMAZIONI PREGIATE

4 I contenuti Introduzione alle Funzioni di Manutenzione Disponibilità Affidabilità Guasto ORIENTATI ALLA MANUTENZIONE DEI SISTEMI A MICROPROCESSORE Diagnostica Errore

5 Gli obiettivi (per l Unità di Lavoro 11.1) Introduzione alle Funzioni di Manutenzione Obiettivi di competenza finali attesi Saper comprendere l HW ed il SW necessari ad interpretare le funzioni di diagnostica nei sistemi di elaborazione con controllo a microprocessore Saper impostare i criteri di analisi e di progettazione per la diagnosi di unità hardware duplicate Obiettivi di Teoria Fondamentali Conoscere il concetto di servizio offerto da un sistema Conoscere e comprendere il significato ifi di affidabilità, disponibilità, guasto ed errore Comprendere le modalità di rilevazione degli errori ed di trattamento del guasto Introdurre il concetto di manutenzione

6 Le motivazioni Comprendere il concetto di servizio offerto dal Sistema Esempio 1) Cosa succede il PC se con il quale lavoriamo/giochiamo/comunichiamo tutti i giorni si guasta? E se a guastarsi è il chip di memoria del PC presente nell ufficio dell amministratore delegato di una multinazionale, quali sarebbero le conseguenze? Esempio 2) Pensiamo ad un guasto nei sistemi di comunicazione presenti in un sottomarino (fino a 50 anni senza fare rifornimento) o su un aereo supersonico (~ 100 CPU). Lo potremmo tollerare?

7 Le motivazioni Comprendere il concetto di servizio offerto dal Sistema Esempio 3) E cosa succede se una centrale telefonica urbana va completamente fuori servizio? Esempio 4) Pensiamo ad un guasto nei sistemi di comunicazione presenti in un sottomarino (fino a 50 anni senza fare rifornimento) o su un aereo supersonico (~ 100 CPU). Lo potremmo tollerare? Esempio 5) Non è finita: è così grave se durante il relax con la fase di decompressione, l applicazione domotica del tele-wc va fuori servizio?

8 Le motivazioni Comprendere il concetto di servizio offerto dal Sistema Esercizio) Ed ora come esercizio, in quali dei sistemi riportati in figura spendereste dei quattrini per garantire l eccellente funzionalità dell elettronica elettronica presente in ciascuno di essi? G H M L I

9 Affidabilità e Disponibilità Definizioni e concetti L Affidabilità (reliability) è la probabilità che un componente/apparato/sistema esegua correttamente una funzione per un dato periodo di tempo e in condizioni di funzionamento specificate senza evidenziare alcun malfunzionamento Esempio) Una rete dati è composta da 5 router; l affidabilità R(t) di ciascun apparato è uguale a 0,99 in un anno. Vuol dire che ciascun apparato funziona correttamente per il 99% del tempo ed è inaffidabile (F(t) = 1- R(t)) per l 1% del suo tempo. La Disponibilità è è una funzione definita come la probabilità che il sistema non mostri malfunzionamenti nell istante in cui gli è richiesto di operare. La disponibilità (Availability) si differenzia dall'affidabilità poiché quest'ultima ultima è una misura di corretto funzionamento in un intervallo, mentre la disponibilità è una misura di corretto funzionamento ad un dato istante temporale.

10 Introduzione alle Funzioni di Manutenzione Definizioni e Affidabilità: Sistemi in serie ed in parallelo concetti Sistemi in Serie L affidabilità totale del sistema è uguale al prodotto delle affidabilità dei singoli componenti: RS(t) = R1(t) * R2(t) * R3(t) *.. e per n elementi uguali: RS(t) = e nλt All aumentare dei componenti, cala l affidabilità del sistema, per cui, se il valore ottenuto non soddisfa, dobbiamo usare componenti di migliore qualità o trovare una soluzione che richieda meno componenti. Sistemi in Parallelo L affidabilità totale del sistema è uguale a: RS(t) = 1 - [(1-R1(t))] * [(1-R2(t))] *... Per rendere il sistema non funzionante si devono guastare tutti i componenti. All aumentare dei componenti, aumenta l affidabilità del sistema; se il valore ottenuto non soddisfa, si devono usare componenti di migliore qualità oppure aumentare il numero dei componenti in parallelo.

11 Guasto Introduzione alle Funzioni di Manutenzione Definizioni e concetti Per guasto si intende l interruzione di una o più prestazioni funzionali offerte da un dispositivo/apparato/sistema. E dopo aver analizzato gli esempi precedenti, possiamo pervenire ad una considerazione: se il sistema è così fondamentale da dover garantire criteri economici, di sicurezza e di affidabilità dobbiamo prevedere che la presenza di un guasto non incida sul funzionamento complessivo dell apparato o del sistema. Bisognerà quindi dare la giusta importanza al trattamento ed alla loro prevenzione. Al concetto di guasto è normalmente associato il TASSO DI GUASTO λ definito come il numero di guasti nell unità di tempo. La relazione che esiste ste tra tasso di guasto ed affidabilità risulta: R(t) = e -λt TASS SO DI GUASTO MORTALITA INFANTILE VITA UTILE USURA TEMPO

12 Introduzione alle Funzioni di Manutenzione Definizioni e Guasto: origine e patologie concetti ORIGINE Le cause fenomenologiche che implicano Guasti fisici (phisical faults ), dovuti a fenomeni fisici avversi; Guasti causati dall uomo (human made faults ), dovuti all imperfezione umana; I confini del sistema che implicano Guasti interni (internal faults ), che sono parti dello stato del sistema che, quando richiamate dall attività di elaborazione, produrranno un errore; Guasti esterni (external faults ), che derivano dall interferenza dell ambiente fisico nel sistema (perturbazioni elettromagnetiche, radiazioni, temperatura, vibrazioni, etc.) o dall interazione con l ambiente umano; La fase di creazione rispetto alla vita del sistema che implica Guasti di progetto (design faults ), che derivano da imperfezioni che si verificano durante lo sviluppo del sistema o per modifiche successive; Guasti operativi (operational faults ), che si verificano durante l uso luso del sistema. PATOLOGIE Un guasto è attivo (active ) quando produce un errore. Un guasto attivo è o un guasto interno che era in precedenza inattivo (dormant) e che è stato attivato dal processo di elaborazione, o un guasto esterno.

13 Errore Introduzione alle Funzioni di Manutenzione Definizioni e concetti Gli errori nei sistemi di calcolo si verificano e possono derivare da specifiche ambigue o incomplete, da errori di progetto, da errori di programmazione, da errori hardware, da errori di immissione dati o di interpretazione dei risultati Nei confronti degli errori si usano le tecniche di: Tecniche di rilevamento dell errore errore error detection Una delle tecniche HW abbastanza diffuse consiste nel generare un bit di parità, normalmente associato ad un byte, e rilevarlo a valle rilevando la correttezza o meno. Tecniche di correzione dell'errore error correction Una tecnica abbastanza utilizzata durante la trasmissione di informazioni consiste nell avere un meccanismo di rilevamento dell'errore che abbia capacità di diagnosi, cioè che sappia indicare il punto in cui si è verificato un errore ed intervenire predicendo il risultato.

14 Introduzione alle Funzioni di Manutenzione Definizioni e Relazione tra guasti, errori e malfunzioni concetti Se un guasto lo possiamo prevedere.. lo possiamo rimuovere e gestire GUASTO (FAULT) È la causa dell errore ERRORE (ERROR) È la manifestazione del guasto nel sistema MALFUNZIONE (FAILURE) È la manifestazione dell errore sul servizio

15 Introduzione alle Funzioni Rilevazione di Manutenzione degli errori e Gestione dei guasti trattamento del guasto Le problematiche che si pongono quando bisogna garantire il funzionamento del sistema, secondo specifiche atte a garantire la corretta funzionalità, risultano le seguenti Prevenzione dai guasti (fault prevention): come possono essere prevenute le occorrenze di guasti Testing Qualità Tolleranza ai guasti (fault tolerance): come garantire un servizio che si mantenga conforme alle specifiche, nonostante i guasti Sovradimensionamento Diagnostica Eliminazione del guasto (fault removal): ridurre l'occorrenza (numero, gravità) dei guasti come Debugging HW e SW Predizione di guasti (fault forecasting): come stimare il numero, la frequenza di incidenza, presente e futura, e le conseguenzedei guasti Valutazione dei guasti inevitabili

16 Introduzione alle Funzioni Rilevazione di Manutenzione degli errori e Tolleranza ai guasti trattamento del guasto LA MEMORIA IN CONFIGURAZIONE SIMPLEX CPU Esempio 6) Cosa capita se si verifica un guasto in memoria, oppure un guasto alla CPU? Oppure su uno dei bus di interconnessione tra memoria e CPU? MEMORIA Dieci minuti di tempo per pensare...

17 Rilevazione degli errori e Introduzione alle Funzioni di Manutenzione Tolleranza ai g guasti trattamento del guasto LA MEMORIA IN CONFIGURAZIONE DUPLEX CPU BUS A PWR A MEMORIA A A BUS B PWR B MEMORIA B B Le due copie di memoria vengono contemporaneamente scritte (operazione di scrittura) e lette (operazione di lettura)

18 Introduzione alle Funzioni di Manutenzione Configurazione Duplex: dettaglio Rilevazione degli errori e trattamento del guasto FROM CPU Write Read CPU Operatio? Buffer n Buffer BUS A BUS B A.B. BUS A BUS B D.B. CB C.B. PWR A PWR B TO CPU MEMORIA A MEMORIA B MUX BUS A BUS B

19 Introduzione alle Funzioni Rilevazione di Manutenzione degli errori e Tolleranza ai guasti trattamento del guasto CPU E MEMORIA IN CONFIGURAZIONE DUPLEX PWR A CPU A CPU B PWR B BUS AL BUS BL BUS AR BUS BR PWR A PWR B MEMORIA A MEMORIA B Le due copie di memoria vengono contemporaneamente scritte (operazione Le due copie di memoria vengono contemporaneamente scritte (operazione di scrittura) e lette (operazione di lettura) da una CPU (attiva), l altra CPU è in stand-by

20 Introduzione alle Funzioni Rilevazione di Manutenzione degli errori e Tolleranza ai guasti trattamento del guasto CPU A ATTIVA E MEMORIA IN CONFIGURAZIONE DUPLEX PWR A CPU A CPU B PWR B BUS AL BUS BL BUS AR BUS BR PWR A PWR B MEMORIA A MEMORIA B Le due copie di memoria vengono contemporaneamente scritte (operazione Le due copie di memoria vengono contemporaneamente scritte (operazione di scrittura) e lette (operazione di lettura) da una CPU ( A attiva), l altra CPU (B) è in stand-by

21 Controllo degli errori Rilevazione degli errori e trattamento del guasto Introduzione alle Funzioni di Manutenzione CPU A μp INT P.I.C. 3 3 DPL= 1 D.B. = F0F4 3 DPH= 0 INTMA PWR A DPH_ER Alarm Register MEMORIA A Il controllore di parità sulla memoria A rileva un errore sul byte alto del DB

22 Rilevazione degli errori e trattamento del guasto Introduzione alle Funzioni di Manutenzione Introduzione alla manutenzione Per manutenzione si intende l'insieme di azioni che permette di mantenere o di ristabilire un apparato/sistema/dispositivo in uno stato tale da assicurare il servizio specificato. Teniamo presente che la manutenzione ha normalmente impatto sulle aree: Tecnica: per la conoscenza necessaria dei sistemi da controllare,...; Economica: per le previsioni di investimenti, per i budget di spesa,...; Organizzativa: per la gestione lavoro, per la definizione dell organigramma,.

23 Rilevazione degli errori e trattamento del guasto Introduzione alle Funzioni di Manutenzione Introduzione alla manutenzione Consiste nel determinare le cause degli errori, sia in termini di locazione che di natura del guasto. I programmi di diagnostica utilizzano normalmente registri di I/O non mappati in memoria. Consiste nell attivare il programma di diagnostica opportuno al fine di isolare il guasto, porre l unità lunità identificata guasta fuori servizio e procedere con l eliminazione leliminazione del guasto. Infine se il sistema non è più in grado di fornire il servizio precedentemente offerto, viene attivato il processo di riconfigurazione con lo scopo di ripristinare il servizio. Consiste nello schedulare il programma di diagnostica per prevenire un disservizio. L obiettivo è identico a quello della manutenzione correttiva. Lo stesso programma di diagnosi può essere schedulato per la manutenzione preventiva od attivato dall operatore ed utilizzato per la manutenzione correttiva. Gli interventi di manutenzione sono subordinati al rilievo del raggiungimento di una soglia di probabilità del verificarsi di un guasto o malfunzionamento.

24 Diagnosi del guasto Rilevazione degli errori e trattamento del guasto Introduzione alle Funzioni di Manutenzione Mask INTMA Guasto Task 1 Task 2 Interrupt routine Task 3 Mask INT Remove mask kint Remove mask INTMA USER PROGRAM Istante in cui il guasto provoca l errore DPH-ER INTERRUPT HANDLER i Il S.O. consente il riconoscimento dell Interrupt i + 1

25 Il Loop-Back register Rilevazione degli errori e trattamento del guasto Introduzione alle Funzioni di Manutenzione 1 st Operation Write Operation μp Read Operation Loop-Back Register #1 D.B. = 0000 D.B. = 0000 EXOR (0000, 0000) = 0000

26 Il Loop-Back register Rilevazione degli errori e trattamento del guasto Introduzione alle Funzioni di Manutenzione 2 nd Operation Write Operation μp Read Operation Loop-Back Register #1 D.B. = FFFF D.B. = FFFF EXOR (FFFF, FFFF) = 0000

27 Il Loop-Back register Rilevazione degli errori e trattamento del guasto Introduzione alle Funzioni di Manutenzione 2 nd Operation Write Operation μp Read Operation Loop-Back Register #1 D.B. = FFFF D.B. = F7FF EXOR (FFFF, F7FF) = 0800 Bit 11 DB Faulty

28 Introduzione alle Funzioni Rilevazione di Manutenzione degli errori e Riconfigurazione trattamento del guasto CPU A ATTIVA RILEVA GUASTO IN MEMORIA A Out of Service PWR A BUS AL CPU A CPU B PWR B BUS BL BUS AR BUS BR PWR A PWR B MEMORIA A MEMORIA B CPU A continua a restare attiva e lavora solo con la MEMORIA A

29 Introduzione alle Funzioni Rilevazione di Manutenzione degli errori e Riconfigurazione trattamento del guasto CPU A ATTIVA RILEVA ERRORE IN CPU A Out of Service PWR A CPU A CPU B PWR B BUS AL BUS BL BUS AR BUS BR PWR A PWR B MEMORIA A A MEMORIA B Segue le switch della CPU: la B da stand-by diventa attiva e continua a lavorare con le memorie in configurazione duplex.

30 Grazie per l attenzione