计算机组成硬件实验箱故障诊断维护

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摘要：通过对计算机硬件综合实验箱在微程序状态下运行时各指示灯的变化状态，结合微程序代码表及长期的实践经验，总结出一套基于微程序代码表的维护方案和故障处置方法。同时，也举例说明实验过程中的故障处置要点。不但能有效提高设备完好率，保障实验教学的正常开展，还极大减轻硬件维护人员的维护工作量。

关键词：硬件综合实验箱；微程序代码表；维护；故障诊断

引言

《计算机组成原理》是高校计算机科学与技术、物联网工程、电子信息科学与技术、网络工程与管理、软件工程等多个专业的硬件基础课程，也是计算机硬件课程体系中的核心环节[1,2]。实验教学作为该课程理论教学的重要补充，有着至关重要的作用。该课程实验的载体——计算机硬件综合实验箱（清华大学科教仪器厂生产的TEC-8）使用率高，使用人员多，但在实验过程中，由于使用人员种种不规范的操作，及接触点氧化导致开关接触不良、静电影响等，致使该硬件实验系统的故障处理与维护相当繁杂[3]，维护工作量大。有部分学者致力于组成原理虚拟实验环境的开发和研究，不过对于硬件实验，虚拟仿真的环境并不能完全取代真正的硬件环境，培养和锻炼学生的创新精神和动手能力还得需要在硬件实验箱上进行磨炼与提升[4]。由于硬件实验箱没有还原系统，没有开机检测功能，也没有一套标准的维护方法，维护时只能每台通电测试，由维护人员做部分计算机组成实验项目，然后凭经验来判断是否有故障或故障在哪，再不然就邮寄返厂维修。不仅耗时而且还严重影响设备完好率，不利于实验教学的正常开展。

1硬件实验箱维护与故障诊断

图1是TEC-8实验箱面板功能示意图。

1.1基于微程序代码表的快速维护

打开实验箱，编程开关下拨到“正常”，控制转换处“微程序”，DZ1正常位（短接左、中脚），DP为1，实验箱接通电源，按复位按钮CLR，即表示置当前微地址uA5～uA0为00H，后继微地址NuA5～NuA0为01H，参见该实验箱对应的微程序代码表，如表1所示部分微程序代码表[5]。此时，P0、NuA0、SEL1、SEL0灯亮（在代码表中显示为1即高电平），其余灯灭，表示实验箱基本正常。不过维护过程中，部分试验箱会出现以下问题：1）学生反映控制存储器代码有问题。是否真有问题，那就选取一种操作模式（比如令SWCSWBSWA=100写寄存器），按QD一次，当前微地址应为09H（uA3和uA0亮），对照微程序代码表，后继地址08H（NuA3亮），SELECT、SEL0、SBUS、STOP、DRW亮。第二次按QD，则当前微地址应为08H，后继为0AH……第五次按QD，恢复到按CLR时状态，即当前微地址00H。在这一循环过程中，若有指示灯的亮灭状态与代码表不符，则控存代码确有问题，处理方式为重置COM4～COM0，不过重置时要注意的是：先关实验箱电源，接好串口编程电缆，编程开关要上拨到“编程位”，取下DZ1短路片，再打开实验箱电源进行COM口的重置。重置过程中，观测实验箱微指令灯是否闪烁，若软件显示成功，并伴随微指令灯闪烁，则实验箱基本恢复正常。2）按QD后，指示灯没反应。这种情况下，首先检查时序T1～T3有无波形，该故障一般由Time1芯片坏，或单脉冲旁的两个与非门74LS00坏或接触不良而引起。3）按QD后，COM4～COM0下排灯反应正常（表明脉冲输出正常），而上排灯除SELECT外均不亮。该故障大多由控制转换框内的74LS00芯片损坏引起，更换该芯片即可。4）按CLR及QD多次，COM4～COM0下排灯当前微地址和后继微地址按微代码表亮灭正常（即脉冲输出正常），不过SEL3～SEL0全亮不灭且COM4写入失败。在测试COM4芯片和对应的74LS245芯片正常后，一般该故障由微程序控制器内的OE-WE芯片故障引起。5）按CLR及第一次QD，指示灯按微代码表反应正常，但不论后续按QD多次，实验箱指示灯不变且COM4写入失败。对应的74LS245芯片故障导致写入失败，更换后可以正常写入，若实验箱故障现象依旧，则COM1上排的74LS08一般出现故障。在进行硬件实验箱维护时，选定某种操作模式，按微程序代码表走一遍，根据实验箱指示灯亮灭状态即可判断实验箱是否正常。若有故障，也可判断在哪个区域或最可能的故障芯片。以上的故障有可能一种，也有可能多种故障并存，需要管理人员多方分析，逐个排查。

1.2实验过程中故障排查和处理

学生实验过程中反映的故障，一般并非实验箱本身的硬件故障问题。因为一般投入实验用的基本通过了维护测试，且本文1.1节已经详述了维护的方法，这里主要针对实验过程中出现的问题进行分析，阐述故障如何排除和处理。硬件实验箱故障诊断本着“从简单的事情入手，先外后内，抓主要问题”原则。以《计算机组成原理》实验一“运算器组成实验”为例，加以分析。图2为运算器组成实验电路图[5]。实验过程中出现数据写不进寄存器，或A7～A0、B7～B0显示不正确。首先，检查实验箱右上角控制转换开关是否拨到“独立”（实验一到实验三均要拨到独立）。若在微程序位置，则电平控制信号开关的高、低电平送不进寄存器控制端（如RS0、RS1等），被钳制住了。这是最容易被人忽视的细节，同时也是最简单的处理手段。其次，保证SBUS高电平有效（即允许SD0～SD7开关信号送到DUBS线上），用逻辑笔检查连线是否正常。若正常，再看SD0～SD7对应的灯D0～D7是否亮灭，拨上，高电平，灯亮；拨下，低电平，灯灭。从外部入手，检查连线、开关等是否正常。第三，若以上两项正常，则检查SBUS三太门74LS244芯片是否有问题或其底座是否有问题。这里只是用一个简单的事例阐述了实验过程中故障排查和处理，要根据故障现象、实验电路图及实验接线表综合判断故障所在的大致位置，借助逻辑笔确定故障所在位置。

2结束语

计算机硬件综合实验箱是高校计算机及其相关专业实践教学的必备设备，是培养学生实践能力和创新精神的重要武器，其维护和管理的不当会直接影响设备完好率，甚至影响实验教学的正常开展。本文一方面结合TEC-8硬件实验箱在微程序状态下单拍跟踪每条微指令的执行情况，各指示灯的亮灭状态和微程序代码表，从而快速确认实验箱的好坏，或故障的大致位置及处理方式；另一方面，对于实验过程中出现的故障，结合实验电路原理图，实验接线表和故障现象，本着“从简单的事情入手，先外后内，抓主要问题”原则来处置故障。从而提高了维护人员的工作效率，大大减轻实验管理人员的维护工作量，保证设备正常运作和实验教学正常进行。

作者：胡珊 单位：福建师范大学