計算機組成硬件綜合實驗箱故障診斷與維護探討

胡 珊（福建師范大學 數信學院，福建 福州 350108）

0 引言

《計算機組成原理》是高校計算機科學與技術、物聯網工程、電子信息科學與技術、網絡工程與管理、軟件工程等多個專業的硬件基礎課程，也是計算機硬件課程體系中的核心環節[1,2]。實驗教學作為該課程理論教學的重要補充，有著至關重要的作用。該課程實驗的載體——計算機硬件綜合實驗箱（清華大學科教儀器廠生產的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范的操作，及接觸點氧化導致開關接觸不良、靜電影響等，致使該硬件實驗系統的故障處理與維護相當繁雜[3]，維護工作量大。有部分學者致力于組成原理虛擬實驗環境的開發和研究，不過對于硬件實驗，虛擬仿真的環境并不能完全取代真正的硬件環境，培養和鍛煉學生的創新精神和動手能力還得需要在硬件實驗箱上進行磨煉與提升[4]。由于硬件實驗箱沒有還原系統，沒有開機檢測功能，也沒有一套標準的維護方法，維護時只能每臺通電測試，由維護人員做部分計算機組成實驗項目，然后憑經驗來判斷是否有故障或故障在哪，再不然就郵寄返廠維修。不僅耗時而且還嚴重影響設備完好率，不利于實驗教學的正常開展。

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

打開實驗箱，編程開關下撥到“正常”，控制轉換處“微程序”，DZ1正常位（短接左、中腳），DP為1，實驗箱接通電源，按復位按鈕CLR，即表示置當前微地址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。

不過維護過程中，部分試驗箱會出現以下問題：

1）學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，當前微地址應為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，則當前微地址應為08H，后繼為0AH……第五次按QD，恢復到按CLR時狀態，即當前微地址00H。在這一循環過程中，若有指示燈的亮滅狀態與代碼表不符，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：先關實驗箱電源，接好串口編程電纜，編程開關要上撥到“編程位”，取下DZ1短路片，再打開實驗箱電源進行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，則實驗箱基本恢復正常。

2）按QD后，指示燈沒反應。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換框內的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芯片和對應的74LS245芯片正常后，一般該故障由微程序控制器內的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正常，但不論后續按QD多次，實驗箱指示燈不變且COM4寫入失敗。對應的74LS245芯片故障導致寫入失敗，更換后可以正常寫入，若實驗箱故障現象依舊，則COM1上排的74LS08一般出現故障。

在進行硬件實驗箱維護時，選定某種操作模式，按微程序代碼表走一遍，根據實驗箱指示燈亮滅狀態即可判斷實驗箱是否正常。若有故障，也可判斷在哪個區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測試，且本文1.1節已經詳述了維護的方法，這里主要針對實驗過程中出現的問題進行分析，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，抓主要問題”原則。以《計算機組成原理》實驗一“運算器組成實驗”為例，加以分析。

圖2為運算器組成實驗電路圖[5]。實驗過程中出現數據寫不進寄存器，或A7～A0、B7～B0顯示不正確。

首先，檢查實驗箱右上角控制轉換開關是否撥到“獨立”（實驗一到實驗三均要撥到獨立）。若在微程序位置，則電平控制信號開關的高、低電平送不進寄存器控制端（如RS0、RS1等），被鉗制住了。這是最容易被人忽視的細節，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，要根據故障現象、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 結束語

圖2 運算器組成實驗電路圖Fig.2 Experimental circuit diagram for arithmetic unit

計算機硬件綜合實驗箱是高校計算機及其相關專業實踐教學的必備設備，是培養學生實踐能力和創新精神的重要武器，其維護和管理的不當會直接影響設備完好率，甚至影響實驗教學的正常開展。本文一方面結合TEC-8硬件實驗箱在微程序狀態下單拍跟蹤每條微指令的執行情況，各指示燈的亮滅狀態和微程序代碼表，從而快速確認實驗箱的好壞，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的故障，結合實驗電路原理圖，實驗接線表和故障現象，本著“從簡單的事情入手，先外后內，抓主要問題”原則來處置故障。從而提高了維護人員的工作效率，大大減輕實驗管理人員的維護工作量，保證設備正常運作和實驗教學正常進行。