基于邊界掃描技術的PowerPC系統(tǒng)故障排查方法研究

摘要：隨著國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)的普及，用戶在程序開發(fā)和系統(tǒng)適配的環(huán)節(jié)頻繁遇到各類異常情況。尤其是PowerPC 架構的程序異常，其復雜性和不確定性給系統(tǒng)故障排查帶來了極大的困難。因此，提出了基于邊界掃描技術的PowerPC 系統(tǒng)故障排查方法。首先，詳細分析了PowerPC 系統(tǒng)結構和工作原理。其次，概述了邊界掃描技術的特點和組成。再次，提出了基于邊界掃描技術的PowerPC 系統(tǒng)故障排查方法。最后，以某型號飛機應用的PowerPC 系統(tǒng)為例，驗證方案的可靠性和有效性。結果表明，設計的測試系統(tǒng)快速、可靠，能夠準確定位電路板開路、短路等故障，為后續(xù)維護工作提供了極大的便利。

關鍵詞：邊界掃描技術；PowerPC 系統(tǒng)；故障診斷

中圖分類號：TN407 文獻標識碼：A

0 引言

PowerPC系統(tǒng)以其強勁的處理能力和優(yōu)秀的功耗管理，廣泛應用于嵌入式設備和高性能計算領域。然而，這些優(yōu)勢在發(fā)生系統(tǒng)故障時也可能轉變?yōu)楣收吓挪榈恼系K。由于PowerPC架構的程序異常往往表現(xiàn)為復雜且不確定的現(xiàn)象，故障排查的路徑不夠明確，所以開發(fā)者在排查過程中難以確定問題的根源。特別是在硬件層面，集成電路的復雜配置和多層次的電路設計，使得傳統(tǒng)的故障排查手段面臨極大挑戰(zhàn)。這種現(xiàn)象當前在高密度及多功能的電子產(chǎn)品中尤為突出，很多情況下，單純依賴經(jīng)驗和手工排查無法有效解決問題。基于當前背景，邊界掃描技術逐漸顯現(xiàn)出在故障診斷中的重要價值。作為一種成熟的測試標準，邊界掃描技術不僅提供了對電路板內(nèi)各元件的訪問能力，還簡化了故障診斷的流程。通過直接訪問芯片的內(nèi)部結構，邊界掃描技術能夠有效實施對硬件的在線測試，進而及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在的故障隱患。

1 PowerPC系統(tǒng)結構和工作原理

PowerPC是一種基于通用RISC體系結構的硬件平臺，可以向用戶提供高度靈活的定制功能，并且無須修改軟件即可應用于各種領域[1]。PowerPC采用了模塊化設計，具有良好的可移植性，可以通過改變其內(nèi)部模塊之間的連接關系來適應不同的應用場景。PowerPC 采用了兩級硬件結構，包括系統(tǒng)板和模擬板卡。其中，系統(tǒng)板主要負責數(shù)據(jù)處理和外部控制邏輯的實現(xiàn)，模擬板卡主要負責控制信號輸入輸出和外部控制邏輯的實現(xiàn)，兩者通過高速數(shù)據(jù)總線相連。另外，系統(tǒng)板與模擬板卡均采用高性能集成開發(fā)環(huán)境以實現(xiàn)各自功能。集成開發(fā)環(huán)境是一種實時嵌入式操作系統(tǒng)應用程序，具有豐富的接口和編程能力，能夠輕松地與各種不同類型的器件、電路和設備連接。系統(tǒng)板和模擬板卡均采用現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）作為處理核心，F(xiàn)PGA 具有高度的并行性，能夠高效地處理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)；同時它可以在短時間內(nèi)對系統(tǒng)進行重構，以適應多樣化的應用需求[2]。PowerPC系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 邊界掃描技術概述

邊界掃描技術是一種基于器件物理特性的測試方法，它可以在不影響被測設備正常工作的前提下，利用邊界特性檢測電路故障，并將電路故障定位到器件內(nèi)部，然后將故障信息傳遞給控制系統(tǒng)進行分析處理[3]。

2.1 邊界掃描技術特點

邊界掃描技術具有5 個顯著特點：①可將電路故障定位到器件內(nèi)部并將故障信息傳遞給控制系統(tǒng)；②不需要外加任何設備，只需在系統(tǒng)中添加少量測試資源即可完成對電路的故障診斷；③無須對被測設備進行編程，通過軟件即可實現(xiàn)對電路故障的檢測和定位；④不需要外接任何測試資源，可以簡化測試系統(tǒng)設計并降低成本；⑤能提供一種良好的測試平臺，使得測試更加靈活[4]。

2.2 邊界掃描技術組成

邊界掃描技術由硬件和軟件兩部分組成：硬件部分包括輸入/ 輸出（input/output，I/O）端口、數(shù)字邏輯電路、存儲器等；軟件部分包括測試程序和診斷算法[5]，如圖2 所示。

邊界掃描技術通過建立一個由控制系統(tǒng)、硬件邏輯電路和內(nèi)存組成的邊界掃描測試系統(tǒng)，對被測設備進行自動識別和定位，并通過軟件控制被測設備的工作狀態(tài)。硬件部分的硬件邏輯電路能夠完成對被測設備的掃描工作；軟件部分的測試程序和診斷算法能夠完成對被測設備的檢測工作。由于軟件能夠自動識別被測設備并對其準確定位，所以當故障發(fā)生時，只要確保控制系統(tǒng)和硬件邏輯電路正常工作，就能保證故障定位的準確性[6]。

3 基于邊界掃描技術的PowerPC系統(tǒng)故障排查方法

3.1 邊界掃描系統(tǒng)結構

邊界掃描系統(tǒng)主要由邊界掃描控制器、被測設備、測試軟件和邊界掃描單元組成。邊界掃描控制器是邊界掃描系統(tǒng)的核心部件，其根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息和算法對系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)進行判定，并向測試軟件發(fā)送故障指令；被測設備為系統(tǒng)提供控制信號，接收并解析邊界掃描控制器發(fā)送的信息；測試軟件負責根據(jù)給定的測試條件對被測設備進行測試并返回測試結果；邊界掃描單元負責對故障進行檢測和分析。

3.2 邊界掃描診斷流程

邊界掃描技術采用“先外后內(nèi)”的故障診斷流程，也就是先檢測系統(tǒng)的邊界狀態(tài)，然后對其進行內(nèi)部故障檢測。邊界掃描診斷具體流程如下。

（1）測試前準備：將邊界掃描器（boundaryscanners，BSS）與被測設備連接起來，同時將測試端與測試儀表相連。

（2）邊界掃描：啟動BSS 后，在軟件界面選擇“系統(tǒng)”，再點擊“測試”按鈕，即可進入邊界掃描模式。當儀器處于正常工作狀態(tài)時，邊界掃描完成一次自檢；當儀器出現(xiàn)故障時，會觸發(fā)報警提示用戶。

（3）故障檢測：邊界掃描模式下，按照圖3 所示的步驟進行檢測。先檢測被測設備的正常狀態(tài)，再對其進行故障檢測。

4 診斷實例測試結果分析

以某型號飛機應用的PowerPC 系統(tǒng)為例來說明邊界掃描技術的具體應用。該型號飛機裝備了兩套涉及PowerPC 系統(tǒng)的設備：一套為機載主機系統(tǒng)（該系統(tǒng)內(nèi)置1 臺PowerPC）；另一套為地面控制系統(tǒng)（該系統(tǒng)同樣內(nèi)置1臺PowerPC）。地面控制系統(tǒng)包含3個I/O端口，其中2個為開關端口，1個為控制端口。在飛機飛行過程中，地面控制系統(tǒng)需要對飛機的各個功能進行控制。如果控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，飛機在飛行過程中可能會出現(xiàn)操作失靈現(xiàn)象，嚴重影響飛行安全。該型號飛機上的PowerPC系統(tǒng)采用了多通道輸入的架構形式，它擁有2個并行通道，每個通道有8個數(shù)字輸出口。采用邊界掃描技術對飛機上的PowerPC系統(tǒng)進行測試和診斷后，發(fā)現(xiàn)該PowerPC 系統(tǒng)存在4個故障點。診斷測試結果如表1所示。

從表1的診斷測試結果可以得出，基于邊界掃描技術的PowerPC 系統(tǒng)故障排查方法能夠高效完成故障排查工作，且符合設計指標。

5結論

本文研究了邊界掃描技術及其在PowerPC系統(tǒng)故障排查中的應用，取得了顯著的理論與實踐成果，研究結果不僅為PowerPC 架構下的程序異常檢測提供了有效方案，也為未來相關技術的開發(fā)與應用奠定了基礎。此外，本文提出的測試系統(tǒng)具有較強的通用性，能夠為各類數(shù)字電路的故障診斷與維護工作提供重要的參考價值。希望本文能夠進一步推動邊界掃描技術的實際應用，增強國產(chǎn)電子設備在國際市場上的競爭力。