胡 珊（福建師范大學 數(shù)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(lián)網(wǎng)工程、電子信息科學與技術、網(wǎng)絡工程與管理、軟件工程等多個專業(yè)的硬件基礎課程，也是計算機硬件課程體系中的核心環(huán)節(jié)[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(guī)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(tǒng)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(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)和鍛煉學生的創(chuàng)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(tǒng)，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(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?lián)艿健罢！?，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(xiàn)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(tài)，即當前微地址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(xù)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(xiàn)象依舊，則COM1上排的74LS08一般出現(xiàn)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(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(jié)已經(jīng)詳述了維護的方法，這里主要針對實驗過程中出現(xiàn)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(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(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(yè)實踐教學的必備設備，是培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)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(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，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。