胡珊

（福建師范大學計算機與網(wǎng)絡空間安全學院 福建省福州市 350108）

1 硬件實驗箱維護現(xiàn)狀

《計算機組成原理》是高校計算機相關專業(yè)（包括計算機科學與技術、電子信息科學與技術、軟件工程、網(wǎng)絡工程與管理及新興的物聯(lián)網(wǎng)等專業(yè)）的硬件基礎課程，在計算機硬件課程體系中處于核心環(huán)節(jié)[1-2]，同時也是計算機類碩士入學考試的必考專業(yè)課之一，其實驗教學作為該課程理論教學的重要環(huán)節(jié)，有著重要作用。該課程實驗的載體——計算機硬件實驗箱（清華大學科教儀器廠生產(chǎn)），使用人員復雜多變，實驗過程中使用人員帶電拔插連接導線和元器件，焊點氧化，靜電影響等等，致使硬件實驗箱的故障與維護相當繁雜[3-4]，維護工作量大。而目前開發(fā)的部分虛擬實驗環(huán)境并不能完全取代真正的硬件實驗環(huán)境。由于硬件實驗箱不像實驗機房主機有開機還原或定期還原系統(tǒng)，也沒有開機檢測功能，維護時實驗管理人員只能每臺開箱通電測試，做計算機組成實驗各個項目，然后憑經(jīng)驗來判斷，碰上芯座等損壞就得寄廠維修。不僅耗費時間，而且還嚴重影響設備完好率，不利于實驗教學的正常開展，因此，鮮少有人愿意主動承擔計算機硬件實驗室的管理與維護。

2 硬件實驗箱維護與故障診斷

硬件實驗箱的維護如同微型計算機一樣有硬件與軟件的維護。遵循從簡單的事情入手，先外后內(nèi)，抓主要問題。即先檢查實驗箱的各種控制開關是否處于正確的位置，不同的位置，功能不同。比如右上角控制轉(zhuǎn)換開關是“獨立”還是“微程序”，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RD0、RD1、RS0、RS1等），被鉗制住了，開關數(shù)據(jù)也送不進數(shù)據(jù)線上（D0到D7亮、滅不正確）；其次，用邏輯筆等工具檢查外部連線、開關等是否正常，以保證各控制端控制電平有效；若以上兩項正常，則根據(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，然后檢查問題區(qū)域的芯片是否有問題或其底座是否有問題。這屬于硬件的檢查及維護，這里不再贅述。本文主要從軟件維護的層面（即重置控存代碼）來闡述計算機硬件實驗箱的診斷與維護。

2.1 何種狀態(tài)重置控存代碼

（1）學生實驗過程中反映E2PROM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=101運算器組成），結(jié)合該硬件實驗箱采用的控存代碼表（見表1）和微指令格式[5]（圖1）。微指令長40位，順序字段11 位（判別字段P4～P0，后繼微地址NμA5～NμA0），控制字段29 位，0～7位對應CM0，8～15位對應CM1，16～23位對應CM2，24～31位對應CM3，32～39位對應CM4?？卮娲a表以16進制顯示，若要對應指示燈，則需轉(zhuǎn)換成二進制，1（高電平）對應的燈亮，0（低電平）對應的燈滅。

表1：部分控存代碼表

圖1：微指令格式

按CLR系統(tǒng)復位，當前微地址uA5～uA0為00H，此時CM4和CM0對應0CH和41H，其余為00H（參見控存代碼表第二行），轉(zhuǎn)換成二進制則為00001100B和01000001B，對照微指令格式，燈SEL1、SEL0、P0、NuA0亮；按QD第一次，由于該硬件試驗系統(tǒng)運算器組成試驗微程序下入口地址為0BH ，即uA5～uA0為0BH（對應二進制為00001011），處于計算機硬件實驗箱面板上微程序控制器區(qū)域下端的燈uA3、uA1、uA0亮，對照控存代碼表，CM4為44H（01000100B），燈SELCTL、SEL0亮，CM3為10H（00010000B），燈SBUS亮，CM2為02H（00000010B），燈STOP亮，CM1為08H（00001000B），燈DRW亮，CM1為15H（00010101B），燈NuA4、NuA2、NuA0亮，NμA5～NμA0代表下一微地址，此時為15H（見CM0的后六位）；按QD第二次，當前微地址uA5～uA0為15H（00010101B，由上一次按下QD后顯示的后繼微地址NμA5～NμA0決定），燈uA4、uA2、uA0亮，此時CM4為50H（01010000B），燈SELCTL、SEL2亮，CM3為10H（00010000B），燈SBUS亮，CM2為02H（00000010B），燈STOP亮，CM1為08H（00001000B），燈DRW亮，CM1為16H（00010110B），燈NuA4、NuA2、NuA1亮；類似操作，到第七次按QD，恢復到按CLR時狀態(tài)。在這一循環(huán)過程中（見表1，微地址按00、0B、15、16、17、18、19、00循環(huán)），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，需重置控存代碼。事實上，一般在按復位鍵及兩次QD后，就能看出控存代碼是否出了問題。

（2）一般維護實驗箱時首先檢查的就是在微程序狀態(tài)下，按CRL及QD，控制轉(zhuǎn)換框內(nèi)及微程序控制器框內(nèi)的指示燈有亮有滅，若不按正常的規(guī)律亮滅，那就需要重置CM4～CM0的控存代碼；有時復位正常，但按QD亂碼；有時按復位及QD，指示燈亮滅均不正常等，這些狀況都是先進行硬件試驗箱的軟件維護，即重置控存代碼，給試驗箱來個軟件復位。

總之，在進行硬件實驗箱維護時，微程序狀態(tài)下選定某種操作模式，按控存代碼表（或微程序流程圖）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，是軟件故障還是硬件故障，軟件故障的話重置控存代碼即可，類似于微型計算機的軟件還原；是硬件故障的話，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。

2.2 如何重置控存代碼

斷開硬件實驗箱電源，串口編程電纜將實驗箱與微型計算機的串口連接好，硬件實驗箱的編程開關上撥到“編程位”，取下DZ1短路片（注意這里不要按實驗箱面板標注的中、右短路）；電腦主機開機，點開對應的控存代碼寫入軟件（這里是TEC-8COMDOWN），波特率改為2400，勾選文件CM0……CM4，點“打開”按鈕，選擇電腦主機中控存代碼下的常規(guī)微程序控制器CM0-4 (EEPROM)，文件類型選擇所有文件，雙擊CM0，則打開了CM0，依次類似可以打開CM1、CM2、CM3、CM4。開啟實驗箱電源，重置前先按下實驗箱面板編程開關右側(cè)的復位鍵（否則下載不成功，一直顯示寫入超時），再點計算機寫入軟件的“編程”按鈕，進行控存代碼重置。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，并伴隨硬件實驗箱微指令燈閃爍，則實驗箱軟件基本恢復正常。

2.3 重置控存代碼是否成功

關閉實驗箱電源，取下編程電纜，編程開關“正?！保刂妻D(zhuǎn)換“微程序”，DZ1端子左、中兩腳短接，單拍上撥為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控存代碼表，此時SEL1、SEL0、P0、NuA0燈亮，其余燈滅，表示實驗箱基本正常。

更深入的測試則可以結(jié)合學生反映的具體問題來選擇某種操作模式。比如學生反映寄存器讀不出來或B7～B0顯示出問題，那可以先寫寄存器（微程序下令SWCSWBSWA=100，微程序入口地址為09H），分別將1、2、3、4寫入寄存器R0～R3。寫入的過程中如下：將SD7到SD0撥成00000001，燈D7～D0即刻對應顯示即將寫入的數(shù)據(jù)1，第一次按QD，當前微地址09H（uA3和uA0亮），各指示燈的亮滅狀態(tài)應該符合控存代碼表（SELCTL、SEL0、SBUS、STOP、DRW、NuA3亮），同時微程序給控制寄存器數(shù)據(jù)寫入的控制端發(fā)送控制信號RD1RD0（00，由SEL3、SEL2決定）；第二次按QD時，1寫入寄存器R0，此時B0亮，當前微地址08H由上次操作后給出的后繼微地址決定，uA3亮，SELCTL、SEL2、SBUS、STOP、DRW、NuA3、NuA1亮，將SD7到SD0撥成00000010，指示燈D7到D0顯示數(shù)據(jù)2準備好，因SEL3SEL2為01，故寄存器控制端RD1RD0為01；第三次按QD，數(shù)據(jù)2寫入寄存器R1，B1燈亮，當前微地址跳轉(zhuǎn)成0AH，uA3、uA1亮，SELCTL、SEL3、SEL0、SBUS、STOP、DRW、NuA3、NuA2亮，寄存器控制端RD1RD0為10（寄存器R2準備接受數(shù)據(jù)寫入），SD7到SD0撥成00000011，數(shù)據(jù)指示燈D1、D0亮（顯示3）；第四次按下QD，3寫入R2，B1、B0亮，微地址轉(zhuǎn)變成0CH，uA3、uA2亮，SELCTL、SEL3、SEL2、SEL1、SBUS、STOP、DRW亮，后繼微地址NuA5～NuA0=00，因SEL3SEL2=11，此時選擇的寫入寄存器為R3，SD7到SD0撥成00000100，數(shù)據(jù)燈D2亮，表示數(shù)據(jù)4準備好；第五次按下QD，數(shù)據(jù)4寫入R3。寫寄存器時微地址按00、09、08、0A、0C、00循環(huán)；然后再讀寄存器（令SWCSWBSWA=100，微程序入口地址為07H），讀寄存器過程如下：微程序狀態(tài)，第一次按QD，當前微地址07H，即uA2、uA1、uA0亮，SELCTL、SEL0、STOP、NuA2、NuA1亮，SEL3SEL2=00和SEL1SEL0=01分別連接寄存器控制端RD1RD0、RS1RS0，所以A7～A0顯示寄存器R0的內(nèi)容1（A0亮），B7～B0顯示R1的內(nèi)容2（B1亮）；第二次按QD，當前微地址06H，uA2、uA1亮，SELCTL、SEL3、SEL1、SEL0、STOP亮，SEL3SEL2等 于10，SEL1SEL0等于11，故A7～A0顯示寄存器R2的內(nèi)容3（A1A0亮），B7～B0顯示R3的內(nèi)容4（B2亮），此時微地址按00、07、06、00循環(huán)。

3 結(jié)束語

計算機組成硬件實驗箱是高校計算機相關專業(yè)實踐教學的必備設備，能鍛煉學生的實踐能力，培養(yǎng)學生學習興趣，激發(fā)創(chuàng)新精神，不過卻一直沒有一套標準的維護方案。本文結(jié)合硬件實驗箱采用的控存代碼和微指令格式，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)，從而快速確認實驗箱是軟件損壞還是硬件損壞，軟件方面就先在編程狀態(tài)下重置控存代碼，然后，實驗箱再在正常的微程序下按流程走一遍，這里所選的流程可以結(jié)合學生反映的問題來選擇，一方面能判斷重置代碼是否成功，另也可以輔助判斷硬件故障的大致區(qū)域?？傊?，熟悉控存代碼的重置和應用，極大提高了維護人員的工作效率和設備完好率，保障實驗教學正常進行。