Лещенко Сергій Олександрович

Факультет комп'ютерних наук і технологій

Кафедра комп'ютерної інженерії

Спеціальність "Комп'ютерні системи та мережі"

Розробка методів і засобів виявлення та усунення збійних тестових векторів цифрових пристроїв

Науковий кeрівник: к.т.н., доцент кафедри КІ Зінченко Ю.Є.

Реферат з теми випускної роботи

«Розробка методів і засобів виявлення та усунення збійних тестових векторів цифрових пристроїв»

Актуальність роботи

Однією з основних проблем при синтезі тестів і особливо при псевдовипадковому генеруванні є аналіз збійних станів [7], до яких тести можуть приводити. Частково ця проблема вирішується для деяких типів збоїв [6], в таких системах як PSpice та їх подібним, проте багато збійних ситуацій залишаються не розпізнаними. Таким чином згенеровані тестові вектори для діагностики друкованих плат часто виявляються некоректними, що викликає збої на практиці.

Найбільш складними об'єктами діагностики (ОД), як відомо, є асинхронні логічні схеми [8]. У даній роботі, як альтернатива традиційному підходу аналізу збійних ситуацій асинхронних послiдовнiсних схем пропонується підхід аналізу та усунення гонок сигналів тригерних елементів у системі автоматизованого проектування(САПР) ORCAD 10.0.

У зв'язку з тим, що при синтезі тестів для діагностики друкованих плат основна проблема полягає в аналізі збійних станів, є актуальними дослідження з генерації коректних тестових векторів завдяки побудові пасток для запобігання збійних ситуацій [9].

Мета і завдання

Метою роботи є генерація псевдовипадкових тестів цифрових типових елементів заміни (ТЕЗ), що не містять збійних ділянок. Для реалізації поставленої мети в роботі вирішуються наступні завдання:

• розробка алгоритму пошуку тригерних елементів цифрових пристроїв (ЦП) на основі початкового опису ОД у загальному рівні і у форматі EDIF, зокрема;
• побудова логічних моделей заглушок для кожного тригерного елемента і включення їх у загальну модель об'єкта діагностики;
• розробка підсистеми аналізу збійних ситуацій ТЕЗ на базі САПР ORCAD з використанням мови опису аналого-цифрових пристроїв PSpice;
• експериментальні дослідження побудови тестів ТЕЗ спеціалізованого радіотехнічного комплексу з використанням САПР-Т Adaptive PRTG-LAN і підсистеми аналізу збійних ситуацій.

Наукова новизна і практичні результати

У роботі запропонований підхід аналізу збійних ситуацій ЦП шляхом моделювання ОД спільно з моделями логічних пасток збоїв, попередньо побудованих для тригерних елементів ОД.

Практична цінність полягає в тому, що за допомогою запропонованого підходу можуть бути побудовані псевдовипадкові тести, що не приводять до збоїв ЦП.

Реалізовану підсистему аналізу збійних ситуацій ТЕЗ можна буде використовувати:

• в якості синтеза коректних тестових векторів;
• у навчальному процесі при виконанні лабораторних робіт;
• на підприємствах, які займаються побудовою тестів для типових елементів заміни.

Апробація роботи

Робота доповідалася на V міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів та молодих науковців «Інформатика та комп'ютерні технології – 2009» (секція «Проектування ЕОМ та цифрових пристроїв, FPGA-технології»).

Основний зміст роботи

Математичне моделювання як метод автоматизованого проектування обчислювальних пристроїв

Найбільш ефективним способом дослідження працездатності складного обчислювального пристрою є його моделювання. Основними способами автоматизованого дослідження працездатності обчислювальних пристроїв є наступні :

• макетування;
• фізичне моделювання;
• аналітичне моделювання;
• математичне моделювання.

Неавтоматизований розрахунок за заздалегідь відомими формулами або розрахунок за аналітичними виразами виконується за допомогою формул, що зв'язують вихідні параметри інтегральних схем з внутрішніми параметрами, тобто параметрами їх окремих компонентів. При цьому робляться значні спрощення.

Основні недоліки даного методу проектування великих інтегральних схем (ВІС) — висока трудомісткість виведення формул і низька точність розрахунків [1]. Основна перевага — доступність.

Фізичне моделювання являє собою дослідження об'єктів однієї фізичної природи за допомогою об'єктів, що мають іншу фізичну природу, але при цьому однакову з досліджуваними об'єктами математичний опис. В основі фізичного моделювання лежить зазвичай принцип електрофізичних аналогій.

Фізичне моделювання при проектуванні ВІС використовується рідко. Воно може застосовуватися для вивчення супутніх роботі схем, наприклад, теплових процесів, математичне моделювання яких дуже складно і трудомістко.

Натурне макетування — один з найбільш старих способів проектування радіоелектронної апаратури (РЕА) [3]. Його головна перевага — максимальна достовірність результатів, зумовлена роботою з реальними схемами, а не їх наближеними моделями. У той же час макетування має ряд великих недоліків. Основні з них — висока вартість, тривалість створення макета, обмеження можливості макетування.

Метод моделювання на комп'ютері припускає використання в якості об'єкта налагодження програмної моделі проектованої системи. Цей метод є універсальним, тому що модель може бути отримана для обчислювальної системи будь-якої структури та архітектури. Найбільш широко застосовуваним методом проектування є математичне моделювання.

Автоматизоване проектування включає вирішення задач розрахунку, аналізу, оптимізації та синтезу. Ці завдання називаються проектними процедурами і мають наступний зміст:

• розрахунок — визначення вихідних параметрів і характеристик пристрою при незмінних значеннях його внутрішніх параметрів і постійної структурі;
• аналіз — визначення зміни вихідних параметрів і характеристик пристрої залежно від зміни його внутрішніх та вихідних параметрів. В автоматизованому проектуванні задача розрахунку часто називається одноваріантним аналізом, а завдання синтезу — багатоваріантним аналізом;
• оптимізація — визначення найкращих в тому чи іншому сенсі значень вихідних параметрів і характеристик шляхом цілеспрямованої зміни внутрішніх параметрів пристрою. Це є змістом параметричної оптимізації. Оптимізація структури пристрою є змістом структурної оптимізації. Внутрішні параметри, за рахунок зміни яких виконується параметрична оптимізація, називаються змінними. Спосіб зміни змінних параметрів визначається конкретним алгоритмом оптимізації.

Під математичним моделюванням звичайно розуміється складання математичної моделі пристрою та її використанням на електронній обчислювальній машині (ЕОМ) в процедурах розрахунку, аналізу, оптимізації та синтезу. Моделювання на ЕОМ має наступні переваги :

• У задачах розрахунку за допомогою моделі можна знайти вихідні параметри схем або їх характеристики, які не можна безпосередньо виміряти на макеті через недоступність точок вимірювання, що особливо характерно для інтегральних схем.
• В задачах аналізу моделювання дозволяє проаналізувати вихідні параметри та характеристики схеми в граничних і позамежних режимах, фізична реалізація яких небезпечна для макета. Крім того, моделювання дозволяє досить точно виконати аналіз різних екстремальних та статистичних характеристик схеми без запуску її в серію, аналіз впливу на схему зовнішніх умов без реальних кліматичних та інших випробувань, аналіз нереалізованим на макеті залежностей вихідних параметрів схеми від внутрішніх, наприклад, залежностей вихідних параметрів ВІС від внутрішніх параметрів елементів, що дає можливості мати високу якість проектування [4].
• У задачах оптимізації можливості макета обмежені невеликою кількістю регулювальних елементів. При моделюванні можна змінювати будь-які керовані параметри, домагаючись максимального поліпшення вихідних параметрів.
• Роль моделювання в задачах синтезу полягає у перевірці правильності функціонування синтезованих схем шляхом розрахунку їх математичних моделей [2]. За допомогою моделювання це можна зробити набагато швидше, ніж виконати макетування кожної синтезованої схеми.

Недоліком методу моделювання є менша щодо макета швидкодія програмної моделі відлагоджувальної системи. Так, при моделюванні на рівні системи команд на емуляцію однієї команди мікропроцесорної системи припадає від кількох десятків до кількох сотень команд інструментальної ЕОМ. При функціонально-логічному моделюванні системи на рівні ВІС витрати машинного часу, як правило, ще більше.

Тим не менше, використання машинних моделей мікропроцесорних систем як об'єкта налагодження вельми ефективно внаслідок їх універсальності щодо типу відлагоджувальних систем, відсутність необхідності виготовлення макету, можливості паралельного аналізу декількох технічних рішень.

Для дослідження працездатності обчислювальних пристроїв різної складності засобами персонального комп'ютера застосовують різні методи математичного моделювання, які схильні до класифікації в залежності від типу проектованого пристрою.

Для цифрових обчислювальних пристроїв використовуються методи функціонального моделювання (розбиття схеми на функціональні блоки), регістрових передач (деталізація подання пристрою не опускається нижче регістрів, лічильників і т.д.) і логічного моделювання (деталізація до рівня логічних елементів).

Сучасні САПР, такі як OrCAD 10.0, PCAD-2006, MicroSIM, MicroCAP дозволяють виконувати моделювання аналогово-цифрових пристроїв в одному сеансі. Для моделювання аналогової частини пристрою застосовуються методи, пов'язані з рішенням систем звичайних диференціальних рівнянь, тоді як для цифрової частини використовуються методи, орієнтовані на моделювання стаціонарних процесів на рівні стійких станів логічного "нуля" і логічної "одиниці".

Використання логічного моделювання в схемотехнічному проектуванні обчислювальних пристроїв

Найбільш поширеним способом дослідження працездатності модельованих цифрових пристроїв є логічне моделювання. Головним завданням логічного моделювання є оцінка якості пропонованого варіанту функціональної схеми проектованого пристрою. На першому етапі досліджується схема на відповідність заданим функціям без урахування затримок сигналів, обмежень елементної бази та зовнішніх умов. Подібна перевірка не вимагає великих витрат машинного часу і дозволяє виявити помилки в структурі пристрою, допущені при його синтезі. Другим етапом дослідження є перевірка працездатності пристрою з урахуванням затримок елементів, що складають його структуру, і впливів різних дестабілізуючих факторів. Цей аналіз дає можливість виявити критичні змагання сигналів, що виникають в асинхронних схемах [10], а так само причини інших збоїв.

При логічному моделюванні можуть вирішуватися завдання перевірки логіки роботи схем, аналіз перехідних процесів, визначення надійності роботи схем залежно від розкиду параметрів комплектуючих елементів, генерація тестів та інше. Залежно від поставленого завдання вибирається метод моделювання. Основними відмінними рисами методів є: спосіб обліку часу і розповсюдження сигналу в схемі, спосіб кодування сигналів, спосіб побудови моделі в комп'ютері, черговість моделювання елементів. Залежно від способу обліку часу поширення сигналу методи діляться на синхронний (без урахування затримок в елементах схеми) і асинхронний (з урахуванням затримок). Залежно від способу подання сигналів — на двійковий і багатозначний (трійкового, п'ятизначний та ін); за способом організації роботи програми — на метод компіляції та метод інтерполяції.

У логічному моделюванні оперують поняттями моделей елементів, які представляють собою закінчену частину логічної схеми пристрою, тобто окремі комбінаційні схеми типу І, ЧИ, І-НІ, ЧИ-НІ та інше, або їх більш складні комбінації. При цьому використовуються функціональні моделі елементів, тобто подання елементів у вигляді "чорних ящиків", для яких зв'язок між вхідними і вихідними сигналами задається у вигляді булевих рівнянь, таблиць істинності або описується іншими способами. Найпростіші елементи, які складають базу даних, використовуються для опису більш складних пристроїв.

У логічному моделюванні прийнято подання сигналів у вигляді логічних нулів та одиниць.При цьому за один з логічних рівнів приймається "0", а за інший "1". Також часто використовується представлення сигналів, що позначаються "0", "1" і "X", де "0" і "1" мають звичайний сенс, а "X" означає або перехід з одного стійкого стану в інший, або невизначений стан. За таких умов здійснюється тризначне моделювання. У системах більш детального моделювання використовується більше число символів для позначення різних станів елементів. Всі ці способи представлення логічних сигналів належать до багатозначного представлення на рівні перемикання. Взагалі, можна відзначити два основних типи інтерпретації поняття "багатозначність": багатозначність за видом перемикання логічних сигналів і багатозначність як квантування логічного сигналу по рівню.

До першого типу можна віднести такі методи багатозначною логіки, які засновані на використанні крім значень "0" і "1" булевої алгебри різних уявлень подієвих сигналів:

• при тризначному моделюванні для представлення значень величин сигналів береться безліч L = (0, 1 / 2, 1), де "0" і "1" інтерпретуються так само, як і в булевої алгебри, а "1 / 2" використовується для представлення подієвого (перехідного) процесу. Значення "1 / 2" сприймається логічним елементом або як "0", або як "1", тобто якщо деякий сигнал змінює своє значення, то протягом перехідного процесу значення сигналу може сприйматися як "0" або як "1", тому при моделюванні воно позначається як "1 / 2", причому це позначення треба розглядати як єдиний символ;
• чотиризначна модель (алгебра Посту): "0", переходи "0 1" і "1 0", "1";
• п'ятизначна модель: "0", "0 1", "1 0", "1", "Х" — невизначений значення;
• восьмизначна модель: "0", "1", чисто алгоритмічні переходи "0 1" і "1 0", які позначаються спеціальними символами "+" і "-" відповідно, статичні ризики збою "S0" і "S1", динамічні ризики збою "D+" і "D-";
• дев'ятизначна модель: до символів восьмизначної моделі додається символ "невизначене значення", під яким розуміють випадкове значення виходу RS-тригера, коли на його входах відбувається перехід від забороненого набору до набору, відповідного режиму зберігання. Цей метод застосовується для аналізу на ризики збою схем з пам'яттю або зі зворотними зв'язками.

Другий тип багатозначності пов'язаний з квантуванням сигналу за рівнем, коли кожної визначеної амплітуді сигналу між двома стійкими станами логічного "0" і "1" присвоюються певні значення (наприклад, у вигляді десяткового числа або двійкового коду). Існує також поняття багатозначності, пов'язане з роботою багатостабільних елементів, але тут багатозначність визначається технологією електронної реалізації цих елементів, а не способом їх логічного моделювання. Крім того, такі елементи в даний час мають дуже невелике поширення.

Відомо, що при моделюванні складних пристроїв завжди існує небезпека появи тимчасової неузгодженості вхідних сигналів елементу, який може призвести до появи помилкового сигналу на виході логічного елемента, — динамічні і статичні ризики збоїв [5]. Різні САПР в залежності від закладених в них методів моделювання по-різному відображають появу такого роду ситуації. При цьому виконавчі методи моделювання виявляються неспроможними при аналізі не тільки динамічних, але і статичних ризиків збоїв. У САПР, в яких реалізована можливість використання багатозначних моделей для представлення сигналів першого типу, виконується тільки індикація ризиків збоїв.

Аналіз збійних станів на підставі PSpice-моделі

Ідею пропонованого підходу можна описати за допомогою так званої «моделі генерації коректних псевдовипадкових тестів, яка наведена на рисунку 1.

Рисунок 1 — Загальна схема програмної діагностики друкованої плати (Анімація: обсяг — 32 КБ; розмір — 360х335; кількість кадрів — 3; затримка між кадрами — 1 с; затримка між першим і останнім кадрами — 3 с; кількість циклів повторення — нескінченна.)

Схема включає генератор випадкових або псевдовипадкових тестів [11], об'єкт діагностики (PSpice-модель) і схему аналізу збійних векторів. Генератор псевдовипадкових тестів генерує псевдовипадкову послідовність вхідних сигналів. Значення згенерованих сигналів подаються на PSpice-модель, яка на підставі CAD-даних об'єкта діагностики визначає "коректність" подачі такої комбінації. У разі збійної ситуації на генератор псевдовипадкових тестів подається відповідний сигнал повернення на декілька ітерацій для подальшого моделювання. Схема аналізу збійних векторів служить для розпізнавання збійних ситуацій, які були пропущені програмним середовищем для діагностики друкованої плати.

Схема аналізу збійних векторів обчислює сигнал помилки E1 для повернення на етапі моделювання до попереднього кроку, сигнал E2, який дозволяє продовжити моделювання в разі особливих ситуацій.

Таким чином, наведена схема дозволяє перехопити збійні вектора сигналів, які не розпізнає використовувана модель PSpice, що виключає виникнення некоректних вхідних векторів в процесі випадкової генерації тестів.

Розгляд збоїв у асинхронних послiдовнiсних схем

В схемі аналізу збійних векторів пастки збоїв будуються відповідно до тригерних елементів на підставі CAD-даних об'єкта діагностики в системі автоматизованого проектування ORCAD 10.0. Загальна схема тригерного елемента, в якому можуть виникнути змагання сигналів, представлена на рисунку 2. Общая схема триггерного элемента, в котором могут возникнуть гонки сигналов, представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 — Структурна схема RS-подібного тригерного елемента

Аналіз збійної ситуації відбувається на підставі зовнішніх впливів на входах схеми. У результаті будується пастка збою, яка у випадку "некоректною" комбінації формує сигнали E1 і E2, що викликають повернення на декілька ітерацій для подальшого моделювання.

Гонки сигналів починаються у разі переходу із забороненої комбінації в режим зберігання.Пастка відловлює таку ситуацію і формує керуючий вплив на генератор псевдовипадкових тестів.

Висновок

Таким чином в роботі були розглянуті основні способи автоматизованого дослідження працездатності обчислювальних пристроїв. До даного моменту налагоджена програма побудови пасток на підставі CAD-даних об'єкта діагностики в середовищі моделювання ORCAD 10.0 і ведуться роботи по призначенню часових затримок схеми пасток згідно затримок мікросхем ОД.

Список літератури

1. Мангир Т.Э. Источники отказов и повышение выхода годных СБИС. ТИИЭР. – 1984. – т. 72, № 6. – С. 35 – 56.
   
   
2. Горяшко А.П. Синтез диагностируемых схем вычислительных устройств. М.: Наука., 1987. – 288 с.
   
   
3. Давыдов П.С. Техническая диагностика радиоэлектронных устройств и систем. — Г.: Радио и связь, 1988. — 256 с.
   
   
4. Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная электроника. – М.: Высшая школа, 1987. – 416 с.
   
   
5. Digital Failure Rate Data Book. 1981, Rome Air Development Center, MDR-17.
   
   
6. Скачков С. А., Клюев А. В. Аналитическая модель механизма возникновения аппаратных сбоев цифровых устройств// Материалы Международного форума по проблемам науки, техники и образования. М., 2008. с. 27–29.
   
   
7. Немолочнов О.Ф., Зыков А.Г., Лаздин А.В., Поляков В.И. Верификация в исследовательских, учебных и промышленных системах // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 11. Актуальные проблемы анализа и синтеза сложных технических систем. — СПб.: СПбГУ ИТМО, 2003. С.146–151.
   
   
8. Немолочнов О.Ф. Щупак Ю.А. Модель функциональных неисправностей для автоматного представления первичных элементов логической схемы // Автоматика и телемеханика. 1993. №5. С. 167–-179.
   
   
9. Чжен Г., Меннинг Е., Метц Г. Диагностика отказов цифровых вычислительных систем. М.: Мир, 1972.
   
   
10. Huffman D. The design and use of hazard tree switching network // J. Of ACM. 1957. V. 4. №1. Р. 37–40.
    
    
11. Маринец Е.Н. Исследование эффективности генерации тестов аналого-цифровых ТЭЗ специализированного радиотехнического комплекса /Маринец Е.Н. Автореферат. http://masters.donntu.ru/2007/fvti/marinets/diss/autoreferat.htm

Примітка

При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Дата остаточного завершення роботи: 1 грудня 2010 Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його наукового керівника після зазначеної дати.