Проектирование сигнатурного анализатора - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
Оглавление
Введение. 2
СЧЕТ ПЕРЕХОДОВ. 3
КОДЫ ЦИКЛИЧЕСКОГО ИЗБЫТОЧНОГО КОНТРОЛЯ. 4
СИГНАТУРНЫЙ АНАЛИЗ. 7
КАКИЕ ИЗДЕЛИЯ ПРИГОДНЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МЕТОДОМ СИГНАТУРНОГО АНАЛИЗА. 10
ПРОСТОЙ СИГНАТУРНЫЙ АНАЛИЗАТОР. 12
Структурная схема простого сигнатурного анализатора. 12
Секция анализа простого сигнатурного анализатора. 14
Схема индикации сигнатуры зафиксированной в анализаторе. 15
Описание элементной базы используемой для создания простого сигнатурного
анализатора. 16
ТЕСТИРОВАНИЕ В РЕЖИМЕ СВОБОДНОГО СЧЕТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИГНАТУРНОГО
АНАЛИЗАТОРА. 17
Системное ядро. Режим свободного счета. 17
Использование сигнатурного анализатора в режиме свободного счета. 18
ТЕСТИРОВАНИЕ ПЗУ В РЕЖИМЕ СВОБОДНОГО СЧЕТА. 23
ТЕСТ–ЦИКЛЫ СИГНАТУРНОГО АНАЛИЗА. 25
ВСТРОЕННЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ СИГНАТУРНОГО АНАЛИЗА 27
ОГРАНИЧЕНИЯ СИГНАТУРНОГО АНАЛИЗАТОРА 29
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 31
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ И РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ: 32
Введение.
Аналоговые схемы проверяются путем подачи известных тест-наборов и
контроля каждого узла в тракте распространения сигнала с помощью
осциллографа. При обнаружении нестандартного сигнала подозрение падает на
ту часть схемы, которая управляет узлом, и именно она исследуется более
тщательно. В принципе таким же образом можно проверять и цифровые схемы:
подавать известные тест-наборы и контролировать каждый узел в тракте
распространения сигнала. Однако цифровые системы радикально отличаются от
аналоговых систем не только самой природой сигналов, но и наличием гораздо
большего числа сигнальных входов. Если бы цифровой системой можно было
управлять таким образом, что на всех ее входах действовал четко
определенный тест-набор, то каждый узел можно было бы проверить на
фиксированный набор событий. В любом узле при каждом выполнении
стимулирующей программы возникает один и тот же набор, и его можно
использовать для проверки правильной работы узла. Если измеряемый набор
отличается от ожидаемого, следует подозревать наличие отказа между данным
узлом и стимулируемыми точками системы. При заданном фиксированном тест-
наборе измеряемый набор в любом узле оказывается уникальным, и его можно
использовать для контроля по принципу “проходит/не проходит”. Измеряемая
реакция узла на известные тест-набор называется “сигнатурой” (т.е.
подписью) по аналогии с уникальностью рукописных подписей у людей.
Рассмотренный принцип лежит в основе целой области цифрового тестирования,
называемой сигнатурным анализом.
Сигнатурный анализ разработан на основе двух применявшихся ранее
способов контроля ошибок; первым является способ проверки логических узлов
в цифровой системе, называемой счетом переходов, а вторым – способ контроля
ошибок, называемый циклическим избыточным контролем. Сигнатурный анализ как
бы моделирует первый способ, но действует аналогично второму способу.
Счет переходов.
Если узел стимулировать известным и периодическим тест-набором, то
сигнал в узле можно считать псевдослучайной двоичной последовательностью,
которая на коротких интервалах выглядит случайной, но повторяется при
выборе большего масштаба времени.
Широко распространенный и простой способ контроля заключается в том,
чтобы подсчитать переходы сигнала из одного состояния в другое и
использовать полученное число в качестве идентификатора узла. Общее число
изменений состояния стимулируемого узла может быть очень большим, поэтому
необходим какой-то способ сжатия информации. Обязательным условием счета
переходов является определенное “временное окно”, в течении которого
подсчитываются переходы в узле. В интервале “временного окна” выполняется
тест-программа, которая стимулирует проверяемый узел и по возможности
должна быть периодической для удобства воспроизведения и сравнения
результатов нескольких измерений. В конкретной системе с определенными
“временным окном” и тест-последовательностью результаты нескольких
подсчетов переходов должны быть идентичными. Для применения метода счета
переходов (СП) как способа поиска неисправностей необходимо измерить и
задокументировать числа переходов в каждом узле. При возникновении
неисправности исследователь выполняет тест-программы, измеряет числа
переходов в подозреваемых узлах и сравнивает их с документированными
значениями. Любые расхождения свидетельствуют о наличии неисправности, и с
помощью систематической процедуры ее можно локализовать.
Коды циклического избыточного контроля.
В вычислительной системе, где данные передаются, например с дискового
накопителя в основную память, с высокой скоростью, необходимы средства
контроля отсутствия ошибок при передачи. Простой контроль с битом четности
оказывается недостаточным при передачи блоков данных и применим только в
асинхронных последовательных линиях связи, в которых информация передается
по символам. Для преодоления ограничений контроля по четности и обеспечения
обнаружения одно- и много битных ошибок в быстродействующих синхронных
линиях связи были разработаны коды циклического избыточного контроля.
Если взять 8-битное двоичное слово, его можно рассматривать как
коэффициент полинома степени 7. Двоичный набор B7B6B5B4B3B2B1B0 есть
сокращенное представление двоичного полинома:
B7*27 + B6 * 26 + B5*27 + B4*24 + B3*23 + B2*22 + B1*21 + B0*20
Например, двоичное слово 11000001 можно представить в виде:
1*27 + 1 * 26 + 0*27 + 0*24 + 0*23 + 0*22 + 0*21 + 1*20 .
Для простоты обозначим переменную в полиноме вместо конкретного
значения 2 символом X. Тогда то же самое слово с фиктивной переменной X
принимает вид:
A(X)=1*X7+1*X6+0*X5+0*X4+0*X3+0*X2+0*X1+1*X0
Данный полином можно сократить до выражения:
A(X)=X7 +X6 + X0 = X7 + X6 + 1.
Для понимания принципа циклического избыточного контроля (ЦИК)
предположим, что имеются двоичный поток B(X) и порождающий полином G(X).
Если разделить полином B(X) на G(X), получится частное Q(X) и остаток R(X):
B(X)=G(X)*Q(X)+R(X).
Прибавляя –R(X) к обеим частям уравнения, получим :
B(X) - R(X) = G(X)*Q(X).
При способе ЦИК передаваемый двоичный поток делится на порождающий
полином и получающийся остаток добавляется в передаваемый двоичный поток. В
приемнике входной двоичный поток и остаток делятся на тот же самый полином,
что и в передатчике, с образованием остатка. В результате деления на
приемной стороне линии связи остаток должен быть равным нулю, так как B(X)
+ R(X) точно делится на G(X). При получении нулевого остатка на приемной
стороне обнаруживаемых ошибок при передачи не возникло.
При способе ЦИК наиболее широко применяется 16-битный полином вида:
ЦИК-16 = X16 + X15 + X2 + 1
Для реализации циклического избыточного контроля применяется 16-
битный регистр сдвига, на вход которого подается контролируемый двоичный
набор B(X), а из соответствующих разрядов регистра сдвига берутся сигналы
обратной связи. Входной сигнал и все сигналы обратной связи суммируются по
mod 2 (операция исключающего ИЛИ), в результате чего получается линейная
последовательностная схема, так как сумматор по mod 2 придает один и тот же
вес каждому входному биту. Полином называется характеристическим полиномом
генератора, а фактические точки отводов обратной связи находятся из его
инверсии. Инверсное (или обратное ) выражение находится путем вычитания
каждого члена в характеристическом полиноме из X16 в случае кода ЦИК-16,
что дает выражение обратной связи X16 + X14 + X1 + 1. Следовательно, в
элемент исключающего ИЛИ подаются входной сигнал и отводы от первого,
четырнадцатого и шестнадцатого разрядов регистра сдвига (рис. 1).
[pic]
Рис. 1. Регистр сдвига с линейной обратной связью
Регистр сдвига синхронизируется специальными сигналами, и входной
поток данных делится на характеристический полином X16 + X15 + X2 + 1.
По окончании двоичного потока остаток выдвигается из регистра и добавляется
к передаваемому потоку данных. Ранее было показано, что остаток вычитается
из двоичного потока [B(X) – R(X)], но в арифметике по mod 2 операции
сложения и вычитания дают одинаковые результаты, поэтому передача B(X) +
R(X) производит то же самое действие.
Порождающий полином ЦИК-16 имеет четное число членов, и представим в
виде ЦИК-16 = (X+1)*(X15 + X + 1). Множитель(X+1) включен намеренно, чтобы
все необнаруживаемые ошибки имели четный паритет. Чтобы скрыть ошибку,
должно возникнуть четное число ошибочных бит, которые обычно группируются.
Однако циклический избыточный контроль всегда обнаруживает однобитные
ошибки во входном потоке. Таким образом, коды ЦИК представляют собой способ
обнаружения в потоке данных всех однобитных ошибок и высокий процент
обнаружения всех многобитных ошибок. В связи с этим они широко применяются
в схемах быстродействующих цифровых передач, в которых передаются не
отдельные символы, а целые блоки данных.
Сигнатурный анализ.
В циклическом избыточном контроле входной двоичный набор подается в
линейную последовательностную схему, которая осуществляет деление двоичного
потока на некоторый характеристический полином, и в регистре сдвига
образуется остаток от деления. Обычно остаток добавляется к передаваемому
двоичному потоку в качестве кода, обнаруживающего ошибки. Если же вместо
добавления остатка к двоичному потоку вывести его на индикацию, это
значение будет уникальным для входного двоичного набора. Имея запоминающие
элементы, схема учитывает все прошлые и текущие события и может
обрабатывать очень длинные потоки данных. Уникальный остаток для
конкретного входа служит как бы “отпечатками пальцев” этого набора и может
использоваться для его идентификации. Зависимость остатка от входного
двоичного потока привела к термину “сигнатура” (т.е. подпись). Опираясь на
принцип “временного окна” и используя импульсы пуска и останова и сигналы
синхронизации от проверяемой системы, в узел логической схемы можно подать
периодический набор. Этот набор подается на вход линейной
последовательностной схемы, и при восприятии сигнала останова в регистре
сдвига окажется “сигнатура” данного узла и конкретного тест-набора.
Фактическое значение сигнатуры несущественно, но оно должно быть одним и
тем же для данного узла, он стимулируется одним и тем же тест-набором и
когда применяется те же самые сигналы пуска, останова и синхронизации.
Для получения наилучших результатов при применении способа регистра
сдвига требуется последовательность максимальной длины что приводит к
широкому классу схем, называемых генераторами псевдослучайной
последовательности. В 16-разрядном регистре сдвига имеется 2048 способов
реализации отводов обратной связи, удовлетворяющих данному критерию. В
полиноме ЦИК-16 применяется четное число входов, что приводит к
группированию ошибок, а при тестировании узлов предпочтителен метод,
который максимально распределяет ошибки. По этой же причине отводы не
рекомендуется делать через 4 или 8 разрядов, так как они соответствуют
наиболее вероятным размерам слов в микропроцессорах. Фирма Hewlett-Packard
остановилась на нечетном числе входов, применив неприводимое выражение
обратной связи X16 + X12 + X 9 + X7 + 1, которое соответствует
характеристическому полиному X16 + X9 + X 7 + X4 + 1. Напомним, что мы
хотим получить прибор широкого назначения для тестирования цифровых систем;
имеются и другие характеристические выражения, которые удовлетворяют
критерию, но было выбрано именно это.
По существу, получается портативный прибор, содержащий 16-разрядный
регистр сдвига с сумматором по mod 2 на входе. С помощью сигналов пуска и
останова входной сигнал подается в схему, а сигнал синхронизации от
проверяемой системы сдвигает данные в регистре. По окончании интервала
измерения осуществляется индикация содержимого регистра как
характеристической сигнатуры проверяемого узла.
Входной двоичный поток от проверяемого узла с помощью сигналов пуска
и останова подается в регистр, который синхронизируется сигналом от
проверяемой системы. После прекращения двоичного потока остаток,
находящийся в регистре, выводится на индикаторы в виде четырех 16-ричных
символов, которые и представляют собой “сигнатуру” проверяемого узла.
Возможна замена стандартного набора 16-ричных символов. Фирма Hewlett-
Packard заменила стандартный набор 16-ричных символов, чтобы избежать
путаницы между цифрой 6 и буквой b, и приняла следующие символы:
|ДВОИЧНЫЙ КОД |ИНДИКАЦИЯ |16-РИЧНЫЙ СИМВОЛ |
|0000 |0 |0 |
|0001 |1 |1 |
|0010 |2 |2 |
|0011 |3 |3 |
|0100 |4 |4 |
|0101 |5 |5 |
|0110 |6 |6 |
|0111 |7 |7 |
|1000 |8 |8 |
|1001 |9 |9 |
|1010 |A |A |
|1011 |C |B |
|1100 |F |C |
|1101 |H |D |
|1110 |P |E |
|1111 |U |F |
Большинство изготовителей сигнатурных анализаторов пользуются таким
же кодированием индицируемых данных, что и фирма Hewlett-Packard.
Такое понятие, как почти правильная сигнатура, не имеет смысла;
индицируемый код 006А совершенно не связан с кодом 006С. Сигнатура может
быть только правильной или не правильной.
Какие изделия пригодны для испытания методом сигнатурного анализа.
Как правило, в изделия, при эксплуатации которых предполагается
использовать сигнатурный анализ, в процессе разработки вносят определенные
средства, позволяющие производить этот анализ наиболее простыми и дешевыми
приборами и повысить эффективность контроля. Прежде всего это средства,
позволяющие разрывать в режиме контроля цепи обратной связи в
контролируемой схеме. Когда выходит из строя один из элементов, входящих в
контур с обратной связью, локализовать неисправности внутри этого контура с
помощью сигнатурного анализа не удается.
Поясним это на примере схемы, изображенной на рис. 2. Допустим, что
нисправная ИМС 2. Это приводит к появлению неправильной сигнатуры на выходе
схемы Т, причем на всех входах схемы сигнатуры правильные, а в точках A, B,
C и D – неправильные. Указать, какой из четырех элементов схемы вышел из
строя, невозможно, так как нет ни одного элемента, у которого при
неправильной выходной сигнатуре были бы правильные все входные. Если
снабдить схему переключателем П1, который в режиме тестирования размыкает
цепь обратной связи, сигнатура в точке E перестает зависить от сигнатуры в
точке D, и в этом случае неисправность ИМС 2 легко обнаруживается.
[pic]
Рис. 2. Пример цифровой схемы с обратной связью
На практике, как правило, не требуется разрывать контуры с обратной
связью, включающие в себе всего несколько простейших логических элементов,
подобные схеме, изображенной на рис. 2, так как локализация сигнатурным
анализом неисправности с точностью до такого контура позволяет быстро
выявить неисправность конкретного элемента другими методами. Что же
касается МПС в целом, то она целиком охвачена обратной связью по контуру
программного управления.
Поэтому для применения сигнатурного анализа необходимо иметь
возможность разрывать цепи обратной связи в режиме тестирования МПС. Для
однокристального микропроцессора это условие реализуется отключением шины
данных от входа МП. Разрыв обратной связи по шине данных можно реализовать
с помощью механических переключателей или электронных ключей.
Вторым важным условием пригодности МПС для испытаний с помощью
сигнатурного анализа является наличие схем, вырабатывающих сигналы Пуск и
Стоп, необходимые сигнатурному анализатору для выработки измерительного
“окна”, т.е. интервала времени, в течении которого накапливается сигнатура.
Третьим требованием является наличие в составе МПС ПЗУ, в которм
содержится тестовая программа. В качестве тестовой может выступать как
специально разработанная, так и определенная рабочая программа, если она,
по мнению разработчика, в достаточной мере использует все устройства МПС.
Увеличение объема аппаратуры и стоимости разработки МПС с учетом
требований применимости сигнатурного анализа по сравнению с объемом и
стоимостью обычной МПС не превышает в среднем 1%.
Простой сигнатурный анализатор.
Дешевый сигнатурный анализатор можно собрать из стандартных
логических ИС. Основу его составляет 16-ти разрядный регистр сдвига с
элементом исключающего ИЛИ в цепи обратной связи. Первоначально регистр
переводится в нулевое состояние, которое является запрещенным состоянием
для автономного ГПСП(Генератор ПсевдоСлучайной Последовательности), но из
которого его можно вывести любым битом с логической 1 во входном потоке
данных. Сигналы пуска, останова и синхронизации подаются из проверяемой
системы вместе с сигналом от проверяемого узла. Сигнал пуска разрешает
прохождение сигналов синхронизации в регистр сдвига, поэтому данные можно
синхронно сдвигать в регистре. Сигналом пуска можно также клапанировать
входной поток данных. Сигнал останова прекращает синхронизацию регистра
сдвига и блокирует входные данные. Сигналом останова остаток из регистра
сдвига передается на индикаторы.
Структурная схема простого сигнатурного анализатора.
Структурная схема простого сигнатурного анализатора приведена на рис.
3.
Схема иллюстрирует несколько интересных особенностей. 16-разрядный
регистр сдвига реализован на двух микросхемах КР1533ИР8, а цепь обратной
связи построена на двухвходовых элементах исключающего ИЛИ 1533ЛП5. Входной
поток данных для улучшения формы сигналов подается на триггер Шмитта.
В приборе широкого назначения необходимо иметь возможность
устанавливать для сигналов пуска, останова и синхронизации любой активный
фронт – нарастающий или спадающий. Например, в одном тесте нужен сигнал
пуска с активным нарастающим фронтом, а в другом тесте он должен запускать
операции спадающим фронтом. Возможность задания активного фронта сигнала
обеспечивается входными элементами исключающего ИЛИ, через которые сигналы
проходят в схему управления. В случае сигнала пуска переключатель S1
подсоединяется к земле или к источнику питания Vcc. Когда ключ замкнут на
землю, на выходе элемента исключающего ИЛИ повторяется входной сигнал
пуска. Если же S1 подключен к Vcc, сигнал на выходе представляет собой
инверсию входного сигнала. Предположим, что для инициирования схемы
управления всегда требуется нарастающий фронт сигнала. Тогда для
удовлетворения этого требования с помощью S1 можно выбрать либо нарастающий
фронт сигнала (S1 подключен к земле), либо спадающий фронт сигнала (S1
подключен к Vcc).
[pic]
Рис. 3. Простой сигнатурный анализатор
Остаток, сформированный в регистре сдвига, при восприятии сигнала
останова индецируется как “сигнатура” проверяемого узла. Отметим, что
информация индицируется в стандартном 16-ричном формате, а не в специальном
формате фирмы Hewlett-Packard. Наличие однозначного соответствия между
обоими форматами, к которому легко привыкнуть, устраняет этот недостаток.
Секция анализа простого сигнатурного анализатора.
[pic]
Рис. 4. Секция анализа простого сигнатурного анализатора
На рис. 4. Показана секция формирования сигнатур простого
сигнатурного анализатора.
До начала работы прибора оператор вручную сбрасывает систему, при
этом устанавливается начальное состояние схемы управления, а 16-разрядный
регистр сдвига переводится в нулевое состояние. После сброса сигнал пуска
разрешает прохождение сигнала синхронизации в регистр сдвига, который
синхронно сдвигает данные до появления сигнала останова. Светодиод в схеме
управления показывает, что прибор формирует сигнатуру. Во время процесса
формирования сигнатуры индикаторы сигнатуры находят ся в погашеном
состоянии.
Линия входных данных подается на триггер Шмитта для предотвращения
ложного срабатывания схемы.
|
