Тестовое диагностирование цифровых систем.

Широкое применение радиоэлектронных устройств для цифровой обработки сигналов обуславливает повышенный интерес к вопросам диагностирования их технического состояния. Одной из разновидностей диагностирования цифровых узлов и блоков является тестовое диагностирование, применение которого на этапе проектирования и изготовления цифровых узлов позволяет определить правильность их функционирования и осуществить процедуру поиска неисправностей.

Существо тестового контроля составляет тестовый сигнал, подаваемый на цифровое устройство и вызывающий такую реакцию ЦУ, которая свидетельствует о его работоспособности.

Тест – совокупность тестовых сигналов.

Тестовая программа – упорядоченная последовательность тестов.

Существует два подхода к созданию тестовой программы, в соответствии с этим различают два вида контроля:

1) функциональный – в качестве исходной информации для построения тестовой программы используется алгоритм функционирования цифрового устройства, т.е. решение контрольной задачи. Он не позволяет выявить значительную часть возможных неисправностей при отсутствии информации о причинах и характере возможных неисправностей, при повышенной сложности контролируемой системы или низких требований к полноте контроля.

2). Структурный – в процессе разработки тестовой программы используются данные о структуре ЦУ и характере возможных неисправностей. Он обеспечивает достаточно полную проверку работоспособности ЦУ. Однако для сложных цифровых устройств методы структурного контроля малоэффективны из-за большого числа элементов схемы и отсутствия адекватных моделей неисправностей, характерных для сложных ЦУ.

Чтобы показать проблемы тестирования более наглядно, определим время, необходимое для тестирования типичной микросхемы (МПК580).

Необходимое число возможных тест-комбинаций в общем случае определяется как С=2^nm, где n-длина слова данных в битах (n=8), m-число команд в системе команд МП (m=76). Тогда С=2^8*76=2⁶⁰⁸=10¹⁸³. Это общее число тест-комбинаций. Пусть каждый тест длится 1мкс. Тогда на проведение всех тестов потребуется время тестирования t=10¹⁷⁷c. В 365-дневном году содержится 3,15*10⁷с. Поэтому выполнение всех тестов закончится через 0,3*10¹⁷⁰лет. Для сравнения возраст земли составляет 4,7*10⁹лет.

В зависимости от детализации объекта контроля при разработке тестовой программы различают системный и модульный методы контроля

1). Системный – ЦУ рассматривается как единое целое, для которой разрабатывается тестовая программа.

2). Модульный контроль - ЦУ рассматривается как совокупность отдельных функциональных узлов (модулей) , для каждого из которых составляется своя тестовая программа. Затем эти программы объединяются в программу проверки всей системы. Как при системном, так и при модульном подходах к построению тестовых программ могут использоваться и функциональные и структурные методы.

При разработке тестовой диагностики возникает сложность в определении эталонных реакций при тестировании существующих схем, в определении оптимального числа контрольных точек для снятия выходной реакции диагностируемой цифровой схемы. Это можно сделать либо создавая прототип разрабатываемого цифрового устройства и проводя его диагностику аппаратурными методами, либо осуществляя моделирование на ЭВМ как цифрового устройства, так и процесса диагностики. Наиболее рациональным является второй подход, который предполагает создание автоматизированных систем диагностики, позволяющих производить диагностику цифровых схем на стадии проектирования и способных решать следующие задачи :

1. Производить логическое моделирование цифровых схем с помощью ЭВМ. Цель логического моделирования состоит в том, чтобы выполнить функцию проектируемой схемы без её физической реализации. Для того чтобы проверить состояния сигналов в схеме, необходимо точно описать задержки срабатывания всех элементов в условиях синхронизации. Если, например, осуществляется проверка только значений логической функции на выходе схемы, то достаточно представить схему на уровне логических элементов.

2. Моделирование неисправностей. Задача обнаружения неисправностей в цифровых схемах состоит в том, чтобы определить, обладает ли цифровая схема требуемым поведением. Для решения этой задачи необходимо, прежде всего, установить модель цифровой схемы как объекта контроля, затем метод обнаружения неисправностей и, наконец, модель неисправностей. С точки зрения особенностей поведения цифровых схем их можно разделить на комбинационные и последовательностные. В отношении обнаружения неисправностей комбинационные схемы являются сравнительно простой моделью. Последовательностные схемы в отношении поведения характеризуются наличием внутренних контуров обратной связи, поэтому обнаружение неисправностей в них в общем случае чрезвычайно затруднено.

Моделирование процесса тестовой диагностики. Классическая стратегия тестирования цифровых схем основана на формировании тестовых последовательностей, позволяющих обнаруживать заданные множества неисправностей. При этом для проведения процедуры тестирования, как правило, хранятся как сами тестовые последовательности, так и эталонные выходные реакции схем на их воздействие. В процессе самой процедуры тестирования на основании результатов сравнения реальных выходных реакций с эталонными принимается решение о состоянии проверяемой схемы. При соответствии полученных реакций схемы эталонным она считается исправной, в противном случае схема содержит неисправность и находится в неисправном состоянии.

Для ряда выпускаемых в настоящее время схем классический подход требует значительных временных затрат как на формирование тестовых последовательностей, так и на процедуру тестирования. Кроме того, большие объемы тестовой информации и эталонных выходных реакций предполагают наличие сложного оборудования для проведения тестового эксперимента. В связи с этим стоимость и время, необходимое для реализации классического подхода, растут быстрее, чем сложность цифровых схем, для которых он используется.

Поэтому предлагаются новые решения, позволяющие значительно упростить как процедуру построения тестовых последовательностей, так и проведение тестового эксперимента. В общем случае реализация предложенных методов представлена схемой на рис.1.

Рис1.

Здесь:

ГТВ – генератор тестовых воздействий (генератор М - последовательности);

ЦС – цифровая схема;

Блок эталонных реакций – блок, хранящий сжатые выходные реакции;

Логическая взаимосвязь функциональных блоков построена следующим образом: с генератора тестовых воздействий через цифровую схему сигналы поступают на схему сжатия информации. Сжатые выходные реакции попадают на схему сравнения, где они сравниваются с эталонами, которые хранятся в блоке эталонных реакций. Далее информация попадает в устройство вывода информации о состоянии схемы.

При компактном тестировании для реализации тестовой последовательности используются простейшие методы, позволяющие избежать сложной процедуры синтеза. К ним относятся следующие алгоритмы синтеза:

1. Формирование всевозможных входных тестовых наборов, т.е. полного перебора двоичных комбинаций. В результате применения подобного алгоритма генерируется так называемые счетчиковые последовательности.

2. Формирование случайных тестовых наборов с требуемыми вероятностями появления единичного и нулевого символов по каждому входу ЦС.

3. Формирование псевдослучайных последовательностей.

Основным свойством этих алгоритмов является то, что в результате их применения воспроизводятся последовательности очень большой длины. Поэтому на выходах проверяемой ЦС формируются ее реакции, имеющие ту же длину. При этом если для генераторов тестовых последовательностей, формирующих счетчиковые, случайные и псевдослучайные последовательности не существует проблемы их запоминания и хранения, то для выходных реакций каждой схемы такая проблема имеет место. Простейшим решением, позволяющим значительно сократить объем хранимой информации об эталонных выходных реакциях, является получение интегральных оценок, имеющую меньшую размерность. Для этого используются алгоритмы сжатия. В результате их применения формируются компактные оценки сжимаемой информации. Эти оценки часто называют контрольными суммами, ключевыми словами, синдромами или сигнатурами соответствующих полюсов цифровой схемы, для которых используется один из алгоритмов сжатия информации. Таким образом, под компактным тестированием принято понимать такое тестирование, при котором генерирование тестов и анализ ответов осуществляется компактными алгоритмами. Системы компактного тестирования используются для представления информации в сжатой форме.

В связи с созданием сложных цифровых систем на базе интегральных микросхем большое внимание в последнее время уделяется разработке новых методов встроенного тестирования, т.е. определение процедуры диагностики как одной из функций цифровой системы. В настоящее время потребность в экономичных системах тестирования усиливается повышением степени интеграции элементной базы вычислительной техники. В связи с этим имеет место тенденция снижения аппаратурной сложности диагностических средств.

Наиболее изученным классом компактных систем тестирования являются разомкнутые системы, в которых генератор тестов (ГТ), объект тестирования (ОТ), анализатор ответов (АО) соединены последовательно (рис.2а). Дальнейшее снижение аппаратурной сложности достигается в классе замкнутых систем, где генератор, объект, анализатор образуют замкнутый контур (рис.2б).

Особенности замкнутых систем обусловлены эффектом "размножения" дефекта по контуру, усиливающим обнаруживающие способности.

Рис. 2. Разомкнутая (а) и замкнутая (б) системы тестирования.

Замкнутость компактных систем тестирования в значительной мере способствует разрешению противоречия, обусловленного отставанием характеристик старых средств тестирования от характеристик вновь создаваемого объекта. Поскольку в процессе функционирования встроенных средств таких систем отсутствуют обращения к запоминающим устройствам и сравнения фактических ответов с эталонными, то возможно проведение проверок на высокой рабочей частоте объекта.

С развитием замкнутых систем тестирования связано появление системы кольцевого тестирования. В кольцевых системах функции генератора и анализатора совмещаются в пространстве и во времени, топология структуры имеет форму кольца, модели систем описываются в алгебре кольца многочленов и кольцевыми (циклическими) графами, что породило термин кольцевое тестирование(в дальнейшем КТ). В процессе проверки исправная система проходит свои состояния по циклическому маршруту. Поэтому заключение об исправности объекта делается на основании сравнения начального и конечного состояний системы.