Логические анализаторы

Отмеченные в п. 10.1 особенности и сложности отладки МПС вызвали появление принципиально новых приборов для отладки. Помимо традиционных генераторов сигналов (генераторов последовательностей), осциллографов, вольтметров, частотомеров и др. появились логические и сигнатурные анализаторы, комплексы развития и другие сложные цифровые отладочные приборы и комплексы.

Отладка аппаратуры МПС начинается с проверки работоспособности источников питания и схем синхронизации. Такая проверка может осуществляться традиционными приборами - вольтметром, частотомером, осциллографом. Далее, убедившись в нормальной работе этих устройств, переходят к анализу последовательностей логических сигналов в различных точках схемы. При отладке МПС, как правило, требуется анализировать логические уровни одновременно во многих точках схемы, причем необходимо фиксировать достаточно длинные последовательности значений в каждой анализируемой точке. Приборы, предназначенные для:

Ø регистрации последовательностей логических сигналов одновременно и синхронно во многих точках схемы и на протяжении значительного временного интервала;

Ø регистрации последовательности состояний в связи с редкими (однократными) событиями - по условию;

Ø регистрации состояний контрольных точек в некотором интервале времени, предшествующем выбранному оператором событию;

Ø

называются логическими анализаторами (Рис. 12.2).

Рис. 12.2. Структура логического анализатора

Основой любого логического анализатора (ЛА) является запоминающее устройство, фиксирующее текущий поток двоичных последовательностей.

Кроме памяти объемом N n-разрядных слов, в состав ЛА входит устройство синхронизации, управляющее моментами фиксации состояний в ОЗУ и устройство отображения.

Логический анализатор может работать в одном из трех основных режимов: настройка, регистрация, индикация.

В режиме настройки оператор согласно плану измерений подключает входы прибора к выбранным точкам схемы, устанавливает порог срабатывания входных компараторов в соответствии с уровнями логических сигналов контролируемых элементов, задает режим регистрации (квалификаторы тактов и условия запуска - см. ниже).

В режиме регистрации ЛА через входные компараторы принимает n-мерные вектора логических состояний и записывают их в последовательные ячейки ОЗУ. При переполнении памяти запись снова производится по начальным адресам. Таким образом, в режиме регистрации в ОЗУ ЛА всегда хранятся N последних векторов состояний.

В режиме индикации прекращается регистрация состояний схемы и текущее содержимое ОЗУ индицируется в удобной для оператора форме.

Основные блоки ЛА.

Входные компараторы-усилители обеспечивают развязку исследуемых точек схемы и измерительных цепей и настройку ЛА на логические уровни проверяемой схемы.

ОЗУ обеспечивает фиксацию векторов состояний схемы с требуемой частотой.

Важным блоком ЛА, существенно влияющим на его функциональные возможности, является формирователь тактов. Такты записи в ОЗУ (фиксации) могут вырабатываться самим ЛА или поступать от проверяемой схемы (соответственно асинхронная и синхронная регистрация).

Выбор частоты регистрации зависит, с одной стороны, от целей испытания схемы, с другой стороны - от объема ОЗУ.

Для того, чтобы исследовать временные соотношения между фронтами логических сигналов частота регистрации, как минимум, должна на порядок превышать тактовую частоту исследуемой схемы. При асинхронной регистрации погрешность определения положения фронта импульса равна периоду регистрации, поэтому при низких частотах регистрации временные соотношения между зарегистрированными сигналами может существенно отличаться от реальности. На Рис. 12.3 иллюстрируется это обстоятельство. На нем показаны реальные сигналы A, B и их образы A₁, B₁, A₂, B₂ при различных частотах регистрации - f₁ и f₂ соответственно.

Рис. 12.3. Образы сигналов при различных частотах регистрации

Из Рис. 12.3 видно, что при высокой частоте регистрации f₁ образы A₁, B₁, практически совпадают с оригиналом, а при низкой частоте f₂ зарегистрированные на ней образы A₂, B₂, не отражают поведение реальных сигналов.

При синхронной регистрации ЛА воспринимает только установившиеся значения сигналов в контрольных точках, не давая никакой информации о временных соотношениях между сигналами внутри тактового интервала. Результаты синхронного анализа удобно представлять в табличной форме.

По признаку максимального быстродействия ОЗУ ЛА делятся на два класса: анализаторы временных логических последовательностей (АВЛП) и анализаторы логических состояний (АЛС). Первые предназначены для фиксации в асинхронном режиме с частотой, на порядок превышающей тактовую частоту МПС. Так, АВЛП K500-D фирмы Biomation, США имеет частоту регистрации 500 МГц.

Максимальная частота регистрации АЛС соответствует тактовой частоте МПС (1..50 МГц). АЛС ориентированы на отладку МПС на уровне командных циклов.

АВЛП более сложные и дорогие приборы, чем АЛС (многие из них могут работать и в режиме АЛС). Они позволяют фиксировать импульсные помехи, длительность которых меньше такта регистрации. Для этого предусматриваются т.н. "ловушки" - специальные схемы амплитудных дискриминаторов, фиксирующие превышения порогового уровня лог. "1" постоянно, а не только в момент действия тактовых импульсов. Зафиксированный переход через порог сохраняется до начала очередного тактового импульса и заносится в вектор состояния (Рис. 12.4).

Рис. 12.4. Фиксация коротких импульсов

Блок синхронизации предназначен для формирования тактов регистрации при синхронном режиме и сигналов запуска.

Схема формирователей тактов в режиме синхронной регистрации вырабатывает сигналы записи в ОЗУ с использованием тактовых сигналов исследуемой МПС и/или т.н. "квалификаторов тактов" - логических условий, при выполнении которых будет осуществляться фиксация вектора состояний. В качестве квалификаторов тактов можно определить появления некоторого управляющего сигнала МПС или комбинации сигналов, появление определенного кода на шине данных или адреса и т.п. Например, при исследовании МПС на базе МП i8080 можно задать в качестве такта записи сигнал Ф1, а в качестве квалификатора тактов - сигнал SYNC. В этом случае можно фиксировать не все состояния шины данных, а только поток слов PSW, выдаваемых процессором в каждом машинном цикле. При замене квалификатора SYNC на M1 (признак первого машинного цикла команды) можно фиксировать на шине данных только поток команд.

Задав в качестве квалификатора тактов совпадение состояния шины адреса с определенной константой, можно исследовать только события, связанные с обращением процессора по определенному адресу (адресам), например, к выбранному ВУ.

Момент прекращения фиксации в ОЗУ векторов состояний и переход ЛА на режим индикации называют событием запуска. Возможно задавать различные условия, формирующие событие запуска. Эти условия могут зависеть как от текущего состояния исследуемой схемы ("квалификаторы запуска"), так и от режима работы самого ЛА.

Простейшим видом запуска является запуск по комбинации логических состояний сигналов (кодовому слову). Заданное кодовое слово фиксируется в регистре и сравнивается с текущим состоянием сигналов исследуемой схемы. Возможно маскирование разрядов кодового слова. Одним из вариантов комбинационного запуска (запуск зависит только от комбинации сигналов в текущий момент дискретного времени) является "запуск по пропаданию кодового слова" запуск происходит в момент появления любой другой комбинации, кроме заданной.

Иногда требуется осуществить запуск в случае появления некоторой наперед заданной последовательности кодовых слов. Некоторые ЛА позволяют фиксировать до 16 кодовых слов, последовательное появление которых вызывает событие запуска, причем можно указывать, подряд ли должны следовать кодовые слова, или между ними могут встречаться любые другие.

Наиболее сложным режимом запуска является запуск по несовпадению данных с содержимым эталонной таблицы. Этот режим позволяет обнаруживать и анализировать случайные сбои. Реакция исправной МПС на выбранный тест фиксируется в эталонном ОЗУ. Далее многократно прогоняется тот же тест на исследуемой МПС (может быть, в режиме термотренировки, при повышенном/пониженном напряжении питания) и ее реакция сравнивается с эталоном. Несовпадение реакции с эталоном вызывает событие запуска.

При наступлении события запуска в ОЗУ сохраняется N последних векторов состояний системы, т.е. мы располагаем информацией, предшествующей событию запуска. Однако, иногда бывает интересно просмотреть состояния системы "в окрестностях" события запуска ("до" и "после") или только “после”. Для этого достаточно задержать переход к режиму индикации на заданное число T тактов регистрации (Рис. 12.5).

Рис. 12.5. Задержка индикации относительно события запуска

Блок индикации обеспечивает вывод содержимого ОЗУ в различных формах. В АЛВП индикация осуществляется, как правило, в форме временных диаграмм, причем, с учетом разрешающей способности современных ЭЛТ, обычно в кадре представляется не более 250 бит на канал при 16 каналах. Если объем ОЗУ позволяет зафиксировать больший объем данных, то отображение производится по частям в режиме "окна".

В АЛС индикация содержимого ОЗУ осуществляется в виде таблиц, элементами которых являются двоичные или шестнадцатеричные числа - состояния объектов контроля, строкам соответствуют объекты контроля, а столбцам - такты регистрации.

Возможны и другие варианты индикации. Например, при сравнении реакции контролируемой МПС с эталонной таблицей на экране можно отобразить двоичную матрицу совпадений. Можно отобразить все содержимое ОЗУ в виде прямоугольной матрицы кодов, причем частота встречаемости каждого кода определяется числом или интенсивностью яркостной точки в соответствующей позиции.

Организация различных форм индикации обычно осуществляется с помощью встроенного в ЛА микропроцессора. Он же обычно управляет режимом настройки ЛА на заданные режимы регистрации, запуска и индикации.

Перспективным представляется объединение ЛА с персональной ЭВМ. Такое объединение значительно расширяет функциональные возможности ЛА, особенно в части режимов индикации, накапливания, обработки и документирования результатов контроля МПС.

Рис. 12.6. Логический анализатор – приставка к ПЭВМ IBM PC

На Рис. 12.6 приведена структура подобного ЛА

Характеристики ЛА:

· число каналов (8 - 16 - 32 - 48);

· объем ОЗУ;

· быстродействие (10 - 500 МГц);

Дополнительные характеристики:

· возможность выбора различных режимов запуска (в том числе

по последовательности слов 2..16);

· задержка запуска индикации (до 10⁵ тактов);

· наличие квалификаторов тактов и запуска;

· наличие эталонной таблицы;

· режимы индикации;

· наличие ловушки помех (до 5 нс.);

· наличие встроенного сигнатурного анализатора;

· наличие встроенного цифрового осциллографа.