Диагностирование микропроцессоров

Микропроцессорами в настоящее время называют микроЭВМ, характеризуемые узкоспециализированным назначением, малым потреблением энергии и объемом конструктивного исполнения, а также сравнительно низкой стоимостью. Основное применение микропроцессоров — встроенные вычислительные и управляющие РЭУ. В широком использовании микропроцессоров заинтересованы все отрасли народного хозяйства,- и их поступление на эксплуатацию растет очень быстро.

Эффективное применение микропроцессоров связано с необхо­димостью их настройки и регулировки в условиях эксплуатации, что вызывает потребность получения информации о состоянии. Кроме того, в связи с широким применением микропроцессоров (МП) возникает задача сокращения трудоемкости работ по их эксплуатации, что достигается рациональным выбором систем и методов их диагностики и контроля [58].

По своей структуре МП — сложные цифровые узлы, особен­ности которых как объектов контроля состоят в следующем:

1. Высокая сложность БИС, примером которой является одно­кристальный 8-разрядный МП, имеющий около 200 внутренних запоминающих элементов (информационных и управляющих реги­стров и триггеров) и соответственно 2200 возможных состояний.

2. Малое число контрольных точек схемы, доступных для не­посредственного контроля и воздействия, по отношению к системам на цифровых КМС средней интеграции; диагностирование таких схем приобретает косвенный характер.

3. Сложность и неразделимость аппаратуры МП, которую не­возможно разбить на функциональные узлы; это вызвано тем, что МП обычно выполняются в виде одной схемной печатной платы, разделить которую на части не представляется возможным. Кро­ме того, в схеме МП часто совмещаются различные функции: уп­равление и арифметическая обработка информации, программная память и функции ввода-вывода и др.

4. Высокое быстродействие МП, тактовая частота которых мо­жет достигать нескольких десятков мегагерц, если в их основе лежат биполярные процессорные секции.

5. Шинная организация МП, при которой к информационным магистралям подключается несколько функциональных узлов, что приводит к трудностям при выявлении узлов или трактов, иска­жающих информацию.

6. Возможности организации самоконтроля, которые состоят в том, что, будучи микроЭВМ и функционируя на основе микропрог­раммного управления, МП допускает использование в режиме сбора и обработки информации о состоянии элементов, входящих в соответственную систему. Для этой цели могут быть использо­ваны различные тестовые программы, такие как цикличные пере­сылки унитарных кодов, подсчет контрольных сумм содержимого ПЗУ, запись-считывание информации в порты ввода-вывода и др. Основной объем работ при самоконтроле переносится на состав­ление диагностических программ.

7. Стандартная форма электрических сигналов позволяет уп­ростить контроль и свести его к определению данного состояния к зоне сигнала 1 или 0. Только в случае возникновения подозре­ний о выходе из строя одного или нескольких компонентов элект­ронной схемы приходится прибегать к измерению аналоговых ве­личин — длительности фронта, амплитуды и др.

Основным видом контроля МП является функциональный конт­роль, при котором в качестве исходной информации для построе­ния тестовой программы используется алгоритм функционирова­ния . При разработке тестовой программы в зависимости от детализации МП, как ОДК,, различают системный и модульный мето­ды диагностики и контроля. При системном диагностировании МП рассматривается как единая система, для которой разрабатывается тестовая программа.

При реализации модульного метода МП рассматривается как совокупность функциональных устройств (модулей), для каждого из которых разрабатывается своя тестовая программа. Отдельные программы объединяются, и образуется единая программа ТДК, составление которой оказывается проще, чем системной.

Формализация методов построения тестовых программ требу­ет разработки математических моделей МП и возникающих в них неисправностей и отказов.

Рис 5.3. Схема тестового диагностиро­вания

Однако в силу большого разнообразия микропроцессорных БИС и других особенностей» которые приведены выше, процессы построения адекватных моделей МП вызывают значительные трудности. Поэтому для разработки тестовых программ применяются в основном эмпирические и эвристические методы.

Создание тестовых программ производится, как правило, на стадии исследования и разработки МП. Процедура контроля (рис. 7.3) определяется в зависимости

от функциональных задач. Тестовые воздействия носят програм­мный характер, но построение тестовых программ и анализ резуль­татов разработчик производит вручную на основании представле­ний и структуры МП. Контроль работоспособного состояния МП на стадии эксплуатации представляется более простым, чем на стадии разработки по причине того, что, во-первых, вероятность одновременного появления более чем одной неисправности очень мала, а во-вторых, контроль правильности работы МП требуется при решении конкретных задач. На стадии эксплуатации должны предъявляться определенные требования к инструментальным средствам контроля. Эти средства должны быть достаточно универсальными и автома­тизированными, но при этом компактными и портативными.

Основными инструментальными средствами диагностики и контроля ЦУ и МП являются логические и сигнатурные анализаторы. Инструментальные средства технической эксплуатации МП должны обладать следующими возможностями: регистрировать последовательности логических состояний б различных точках системы и на протяжении значительного временного интервала; регистрировать эти последовательности в связи с редкими (од­нократными) появлениями заданных комбинаций логических сос­тояний;

регистрировать состояния контрольных выходов в интервале времени, предшествующем выбранному событию; оперативно представлять результаты измерений в различных форматах, удобных для потребителя информации.

Эти возможности реализуются в логических анализаторах (ЛА), создаваемых на базе стандартных серий ИМС с большим быстродействием и памятью большой емкости. ЛА являются

Рис. 5.4. Схема логического анализатора

приборами, предназначенными для измерений потоков двоичных данных (подобно тому, как осциллограф предназначается для измерения периодических электрических сигналов).

Логический анализатор состоит из четырех основных блоков (рис. 7.4) — входных усилителей-компараторов, управления, ре­гистрации и индикации — и имеет три режима работы — настройки, индикации и регистрации. В режиме настройки оператор согласно плану измерений под­ключает щупы прибора к контрольным точкам и устанавливает режим регистрации. В режиме регистрации сигналы с контрольных точек посту­пают на входные усилители-компараторы, пороговый уровень ко­торых определяется элементной базой МП. Основные характери­стики ЛА определяют разрядность, объем и быстродействие ЗУ блока регистрации. В настоящее время число каналов ЛА до­стигает 50, длина логической последовательности составляет 2048 бит, максимальная тактовая частота регистрации — 500 МГц.

В режиме регистрации ЛА работает до момента появления события, вызывающего переход в режим индикации. Такими событиями могут являться, например, определенная комбинация логических состояний на входах или заданная последовательность таких комбинаций.

В качестве устройства воспроизведения в ЛА используется индикатор на ЭЛТ. Объем информации, одновременно выводимой на экран, составляет 200 ...250 бит на канал. Для представления с его содержимого ЗУ используется последовательный просмотр. Анализ результатов в ЛА автоматизируется. При этом применя­ются режимы сравнения, поиска заданного слова, вычисление контрольных сумм массивов данных и др. На экран индикатора ЛА выводится таблица, где в позициях совпадения исследуемой последовательности с эталонной воспро­изводится 0, а при несовпадениях—1. На экран ЭЛТ можно выводить обе таблицы — эталонную и исследуемую, выделяя места несовпадений каким-либо знаком или повышенной яркостью. Режим индикации в поиске характеризуется выводом элект­ронного указателя на заданное слово, если таковое имеется в регистрируемой последовательности. Наиболее информативным способом выведения данных явля­ется графическое отображение, по которому можно анализиро­вать все содержание ЗУ ЛА. При изображении графа переходов все пространство экрана представляется в виде координатной плоскости. Каждой точке плоскости соответствует пара двоичных чисел, которые представляют старший и младший байты двоич­ных кодов, а яркость свечения точки пропорциональна числу ко­дов в отображаемой последовательности.

Управление режимами работы ЛА осуществляется с помощью МП. Микропроцессорное управление при условии применения в ЛА интерфейсов для подключения внешних устройств позволяет автоматизировать процесс диагностирования МП. Одной из основных операций при диагностировании МП яв­ляется поиск возникшей неисправности. Для решения этой задачи разработан специальный метод, получивший название сигнатурный анализ [58]. Сущность метода состоит в том, что длин­ная последовательность двоичных сигналов преобразуется в дво­ичное число, называемое сигнатурой. Под действием специальной тестовой программы в контрольных точках МП возбуждаются из­меряемые двоичные последовательности. Сигнатуры контрольных точек заранее измеряются на работоспособной системе и указы­ваются на принципиальной схеме МП. При поиске неисправности достаточно установить режим исполнения тестовой программы, проследить сигнатуры в .контрольных точках от выхода к входу. Элемент схемы, у которого входные сигнатуры верны, а выход­ная неверна, является неисправным. Для поиска неисправностей методом сигнатур используется специальный алгоритм (рис. 5.5). Для использования сигнатурного анализа в процессе эксплуатации в МП изделия вводят определенные средства, позволяющие реализовать процесс анализа простыми приборами. Такими: средствами являются устройства размыкания цепи обратной связи в режимах контроля, так как с помощью сигнатурного- анализа распознавать неисправные элементы схемы в контуре обратной связи не удается. Разрыв обратной связи для монокристального МП осуществляется путем отключения шины данных от входа.

Одним из условий возможности применения сигнатурного ана­лизатора является наличие схем, вырабатывающих сигналы «пуск» и «стоп», которые необходимы в анализаторе для выработки интервала времени накопления сигнатуры (измерительного «окна»). Для реализации сигнатурного анализа в составе МП должно быть ПЗУ, в котором содержится тестовая программа.

Сигнатурный анализатор (рис. 5.6) позволяет обнаруживать не­исправности цифровых устройств. Сигналы от контролируемого устройства поступают в анализа­тор через зонды. Это сигналы «пуск», «стоп», «синхронизация». Сигнатура формируется путем синхронного ввода данных в сдвигающий регистр

Рис. 5.5. Алгоритм сигнатурного анализа

Рис. 5.6. Структурная схема сигнатурного анализатора

по выбранному активному фронту синхроимпульса. Сформированные сигнатуры выводятся на переднюю панель прибора с помощью светодиодных индикаторов.

Для использования сигнатурного анализа при диагностирова­нии МП разных типов разработаны анализаторы, которые сами генерируют тестовое воздействие на ОДК-

Логические и сигнатурные анализаторы являются эффектив­ными, но сложными устройствами диагностирования МП. Для поиска простых неисправностей, локализации места их возникновения используются малогабаритные СрДК, такие как тестеры логического состояния, стимулирующие генераторы логических сигналов и бесконтактные генераторы импульсных токов.

Тестеры логического состояния—малогабаритные приборы, позволяющие контролировать уровень сигнала с целью определения принадлежности к зоне нулевого, единичного или промежу­точного состояний. Тестер выпускается в корпусе, позволяющем держать его в руке и посредством контактного наконечника ка­саться контролируемой точки. Индикатор и органы управления расположены на корпусе. При нулевом сигнале световой индикатор погашен, при единичном — ярко светится, при промежуточном — светится в полсилы.

Стимулирующие генераторы формируют импульсные сигналы, амплитуда и длительность .которых заставляют срабатывать ди­агностируемые микросхемы, и применяются в комплекте с тесте­рами логического состояния; схемы их достаточно просты.

Для контроля токов в проводниках печатных плат, защищен­ных изоляционным покрытием, применяются бесконтактные инди­каторы импульсных токов, осуществляющие индикацию без раз­рыва токопроводящих проводников и разрушения изоляции. Эти индикаторы могут применяться для поиска замыканий, разры­вов цепи, неисправностей в схемах монтажной логики и в шинах с тремя состояниями. Чувствительность таких приборов от 10~3 А до 1 А.