Тестовое диагностирование цифровых систем. Методы и средства контроля и диагностики цифровых устройств ивк Контроль и испытания проектируемого цифрового устройства

Для контроля и диагностики цифровых устройств применяются две основные группы методов: тестовые и функциональ­ные. Для их реализации используются аппаратные и программные средства. При тестовом контроле осуществляют подачу специальных воз­действий (тестов), снятие и анализ реакций контролируемой системы (устройства, узла) в то время, когда она, как правило, не работает по своему прямому назначению. Этим и определяется область применения этого вида контроля: в процессе наладки систем, во время регламента, для автономной проверки систем перед началом штатного функционирова­ния.

Функциональный контроль предназначен для контроля и диагностирования системы в процессе ее работы. Однако если, средства функционального контроля имеются в системе, то они, как правило, используются и при тес­товом контроле. Средства функционального контроля обеспечивают:

Обнаружение неисправности в момент ее первого проявления в контрольной точке, что особенно важно в случае, когда действие не­исправности надо быстро блокировать;

Выдачу информации, необходимой для управления работой системы при наличии неисправности, в частности, для изменения (реконфигура­ции) структуры системы;

Сокращение времени поиска неисправности.

При использовании аппаратных средств функционального контроля в состав узла или устройства вводится избыточная аппаратура, которая функционирует одновременно с основной аппаратурой. Сигналы, возника­ющие в процессе функционирования основной и контрольной аппаратуры, сопоставляются по определенным законам. В результате такого сопостав­ления вырабатывается информация о правильности функционирования контролируемого узла (устройства), В качестве избыточной аппаратуры в простейшем случае используется копия проверяемого узла (так называе­мая структурная избыточность), а также и простейшее контрольное соотношение в виде сравнения двух одинаковых наборов кодов. В об­щем случае используются более простые контрольные устройства, зато усложняются способы получения контрольных соотношений.

Для контроля функционирования основного и контрольного устройств применяют методы сопоставления: входных и выходных слов, внутренних состояний и переходов.

Первому методу отвечает дублирование, мажорирование, а также контроль по запрещенным кодовым комбинациям. К нему относятся также методы избыточного кодирования. Избыточное кодирование основывается на введении во входную, обрабатываемую и выходную информации дополнительных символов, которые вместе с основными образуют коды, обладающие свойствами обнаружения (исправления) ошибок. Второй метод используют преимущественно для контроля управляю­щих цифровых устройств.

Для контроля получили распространение следующие типы кодов: код с проверкой на четность, код Хэмминга, итеративные коды, равно­весные, коды в остатках, циклические коды.

Код с проверкой четности (нечетности) образуется путем добав­ления к группе информационных разрядов, представляющих собой простой (не избыточный) код, одного избыточного (контрольного) разряда. При использовании контроля по четности контрольная цифра чет­ности равна «0», если число единиц в коде четное, и «1», если число единиц нечетное. В дальнейшем при передаче, хранении и обработке слово переда­ется со своим разрядом. Если при передаче информации приемное уст­ройство обнаруживает, что значение контрольного разряда не соот­ветствует четности суммы единиц слова, то это воспринимается как признак ошибки. По нечетности контролируется полное пропадание информации, так как кодовое слово, состоящее из нулей, относится к запрещенным. Код с проверкой четности имеет небольшую избыточность и не требует больших затрат оборудования на реализацию контроля. Этот код применяют для контроля: передача/информации между регистрами, считывания информации в оперативной памяти, обменов между устрой­ствами.

Итеративные коды применяют при контроле передач массивов ко­дов между внешним ЗУ и процессором, между двумя процессорами и в других случаях. Итеративный код образуется путем добавления дополнительных разрядов по четности к каждой строке каждому столб­цу передаваемого массива слов (двумерный код). Кроме того, четность может определяться еще и по диагональным элементам массива слова (многомерный код). Обнаруживающая способность кода зависит от чис­ла дополнительных контрольных символов. Он позволяет обнаружить многократные ошибки и прост в реализации.

Корреляционные коды характеризуются введением дополнительных символов для каждого разряда информационной части слова. Если в каком-либо разряде слова стоит 0, то в корреляционном коде это записывается как « 01», если 1, то символом «10». Признаком искажения кодов является появление символов «00» и «11».

Код с простым повторением (контроль по совпадению) основан на повторении исходной кодовой комбинации, декодирование происхо­дит путем сравнения первой (информационной) и второй (проверочной) частей кода. При несовпадении этих частей принятая комбинация считается ошибочной.

Равновесные коды используются для контроля передач данных между устройствами, а также при передаче данных по каналам связи. Рав­новесный код - это код, который имеет некоторое фиксированное чис­ло единиц (весом называется число единиц в коде). Примером равновесного кода является код "2" из "5", из "8". Существует бесконечное количество равновесных кодов.

Контроль по запрещенным комбинациям, в микропроцессорных уст­ройствах используются специальные схемы, обнаруживающие появление запрещенных комбинаций, например, обращение по несуществующему адресу, обращение к несуществующему устройству, неправильный выбор адреса.

Корректирующий код Хэмминга строится таким образом, что к име­ющимся информационным разрядам слова добавляется определенное чис­ло D контрольных разрядов, которые формируются перед передачей информации путем подсчета четности сумм единиц для определенных групп информационных разрядов. Контрольное устройство на приемном конце образует из принятых информационных и контрольных разрядов путем аналогичных подсчетов четности адрес ошибки, ошибочный разряд корректируется автоматически.

Циклические коды применяют в средствах последовательной пере­дачей двоичных символов, составляющих слово. Типичным примером таких средств служит канал связи, по которому осуществляется пере­дача дискретных данных. Особенность циклических кодов, определяющих их название, сос­тоит в том, что если N-значная кодовая комбинация принадлежит данному коду, то и комбинация, полученная циклической перестанов­кой знаков, также принадлежит этому коду. Основным элементом кодирующей и декодирующей аппаратуры при работе с такими кодами служит сдвигающий регистр с обратной связью, обладающий необходимыми циклическими свойствами. Циклический код N-значного числа, как и всякий систематичес­кий код, состоит из информационных знаков и контрольных, причем последние всегда занимают младшие разряды. Так как последовательная передача производится, начиная со старшего разряда, контрольные знаки передаются в конце кода.

Программные средства функционального контроля исполь­зуются для повышения достоверности функционирования отдельных устройств, систем и сетей в том случае, когда эффективность аппаратных средств обнаружения ошибок оказывается недостаточной. Программные методы функционального диагностирования основаны на установлении определенных соотношений между объектами, участвующи­ми в ходе работы для обеспечения обнаружения ошибок. В качестве объектов могут выступать отдельные команды, алгоритмы, программные модули, комплексы программ (функциональных и служебных).

Контрольные соотношения устанавливаются на системном, алго­ритмическом, программном и микропрограммном уровнях.

В основе формирования контрольных состояний лежат два принципа:

Реализация программными средствами различного уровня методов функционального диагностирования на основе теории кодирования, т.е. используется информационная избыточность;

Составление специальных соотношений по различным правилам на основе использования временной избыточности (двойной и многократ­ный счет, сравнение с заранее рассчитанными пределами, усечение алгоритма и др.) путем преобразования вычислительного процесса.

Оба принципа используются для диагностирования всех основных операций, выполняемых процессорными средствами - операций ввода – вывода, хранения и передач информации, логических и арифметических.

Достоинством программных средств функционального контроля является гибкость и возможность использования любого соче­тания для оперативного обнаружения ошибок. Они играют важную роль в обеспечении требуемого уровня достоверности обработки информации. Для своей реализации они требуют дополнительных затрат машинного времени и памяти, дополнительных операций по программированию и подготовке контрольных данных.

Контроль методом двойного или многократного счета состоит в том, что решение всей задачи в целом или отдельных ее частей выполняется два или более раз. Результаты сравниваются и их совпадение считается признаком верности. Используются и более сложные правила сравнения, например, мажорированные, когда за правильный принимаем результат, который соответствует большему числу правильных резуль­татов.

Реализация двойного или многократного счета состоит в том, что определяются контрольные точки, в которых будет проходить cpaвнение, и выделяются специальные объемы памяти для хранения резуль­татов промежуточных и окончательных вычислений, применяются ко­манды сравнения и условного перехода на продолжение вычисления (при совпадении результатов) либо на очередное повторение (при несовпа­дении результатов.).

Контроль по методу усеченного алгоритма, на основе анализа алгоритмов, выполняемых процессором, строится так называемый усеченный алго­ритм. Задача решается как по полному алгоритму, обеспечивающему необходимую точность, так и по усеченному алгоритму, который позволял быстро получить решение, хотя и с меньшей точностью. Затем прово­дится сравнение точного и приближенного результатов. Примером усе­ченного алгоритма является изменение шага решения (увеличение) при решении дифференциальных уравнений.

Способ подстановки . При решении систем уравнений, в том числе нелинейных и трансцендентных, предусматривается подстановка в исходные уравнения найденных значений. После этого производится срав­нение правых и левых частей уравнения с целью определения невязок. Если невязки не выходят из заданных пределов, решение считается правильным. Время, затраченное на такой контроль, всегда меньше, чем на повторное решение. Кроме того, таким способом обнаруживайте не только случайные, но и систематические ошибки, которые двойным счетом часто пропускаются.

Метод проверки предельных значений или метод "вилок". В большинстве задач можно заранее найти пределы ("вилку"), в которых должны нахо­диться некоторые искомые величины. Это можно сделать, например, на основе приближенного анализа процессов, описываемых данным ал­горитмом. В программе предусматриваются определенные точки, где реализуется проверка на нахождение переменных в заданных пределах. Таким методом можно обнаруживать грубые ошибки, которые делают бессмысленным продолжение работы.

Проверка с помощью дополнительных связей . В некоторых случая удается использовать для контроля дополнительные связи между иско­мыми величинами. Типичным примером таких связей являются известные тригонометрические соотношения. Возможно использование корреляционных связей для задач обработки случайных процессов, статической обработки. Разновидностью этого подхода являются так называемые балансовые методы их суть в том, что отдельные группы данных удовлетворяют определенным соотношениям. Метод позволяет обнаруживать ошибки, вызванные сбоями.

Метод избыточных переменных состоит во введении дополнитель­ных переменных, которые либо связаны известными соотношениями с основными переменными, либо значения этих переменных при определенных условиях известны заранее.

Контроль методом обратного счета, при этом по полученному результату (значениям функции) находят исходные данные (аргументы) и сравнивают их с первоначально заданными исходными данными. Если они сов­падают (с заданной точностью), то полученный результат считаете верным. Для обратного счета часто используют обратные функции. Применение этого метода целесообразно в тех случаях, когда реализация обратных функций требует незначительного числа команд, затрат машинного времени и памяти.

Метод контрольного суммирования . Отдельным массивам кодовых слов (программ, исходным данным и т.д.) ставятся в соответствие избыточные контрольные слова, которые заблаговре­менно получают путем суммирования всех слов данного массива. Для осуществления контроля проводится суммирование всех слов массива и поразрядное сравнение с эталонным словом. Например, при передаче данных по каналу связи все закодированные слова, числа и символы передаваемой группы записей суммируются на входе для получения контрольных сумм. Контрольная сумма записывается и передается вместе с данными.

Контроль методом счета записи. Записью называют точно установленный набор данных, характеризующий некоторый объект или процесс. Можно заранее произвести подсчет количества записей, содержащихся в отдельных массивах. Это число записывается в память. При обработке соответствующего массива данных контрольное число периодически проверяется с целью обнаружения потерянных или не­обработанных данных.

Контроль за временем решения задач и периодичностью выдаваемых результатов, является одним из принципов определения правильности хода вычислительного процесса. Чрезмерное увеличение длительности решения свидетельствует о "зацикливании" программы. Этой же цели служат так называемые маркерные импульсы (или метки времени) применяемые в системах реального времени. Маркерные импульсы используют для предотвращения того, что вследствие ошибки в пос­ледовательности команд процессор остановится или будет совершать неправильные циклы вычисления. Они используются как для всего алгоритма, так и для отдельных участков.

Реализация этих способов состоит в определении самого длинного маршрута следования команд с учетом прерываний другими программами. В составе процессора используют программный счетчик времени, на котором устанавливают предельно допустимое время реализации программы. При достижении нулевого значения в счетчике вырабатывается сигнал превышения допустимого контрольного времени, который обеспечивает прерывание программы. Контроль последовательности выполнения команд и программных модулей осуществляется двумя способами. Программа разбивается на участки, и для каждого участка вычисляется свертка (путем счета числа операторов, методом сигнатурного анализа, использование кодов). Затем снимается трасса прохождения программы и для нее вычисляется свертка и сравнивается с заранее рассчитанной. Другой способ состоит в том, что каждому участку присваивается определенное кодовое слово (ключ участка). Этот ключ записыва­ется в выбранную ячейку ОЗУ перед началом выполнения участка, одна из последних команд участка проверяет наличие "своего" ключа. Если кодовое слово не соответствует участку, то имеется ошибка. Узлы разветвляющихся программ проверяются повторным счетом, а выбор только одной ветки - с помощью ключей. Контроль циклических участков программы состоит в проверке числа повторений цикла, за счет организации дополнительного программного счетчика.

При тестовом контроле проверку узлов, устройств и системы в целом осуществляют с помощью специального оборудования - гене­раторов тестовых воздействия и анализаторов выходных реакций. Не­обходимость в дополнительном оборудовании и временные затраты (невозможность штатного (функционирования во время проведения тесте ограничивает использование тестовых методов.

Тестирование со штатной программой , функциональная схема ор­ганизации такого тестирования включает генератор тестов, содержа­щий набор, заранее подготовленных статистических тестов и анализа­тор, работающий по принципу сравнения выходной реакции с эталонной, полученной также заранее специальными средствами подготовки тестов.

При вероятностном тестировании в качестве генератора тестов используется генератор псевдослучайных воздействий, реализованный, например, сдвиговым регистром с обратными связями. Анализатор обрабатывает выходные реакции по определенным правилам (определяет математическое создание числа сигналов) и сравнивает полученные значения с эталонными. Эталонные значения рассчитываются либо получают на предварительно отлаженном и проверенном устройстве.

Контактное тестирование (сравнение с эталоном) заключается в том, что способ стимуляции может быть любой (программный, от генератора псевдослучайных воздействий), а эталонные реакции образуются в процессе тестирования с помощью дублирующего устройства (эталона). Анализатор производит сравнение выходной и эталонной реакции.

Синдромное тестирование (метод подсчета числа переключении). Функциональная схема содержит генератор тестов, который генериру­ет подсчитывает 2N наборов на вход схемы, а на выходе имеется счетчик, который подсчитывает число переключении, если число переключений не равно эталонному значению, то схема считается неисправной.

При сигнатурном тестировании выходные реакции, получаемые за фиксированный интервал времени обрабатываются на регистре сдвига с обратными связями - сигнатурном анализаторе, позволяющем сжимать длинные последовательности в короткие коды (сигнатуры). Полученные таким путем сигнатуры сравниваются с эталонными, которые получаются расчетным путем, либо на предварительно отлаженном устройстве. Стимуляция объекта контроля осуществляется с помощью генератора псевдослучайных воздействий.

В заключении следует отметить, что не существует универсаль­ного метода контроля. Выбор метода должен производиться в зависи­мости от функционального назначения цифрового устройства, структурной организации системы, требуемых показателей надежности и достоверности.

При проведении регламентных работ или во врем предполетной подготовки ИВК основными методами контроля являются тестовые методы. В процессе полета основными являются функциональны методы контроля, а тестирование в основном производится с целью локализации неисправностей, в случае их возникновения.

6. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПРИ УЧЕТЕ ВЛИЯНИЯ

УПРУГИИХ СВОЙСТВ НА ОБЪЕКТ КОНТРОЛЯ

Современные цифровые РЭУ сложны, включают в свой состав тысячи и десятки тысяч элементов и отказ любого из них может прекратить функционирование РЭС в самый ответственный момент. Физические методы контроля состояния цифровых РЭС, описанные в предыдущих параграфах, имеют недостаточную достоверность, несмотря на все их многообразие и глубину. По достоверности определения работоспособного состояния цифровых РЭУ (ЦУ) помимо физических могут использоваться эффективные тестовые методы диагностики и контроля. Существо тестового контроля составляет тестовый сигнал, подаваемый на ЦУ и вызывающий такую реакцию на входной сигнал, которая свидетельствует о том, что ЦУ находится в работоспособном состоянии.

Контрольный тест ЦУ формально определяется как последовательность входных наборов и соответствующих им выходных наборов, обеспечивающих контроль исправности цифрового узла. Контрольные тесты составляются таким образом, что позволяют обнаружить одиночные константные неисправности S = 0(1) в статистическом режиме.

Работоспособность контролируется следующим образом. На вход ЦУ подаются наборы контрольного теста. Снимаемые с ЦУ выходные наборы сравниваются с эталонными. При совпадении каждого из выходных наборов теста с эталонными наборами ЦУ считается работоспособным. Контрольные тесты составляются на базе анализа принципиальных схем ЦУ. В случае несовпадения сигналов контрольного и эталонного наборов дальнейшая подача теста прекращается и на этом набо­ре диагностируется отказ (неисправность). Диагностирование отказа начинается от того выхода ЦУ, на котором зафиксировано несовпадение контрольного и эталонного наборов. На том логическом элементе схемы, который связан с этим выходом, измеряются выходной сигнал U и входные сигна­лы x1....xk, где k - число входов элементов ЦУ. По измеренным значениям входных сигналов в соответствии с алгоритмом функ­ционирования определяют (Uо - то значение выходного сигнала, которое должно быть: Uo = f(x1, x2, ..., xk). В случае неравенства U ≠ Uo - отказавшим считается сам элемент или гальваническая связь от его выхода. При U = Uo определяются существенные вхо­ды логического элемента, а затем те логические элементы, кото­рые связаны с этими входами. Под существенным понимается та­кой вход элемента, на котором изменение логического сигнала приводит к изменению сигнала на выходе. Описанные измерения выполняются для всех элементов, связанных с существенными вхо­дами. Измерения выполняются до определения неисправности или до соответствующих входов цифрового узла.

В случае если в качестве элемента схемы ЦУ выступает триг­гер, то для него Uo = f(x1,x2,…,xk,U"), где U"- предыдущее состояние триггера. Поэтому Uo определя­ется не на каждом наборе. Для RS-триггера со входами R, S на наборе Uo=l, на наборе U = 0, на наборе Uo может быть 0 или 1 в зависимости от U". Если сигнал Uo можно устано­вить по результатам измерения, то отказ диагностируется путем определения U, измерения его параметров, сопоставления и срав­нения их с параметрами Uo.

Для примера рассмотрим диагностирование отказа в ЦУ (рис. 7.2). Отказ проявляется в виде логического нуля на входе D1/13. Контрольный тест (первый набор) имеет последовательность:

Входы: 1/1 1/15 1/23 1/32 2/2 2/8 2/18 2/33

Выходы: 1/18 2/14

Отказ проявляется в первом наборе контрольного теста.

Последовательность диагностирования по принципиальной схе­ме представлена в табл. 7.1.

Помимо диагностирования ЦУ по принципиальной схеме су­ществует методика диагностирования по таблицам. По этой мето­дике для каждого набора контрольного теста составляются диаг­ностические таблицы, полная и сокращенная. Полная диагности­ческая таблица рассчитана на кратные неисправности; сокращен­ная на одиночные. Сокращенная диагностическая таблица вклю­чает только те элементы ИМС, которые не проверены ни на одном из предыдущих наборов контрольного теста. Таблицы составляют­ся по определенным правилам, которые удобнее рассмотреть на примере (см. табл. 7.2). В строке таблицы печатают: № вых. ЦУ; номер канала установки тест-контроля; № контакта и № разъема; № выходного контакта микросхемы, соединенного с контактом разъема, и № самой микросхемы; №№ вых. и вх. контактов мик­росхемы, поверяемых в данном наборе.

Если в сокращенной таблице часть элементов в середине стро­ки внесена в одну из предыдущих сокращенных таблиц, то в рас­сматриваемой строке эти элементы не отличаются, вместо них ставится многоточие.

Диагностирование отказов по таблице производится следующим образом. Сокращенная таблица выбирается по номеру набора, на котором обнаружено несовпадение. Начинают диагностирование с того выхода ЦУ, на котором зафиксирован неверный результат и производят его последовательно по каждой строке диагностической таблицы. Для каждого из элементов строки таблицы сравнивают значения логических

сигналов на входах и выхо­дах с соответствующими контрольными значениями таблицы. На элементе, у которого информация на выходе не совпадает с конт­рольной, необходимо остановиться. Отказавшим будет либо этот элемент, либо один из элементов, входы которого соединены с вы­ходом этого элемента, либо печатный проводник, соединяющий выход элемента со входами других элементов, источником пита­ния, корпусом и другими узлами. Пример диагностирования ЦУ по таблицам приведен в табл. 5.2, 5.3.

Для обеспечения возможности построения контрольных тестов для ИМ С необходимо, чтобы последние обладали соответствующим уровнем контролепригодности и отвечали в этом плане определенным требованиям. Выполнение требований по контролепригодности сокращает трудоемкость тестов и улучшает их характеристики.

Общие методы повышения контролепригодности ЦУ сводятся к следующим рекомендациям: необходимо уменьшать по возможности количество обратных связей в схеме ЦУ; в первую очередь это относится к внешним обратным связям. Ликвидация обратных связей может быть реализована путем конструктивного разрыва с выводом на контакты разъема;

следует уменьшать тактность схемы ЦУ, т. е. количество эле­ментов памяти в цепи распространения сигнала от входа к выхо­ду, а также ступенчатость, количество элементов схемы в цепи распространения сигналов; следует уменьшать количество микросхем, действующих на один выход ЦУ; необходимо реализовать при проектировании ЦУ установочную последовательность входных наборов, которая переводит все эле­менты схемы в какое-либо устойчивое состояние; следует выводить выход каждого элемента памяти на внешние контакты; следует разрывать структуры типа «сходящееся разветвление».

Описанные технические решения по обеспечению диагностиро­вания ЦУ принимаются в основном при проектировании РЭУиС и самих ИМС. Задача при постановке на эксплуатацию аппаратуры на ИМС проследить за уровнем принятых решений и выполнени­ем тех рекомендаций, которые обеспечивают возможность и эф­фективность диагностирования при техническом обслуживании РЭУ.

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ АППАРАТУРНОГО КОНТРОЛЯ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

Н. П. БАНДА

(Представлена научным семинаром кафедры вычислительной техники)

Важнейшие показатели качества схем аппаратурного контроля (АК) цифровых устройств (ЦУ)-эффективность и достоверность "контроля не являются в "настоящее время четко определенными. Для уточнения этих понятий рассмотрим совокупность различных состояний ЦУ с АК (табл. 1). При этом под эффективностью контроля будем понимать вероятность обнаружения ошибки, появившейся в ос-

Таблиц а 1

Состояние Состоян ие Реакция

Событие контролируемой схемы схемы контроля схемы контроля Примечание

А В С Состояние исправной ра-

Н0 0 0 0 боты системы

Н, 0 0 1 Невозможное событие

H.J 0 1 1 1 Определяет Эсам

Н5 Но 1 0 ] Определяет Эм

новной схеме (ОС). Такой критерий эффективности в соответствии с терминологией теории исследования операций наиболее точно отражает цель, стоящую перед схемой контроля (СК), - обнаружить максимальное количество возможных ошибок в ОС, и поэтому получил наибольшее распространение .

В табл. 1 цифра 0 в зависимости от номера столбца означает отсутствие ошибок в ОС (Л), схеме контроля (В) или отсутствие сигнала ошибки на выходе СК (С). События Я/ (г = 0,7) определяют состояния системы (под системой в данном случае понимается совокупность основной схемы и схемы АК). Например, событие Я3 означает, что ОС исправна, а в схеме контроля есть ошибка, которая обнаруживается. Назовем условную вероятность Р(С/АВ) = Э самэффективностью самоконтроля, а Р(С/АВ) = Эм -эффективностью метода контроля.

Анализируя табл. 1, можно сказать, что эффективность контроля как вероятность обнаружения ошибки, появившейся в ОС - Р(С/А),

определяется событиями Я4 - Н7. Используя теорему умножения вероятностей, можно записать

Р(С"А) = Р(АС) . (1)

^ ■ " рщ ^ >

Согласно табл. 1

Р(АС) - Р{Н:) + Р(//7) = + (2)

Подставляя (2) в (1) и учитывая, что события А и В независимы, а событие С зависит от А и В, получим

Р(АВС) + Р(АВС)

Р(АВ)-Р(С АВ) + Р(АВ).Р(С:АВ)

P(B)-3M + P(B)-P(C¡AB).

Отсюда следует, что эффективность контроля определяется эффективностью метода контроля, вероятностью безошибочной работы схемы контроля и вероятностью обнаружения многократных ошибок, появляющихся одновременно в основной и контрольной аппаратуре.

При анализе достоверности АК целесообразно рассматривать два критерия.

1. Д] = Р(А/С) -достоверность положительного результата контроля (вероятность наличия неисправностей в ОС, если на выходе СК есть сигнал ошибки). Здесь и далее под неисправностью понимается отказ или сбой произвольной "кратности. Причем предполагается, что неисправность определяет ошибку такой же кратности.

2. JXq = P(Á/C)-достоверность отрицательного результата контроля (вероятность отсутствия неисправностей в ОС, если на выходе СК. сигнала ошибки нет).

По формуле Бейеса имеем

D Р(Л"С) Р(А)-Р(СА)

1 Р(А)-Р{С:А) + Р{А)-Р(С!А)

Р (А)-Р (CIA)

Р(А)-Р(С;А) + Р(А)\ 1 -Р{С А)]

" Р (А)-Э -f Р(А) - P(Á-P(CÍÁ)

Условная вероятность Р(С/А) есть вероятность того, что сигнал на выходе СК не появится, если неисправности в ОС отсутствуют. По аналогии с формулами (1-3) можно записать

Р(С:А) = = Р СВ) + р (В) (1 - Эсам). (5)

Отсюда следует, что для увеличения вероятности Р(С/А) необходимо повышать вероятность исправной работы СК и уменьшать «отрицательное» влияние эффективности самоконтроля. Последнего можно достигнуть путем введения диагностических тестов, различающих неисправности, появляющиеся в основной и контрольной аппаратуре. Тогда в (5) необходимо вместо ^сам рассматривать

ЭСам = Эсам.Кс, (6)

где Кс - коэффициент, показывающий, какой процент ошибок в схеме контроля вызывает появление сигнала „отказ системы" (рис. 1).

Достоверность отрицательного результата контроля определяет ся аналогично О! _ __

Р (А) ■ Р (С/А)

Б0 = Р(Л/С) =

°(А)-Р(С/А) + Р(А)-Р(А)-Э

коытро/ю штоо/ю

Ощ/гьтст операции

Отказ систепь/ Отказ схепы хот о о/го

Рис. 1. Блок-схема системы

Если АК позволяет не только обнаруживать, но и корректировать ошибки, то надо учитывать дополнительный критерий эффективности - вероятность исправления ошибки, появившейся в ОС (Эп). Этот "критерий также можно рассчитывать по формуле (3), понимая под Эм и Р(С/АВ) соответствующие вероятности исправления ошибок.

1. Проведен анализ важнейших показателей качества схем аппаратурного контроля цифровых устройств: эффективности и достоверности контроля.

2. В результате анализа выбраны два ¡критерия эффективности: вероятность обнаружения и вероятность исправления ошибки, появившейся в основной схеме, и два критерия достоверности: достоверность положительного и отрицательного результатов контроля.

3. Исходя из рассмотрения таблицы состояний ЦУ с АК, выведены формулы для расчета указанных критериев эффективности й достоверности контроля на ранних этапах проектирования системы.

ЛИТЕРАТУРА

!. «Основы проектирования управляющих машин промышленного назначения». Под ред. Б. Н. Малиновского. «Машиностроение», 1969.

2. А. М. Сидоров. Методы контроля электронных цифровых машин. М., «Советское радио», 1966.

3. Э. Я. Петер сон, Н. Д. Путинцев. Критерии оценки эффективности системы контроля ЭЦВМ по обеспечению достоверности выходной информации. - «Автоматика и вычислительная техника», 1968, № 3.

4. Э. Я. Петер сон, Н. Д. Путинцев. Выбор параметров схем контроля в трактах управляющих ЭЦВМ. Изв. АН СССР. «Тех. кибернетика», 1969, № 5.

5. В. Н. Веригин. Основные характеристики аппаратного контроля с обнаружением ошибок применительно к ЦВМ, ИТМ и ВТ АН СССР. М., 1966.

6. Н. Д. Путинцев. Аппаратный контроль управляющих цифровых вычислительных машин. М., «Советское радио». 1966.

7. Ю, Г. За й ко. К вычислению эффективности контроля по модулю. - «Кибернетика», 1967, № 6.

8. Г. Н. Ушакова. Аппаратный контроль и надежность специализированных ЭВМ. М., «Советское радио», 1969.

9. Н. П. Б а й д а, В. М. Р а з и н, В. М. Т а н а с е й ч у к. К вопросу о расчете эффективности системы аппаратного контроля электронных цифровых вычислительных машин. XXV Всесоюзная научная сессия, посвященная Дню радио и Дню связиста. (Аннотации и тезисы докладов). М., 1969.

10. Н. П. Б айда, В. М. Разин, В. М. Т а н а с е й ч у к. К вопросу оптимального выбора эффективностей системы аппаратного и тестового контроля ЭВМ по критерию достоверности вычислений. II Всесоюзная конференция по технической кибернетике. (Аннотации и тезисы докладов). М., 1969.

11. В. И. П е р о в, Т. Д. Жол ковер. Способы оценки и некоторые пути повышения достоверности результатов автоматического контроля. Автоматический контроль и методы электрических измерений. Труды V конференции. Т. 2, Новосибирск, 1966.

12. Е. С. В е н т ц е л ь. Введение в исследование операций. М., «Советское радио», 1964.

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 =2 608 =10 183 . Это общее число тест-комбинаций. Пусть каждый тест длится 1мкс. Тогда на проведение всех тестов потребуется время тестирования t=10 177 c. В 365-дневном году содержится 3,15*10 7 с. Поэтому выполнение всех тестов закончится через 0,3*10 170 лет. Для сравнения возраст земли составляет 4,7*10 9 лет.

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.

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.

МИНСК, 2008

Качество контроля и диагностики зависит не только от технических характеристик контрольно-диагностирующей аппаратуры, но и в первую очередь от тестопригодности (контролируемости) самого испытываемого изделия. Это означает, что качество проверки во многом предопределяется качеством разработки изделий. Простейшее решение повышения качества контроля – это вывод некоторых внутренних точек изделия на внешний разъем. Однако число свободных контактов на разъеме ограничено, поэтому указанный подход редко оказывается доступным или достаточно эффективным. Более приемлемое решение связано с размещением на плате дополнительных функциональных элементов, предназначенных для непосредственного получения или накопления информации о состоянии внутренних точек и последующей ее передачи на обработку по требованию анализирующего устройства (внешнего или также встроенного).

Сигналы, возникающие в процессе функционирования основной и контрольной аппаратуры, размещенной вместе на одном печатном модуле или кристалле ИС, сопоставляются по определенным правилам. В результате такого сопоставления вырабатывается информация о правильном функционировании контролируемого узла. В качестве избыточной аппаратуры может быть использована полная копия проверяемого узла (рис.1, а). При этом производиться простейшее сравнение двух одинаковых наборов кодов. С целью уменьшения объема дополнительной контрольной аппаратуры используют более простые контрольные устройства с избыточным кодированием (рис.1, б), но зато при этом усложняются способы получения контрольных соотношений.

ОУ – основное устройство; КУ – контрольное устройство;

УС – устройство сравнения; УК – устройство кодирования:

УОКК – устройство обработки контрольных кодов;

УД – устройство декодирования; Z – сигнал ошибки.

Избыточное кодирование основывается на введении во входной, обрабатываемый и выходной информационный сигнал дополнительных символов, которые вместе с основными образуют коды, обладающие свойствами обнаружения или исправления ошибок.

В качестве примера встроенного контроля с избыточным кодированием рассмотрим один из методов контроля передачи информации: к группе информационных разрядов, представляющих собой простой (т. е. неизбыточный) код добавляется один избыточный (контрольный) разряд, несущий информацию о четности и нечетности передаваемой информации. Значение разряда четности равно), если число единиц в передаваемом коде четное и 1, если число единиц нечетное (рис.2).

Рис. 2. Передача информации с контрольным разрядом: если Z=0, то информация передается без ошибки; если Z=1, то информация передается неверно; n – число основных каналов; n+1 – дополнительный контрольный разряд.

По нечетности контролируется полное пропадание информации, так как кодовое слово, состоящее из нулей, относится к запрещенным.

Этот метод применяют в микропроцессорных системах для контроля передач информации между регистрами, считывания информации в ОЗУ, обменов между устройствами. Магистрали передач данных составляют от 60 до 80% всех аппаратных средств МПС. Поэтому использование контроля по четности позволяет существенно повысить надежность операций передачи информации.

Рис. 3. Схема контроля четности-нечетности 8-миразрядной шины пирамидального типа на двухвходовых логических элементах "исключающее ИЛИ"

Другим примером могут явиться итеративные коды. Их применяют при контроле передач массивов кодов между внешним ЗУ и ЭВМ, между двумя ЭВМ и других случаях. Итеративный код образуется путем добавления дополнительных разрядов по четности к каждой строке и каждому столбцу передаваемого массива слов(двумерный код). Кроме того, четность может определяться и по диагональным элементам массива слова(многомерный) код. Обнаруживающая способность кода зависит от числа дополнительных контрольных символов. Он позволяет обнаружить многократные ошибки и прост в реабилитации.

К простейшим аппаратным способам встроенного контроля относится способ дублирования схем и сравнения выходных сигналов этих схем (рис.3). Этот метод легко можно применить для проверки любой схемы. Кроме тог, он обладает преимуществом, что может обнаружить любую функциональную ошибку, появляющуюся в схеме. Недостатком метода является во-первых – увеличение затрат на резервирование и, во-вторых – не исключение собственных ошибок резервной контрольной аппаратуры.

Несколько снизить затраты на аппаратное дублирование цифровых схем можно путем использования так называемой двухпроводной логики. При этом исходная и резервные схемы отличаются тем, что они реализуют инверсные выходы и в схеме все сигналы представлены одновременно в прямом и инвертируемом виде. Сравнение выходных сигналов при обычном дублировании осуществляется на основании их равенства, а при двухпроводной логике – на основании их неравенства.

Для обнаружения ошибок в комбинационных схемах, в особенности для арифметических и логических функций, зависящих от двух аргументов, часто применяют метод псевдодублирования. В этом случае данные обрабатываются дважды последовательно во времени, в одинаковом порядке, однако по различным путям и проверяются на равенство с использованием промежуточного запоминающего устройства. При этом вместо требуемого резервирования схемы фактически увеличивается время обработки информации.

На рис.4 изображена схема проверки двухразрядного покомпонентного логического объединения двух операндов при помощи АЛУ. Вначале переключатели S1 и S2 включаются в правое по схеме положение и с выхода АЛУ результат операции записывается в регистре 3 памяти, подключенных к одному из входов схемы сравнения.

На следующем шаге переключатели S1 и S2 включаются в левое положение. Старшие и младшие разряды входных чисел на входе АЛУ меняются местами, а результат операции с выхода АЛУ с также переставленными старшим и младшим разрядом поступает непосредственно на схему сравнения.

Рис. 4. Схема проверки выполнения арифметических операций по методу псевдодублирования

Допустим, что на выходе 3 АЛУ проявляется ошибка "=1" (тождественная единица) и операнды 0110 и 0010 поразрядно складываются в АЛУ по модулю 2. Если переключатели S1 и S2 включены в правое положение, то в регистр 3 записывается число 0100. Если переключатели включены в левое положение, т. е. на выходы АЛУ поступают числа 1100 и 0100, соответственно, а на выходе 1100 (с учетом ошибки =1 на выходе 3 АЛУ). На входы схемы сравнения поступают коды 0100 – с выхода регистра 3 и 0110 – с выхода АЛУ, которые вырабатывают сигнала ошибки.

Встроенный контроллер особенно удобен для организации контроля и диагностики изделий в условиях эксплуатации, но он может оказаться полезным и в производственных условиях, например, при изготовлении БИС микропроцессорных комплектов. Для этого в схему БИС вводятся дополнительные средства, осуществляющие реконфигурацию структуры БИС в режиме тестирования и обеспечивающие, при этом, улучшение управляемости и наблюдаемости всех, входящих в нее триггеров (рис.5, а). В этом случае тестирование сложной БИС превращается в сравнительно простую процедуру для рекомбинационных схем, входящих в БИС.

Для реализации такого подхода необходимы такие средства реконфигурации структуры последовательностной схемы, чтобы сигнал управления переключал все триггеры из рабочего режима в тестовый, при котором все триггеры становятся управляемыми и наблюдаемыми (рис.5, б). Наибольшее распространение среди этих методов получил метод сканирования **** осуществляемый за счет соединения специальных дополнительных элементов памяти в единый сдвиговый регистр, запоминающий внутренне состояние схемы. Сканирование дополнительных элементов памяти можно контролировать и путем адресации к ним и прямого выбора информации о состоянии схему из дополнительных ЗУ.

Все это усложняет БИС, однако обеспечивает экономическую целесообразность. Так для МП серии Intel 8086, имеющего площадь кристалла 3 мм2, введение средств повышения контролепригодности увеличивает площадь кристалла примерно на 20%, что снижает выход годных с 10% до 12(20)%. Вместе с уменьшением количества кристаллов на пластине это приводит к удорожанию производства на 70%. Тем не менее уменьшение стоимости тестирования, которое составляет более 80% трудоемкости изготовления БИС, полностью компенсирует такое удорожание БИС и сложные ПУ разрабатываются таким образом, чтобы обеспечить возможность самотестирования без участия внешнего оборудования и программных средств.

Для реализации самотестирования схем на печатной плате или на кристалле микропроцессора размещают два регистра, запрограммированных на выполнение функций генератора псевдослучайных кодов и сигнатурного генератора. В программируемом ПЗУ процессора храниться специальная тест-программа, которая должна обеспечить последовательное тестирование всех функциональных узлов микропроцессора. Генератор псевдослучайных кодов формирует входную тестовую последовательность, направленную в контролируемые программно-доступные блоки микропроцессора, а сигнатурный генератор снимает с выхода микропроцессора соответствующие контрольные сигнатуры которые в свою очередь сравниваются с эталонными, хранимыми в ПЗУ. Результат сравнения дает информацию микропроцессору о своем состоянии.