автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Методы компактного тестирования и самодиагностики цифровых устройств

р Г Б од

- 3 ИЮП 1995

На правах рукоппсз

кудрниив николая георпйеи ш20ш ксхзштного tectíífomjeh и слнодкшюспзп!

вдиши устройств

Специальность: 05Л3.01 - "УпразлэЕШ з гаетггескзх

tscreaai"

abtopeqspat даасэратацкя из ссяснан^э учэтюЗ ствпэни паададата тазнячэснах наук

Toacs - 19S5

Работа выполнена в НИИ автоматики и электромеханики при Томской государственной академии автоматизированных систем управления е радиоэлектроники.

Научные руководители: Доктор технических наук,

профессор Бондарэнко В.П.

Доктор технических нал:, профессор Иатросова А.Ю.

ОфщаальнЕэ ошганеяты: Доктор технических наук,

профессор Разин Е.Н.

Кандидат технических наук, доцэнт Тюшшз-Вульф Л.В.

Ведущее предприятие: . организация Технотрон, г Томск.

Защита состоится -М- сшЩ] 1995 г. в _ часов на

заседании Диссертационного Совета Д.063.80.03 при Томском политехническом университете по адресу: 634004, г.Томск, ул. Советская 84.

О диссертацией коню ознакомиться в библиотеке ТПУ.

Автореферат разослан ШСШ ^ 19Э5 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета

кандвдвт технических .наук, доцент ИД» Чудинов

N ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАВОТЫ. В процессе разработки, производства и эксплуатации технических устройств большое внимание уделяется вопросам их надежности, отказоустойчивости и ремонтопригодности. Одной из основных задач, с которой сталкиваются исследователи, работающие в данной области - это задача подготовки и проведения диагностического эксперимента, по результатам которого можно судить о корректности работы объекта диагностирования (ОД). Суть диагностического эксперимента заключается в нахождении и обеспечении таких условий функционирования ОД, чтобы по состояниям исследуемого устройства, наблюдаемым во время проведения проверяпдих процедур, можно было принять решение о его исправности или неисправности, а в некоторых случаях и иметь возможность локализовывать обнаруженные неисправности.

В течение последнего времени наблюдается увеличение сложности выпускаемых технических устройств и систем, что влечет за собой повышение на несколько порядков трудоемкости решения задачи их анализа с целью подготовки п проведения тестового эксперимента. В связи с этим, наряду с аналитическими методами решения вышеперечисленных задач (моделирование неисправностей функционирования объекта и построение проверявших И диагностических тестов) все большее место стали занимать способы и подхода структурно-технологического (контролепригодного) направления. Их суть заключается в разработке однородных и квазиода^родных структур, о возможностями самодиагностики, перестраиваемости и резервирования.

В связи с той, что в рвг$аяря:зх структур.«т^зрабатывае при контродепригодном проектировании, появляется возмояно раздельной проверки комбинационных блоков и блоков памя-сложность решения задач- контрольного и диагностическс тестирования устройства уменьшается. Однако сама зад! приобретает своеобразную специфику, которая связана распределенностью комбинационных блоков в структуре исследуеш устройства. Последнее уменьшает пригодность использова! классических тестов, г.к. это требует наличия аппаратуры под! тестовых воздействий и отслеживания реакций для каждого суббло!

Одним из путей решения возникающей проблемы являв1 использование методов компактного тестирования и самодиагностга Суть этих методов заключается в возможности выделения та; параметров ОД, которые бы допускали компактное описа] исследуемого устройства и позволяли судить о его техничес состоянии.

В некоторых работах уже делались попытки пронэдэ исследований существующих методов компактного тестирования самодиагностики. Однако область исследований существенно сувал за счет того, что ь качестве основного показателя компактно рассматривалось использование процесса преобразования (сзат информации о состоянии ОД (сигнатурный анализ, вероятност тестирование и т.п) и не принимались во внимание подхо позволяющие получать компактную информацию о состоянии ОД друг путями, например посредством преобразования структуры оОъен изменения обрабатываемой устройством информации и т.п.

ЦЕЛЬЮ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ является исследование, разработка,

реализация методов коааакгзэго тестпровепия и самодиагностика цифровых устройств.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

исследование методов компактного тестировакгд и самодиагностики с цельм выделения параметров, допускикг,;-?; компактное описание ОД, позволяющих судить о техническом состоя;,; ; исследуемого устройства;

- нахоздение способов компактного ошсания ОД для провэдетл-стендоЕых диагностических процедур с элешнташ покомпонентней;, тестирования;

- разработка встраиваемых слстем тестирования, соекощзедн ¿. себе функции одновременно генератора воздействий и анагазйкязи реакций, и использующих для принятия рзызпая сб аспрэшо^т; ОД компактное описание исследуемого устройства;

- создание програмкно-аппаратишс средств для иазлэдоаз'Г : , отладки и реализации разрабатываемых дагаостичвскиз процедур

МЕТОДИКА ИССЦЩЦОВАНЩ, В работе использован аппарат и

дифференциального исчисления; аппарат теории конечных атюатлоа; аппарат теории кодирования; элементы общей алгебры; гш». комбинаторного анализа.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТУ .состоит В там, что в розудлд:;. исследований:

1 .разработан новый метод котзпвкютго тостерами':

комбинационных автоматов, основанный- на спрэделений . Езктсргг;- -» коэффициента прозрачности; / , .

2.предложен алгоритм нахождения коаф^иццантов прозрачное для модели ОД, основанный на ортогонализации ДНФ прямой инверсной булевых функщтй, входящих в формулу вычисления булев производной; •

3.разработан оригинальный метод определения коаф&щиен' прозрачности для реального устройства;

4.разработана кольцевая технология самотестироваш труднообнаружимых неисправностей;

5.показана связь для инициального автономного автомат! описывающего кольцевую систему . тестщювания, между кодов? расстоянием на множестве верши, принадлежащих циклу . пространстве переменных, соответствувдих контролируемым полюсам кратностью обнаруживаемых константных неисправностей на ей полюсах.

6.доказано, что для любого комбинационного ОД может бы-; синтезирована кольцевад система тестирования, обнаруживающая 1 множестве контролируемых полюсов все одиночные константнь неисправности;

7 .предложен подход, к реаещхр проблемы выбора кратчайше! цикла инициального автономного автомата кольцевой системь заключающийся в сведении задачи к анализу булевых матриц, I содержащих константных столбцов;

8,показана возможность использования кольцевой систе» тестирования рассматриваемого класса для разработки и реапизаце о встроенных средств самодиагностики микропрограммных автоматов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТУ заключается в разработт кольцевой технологии самотестирования труднообнаружимк

неисправностей; разработке нового способа диагностирования комбинационных логических схем; создания системы экспериментального логического анализа, позволяювдй разрабатывать, исследовать и реализовывать различные диагностические процедуры. .

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты работы был; использованы при разработке системы экспериментального логического анализа (СЭЛА), проводимой 18 отделом НШ АЭИ, г. Томск; при разработке системы покомпонентного" тестирования, выполнявшейся совместно 18 отделом НШ АЭМ и мат. лабораторией НПО Контур, г. Томск; при. проведении исследования ¿го создании комплекта НИКЛ ■ для цифрового звукового кассетного . магнитофона с вращающимися головками, выполнявшегося для ОКБ РЭА Томского радиотехнического завода; при разработке средств диагностики для систем! сбора и обработки информации по нефтяным месторождениям, 18 от;,ел НИИ АЭМ г. Томск; при разработке учебных стендов и пособий . для практических занятий по курсу "Основы цифровой техники" ш курсу "Основы микропроцессорной техника", кафедра ОАСУ, ТАСУР.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались на: II Всесоюзной конференции "Микропроцессорные системы автоматики", г.Новосибирск, 1989 г.; Сибирской научно-технической конференции "Микропроцессорные 'системы контроля и управления", г.Новосибирск, 1992 г.; семинаре "Компактные методы тестирования и самодиагностики цифровых устройств", НИИ АЗЫ,'г.Томск, .1995- г.;, семинаре "Кольцевая технология самотестирования труднообнаруакинх неисправностей", ОЕТИ. г.Томск, 1995 г. ' .;

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введем четырех глав, заключения,, списка литературы и приложения. С изложена на 127 страницах машинописного текста, включает рисунков, 1 таблицу, список литературы из 168 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассматривается основной понятийный аппарат .нспользуюэдйся.. при постановке и реаении задач техническс диагностики. Также определяется понятие технического состояш исправного и неисправного объектов диагностирования; понять диагностического эксперимента и т.п.

Дается определение компактных методов тестирования . самодиагностики как методов, использующих компактное представлена информации о техническом состоянии исследуемого цифровог устройства.

В основной части глэеы приводится классификация компактны методов тестирования и самодиагностики.

К первому классу относятся метода, которые требуют, дл получения компактного представления информации о техническо состоянии ОД, ЕЕвдения в структуру устройства дополнительны аппаратных средств, преобразующих ОД в устройство, выполнящэ отличный от первоначально заложенного е объект алгорит г функционирования.

В качестве представителей данного класса рассматривают^ метода кольцевого тестирования.

Системы, реализующие метода кольцевого тестирования ] большинстве случаев могут быть описаны системой уравнений:

I (г-и >-I Х^+1 )= X. (1)

где а(1)=(х1(г),х^),...,х15г)> - состояние автономного автомата момент времени 1;. (при этом, автомат получается иутег. преобразования ОД, посредством • введения сдвигового реглстра, корректирующего устройства и обратной связи с еыходэ г >;с. последовательный вход рэтастра).

1(х((г),...,х^)) - нелинейная, в общем случае, булева функция.

Б=£0,1,...,2"-1) - множество состояний автомата.

2={0,1) - выходной алфавит.

а(Ю=1(а(1:));

а(1+1 )=2«з(1;)+:Г(з(1;)) (той 2")

К следующему ¡«а с су относятся метода, которые требуют, дж получения компактного представления информации, о технической состоянии ОД, введения в структуру проверяемого устройс?.. дополнительных аппаратных средств, преобразующих ОД а объект, способный выполнять первоначально заложенный алгоритм и, при этом, обладающий такими функциональными параметрами, по оцашши которк. появляется возможность принимать решение об исправности ОД.

В качестве примера , представителей данного класса рассматриваются процедура, использующие схемы встроенного контроля (СВК), свмопроверяемые схемы встроенного контроля (ССВК) и т.п.

К третьему классу относятся метода, не требующие введения в

структуру устройства дополнительных аппаратных средств, использующие либо альтернативную аппаратную реализацию ОД, ли предварительное, изменение входной информации, таким образом, ч любая ошибка из заданного класса должна преобразовывать результ выполняемой операции (из алгоритма функционирования ОД) к вид распознаваемому в качестве некорректного (ошибочного).

К таким методам относятся диагностические процедур использукздиэ метода контролепригодного проектирования, котор позеоляют работать с представлением данных при помощи кодо проверяющих и/или исправляющих ошибки и т.п.

К четвертому классу относятся метода, не требующие, введен в структуру устройства дополнительных агшаратных средств, использующие индивидуальную 'способность ОД преобразовыва1 определенным образом организованную входную информацию.

В качестве примеров рассматриваются: процедуры вероятностно: тестирования; сигнатурного и синдромного анализа; метод . использующие.оценки силозых параметров ОД; методы дефектоскоп кристалла; методы оценки задержи прохождения сигнала в цепях ОД т.п.

ЕО ВТОРОЙ ГЛАВЕ (п.2.1) рассматривается буле! даФЕэренциальное исчисление. Даются определения булев< ■ производной о£/вхДх и функции -чувствительности -я!/яХ.: Ц булев<

■о о

функции.-в произвольной вершине гиперкуба Хо.

:Приводятся формулы нахождения и формулы связи булев) ;?фоиэводных и функций чувствительности высших-порядков.

ю

«1 «Е> в!

^=

вГ 3*

оХ( ~ 1?Г зХ^"

Далее описывается разработанный в результате исследований способ компактного тестирования, заключающийся во введении и использовании векторного коэффициента прозрачности (К,,...,Кп) комбинационного автомата, моделью компонент которого может служить функция чувстйптельности (булева производная первого порядка).

Суть предложенного подхода состоит в том, что каждая компонента К, данного вектора показывает зависимость нойтролируемого полюса от одного из входных полюсов. Она выражается в количестве единичных конъюнкций СДНФ булевой производной по соответствующей входной переменной (производная вычисляется для функции контролируемого полюса).

В случае векторного представления, булевой производной 1-ая компонента коэффициента прозрачности (К,,...,Кв) мозет быть вычислена следующим образом:

п

К,- 1 7'' еГ/ох, |„

2 1« I

Если булева производная представлена в виде ортогональной ДНФ (ортогональность требуется для Того, чтобы количество конъюнкций ДНФ однозначно соответствовало количеству конъюнкций СДНФ), то 1-ая компонента коэффициента прозрачности совпздает с величиной

г. = £ 2"

где г. - ранг конъюнкции; п - число переманных без перемен дифференцирования); 1 - количество конъюнкций в ортогональной частной производной булевой функции по 1-ой переменной.

В п.2.3. формулируется и доказывается теорема:

Если Г и Р - ортогональные ДНО, то вР/ах,- та ортогональная ДНФ.

В п.2.4, приводится • методика вычисления многомер коэффициентов прозрачности и заполнения эталонных таблиц.

В качестве ;одной из сфер приложения данного подх приводится решение задачи выходного контроля при произволе изделий цифровой техники. Эта задача ставилась и решалась процессе выполнения совместных работ 18 отдела НИИ АЗЫ и м лаборатории НПО Контур по разработке программно-аппаратных сред диагностики цифровых узлов станков с ЧПУ.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассматривается один из подходов обеспечению самотестирования дискретных устройств, основанный применении кольцевой системы тестирования КЫ класса. Предлагав подход ориентирован на тестирование трудно обнарукимых консташ неисправностей на полюсах элементов дикфетного устройст Кольцевая система реализует автономный автомат, который монет с описан системой уравнений:

1а

где 3)»(ч^'Ь) * - <■ - ) - состояние автономного автомата КМ в пространстве переменных q в момент времени

Структура автономного автомата состоит из последовательно соединенных объекта диагностирования и корректирующего устройства (КУ), образующих комбинационную часть автомата.

ч»

Г 1 л

1 г I г XI 3

Г 9 XI

КУ БР ОД

f И 1>

ч« 1» ч>

I- '»-« 11

Х=Сх,...Хп} - МНОЕВСТЕО входных полюсов ОД.

Q={q1.. -я,) - множество контролируемых полюсов.

£ - выход КУ, сигнализирующий об

исправности системы.

Выхода проверяешх полюсов объекта диагностирования (ОД) поступают на входы КУ. Память автомата представлена буферным регистром. КУ синтезируется таким образом, чтобы любая одиночная константная неисправность проверяемых полюсов приводила к выходу автомата из реализуемого ил цикла.

В этой же главе вводится понятие Н-множества векторов, т.е. множества таких векторов, которые не содержат компоненты, принимающей одинаковое значение для всех векторов, принадлежащих данному множеству.

Далее доказывается, что неисправность 0(1) ва люи контролируемом полюсе ведет к изменению хотя бы одного вектора i любого R-подмножества множества реакций ОД в пространст: перемешщх q.

Формулируется в доказывается теорема о том, что достаточв! условием обнаружения любой константной неисправности кратности р на контролируемых полюсах ОД является существование подмнокост! векторов реакций ОД в пространстве переменных q, которое было с R-множеством с кодовым расстоянием равным р. I

Далее доказывается, что для любого комбинационного ОД любого множества полюсов qt...qk, описываемых нетривиальны» функциями, существует такое подмножество векторов реакций пространстве переменных q, которое будет R-мнржеством с кодош расстоянием большим или равным двум.

Большое внимание уделяется проблеме выбора кратчайшего цик. автономного автомата кольцевой системы, поскольку сокращение длш цикла приводит к уменьшению времени тестирования и упрощеш структуры корректирующего устройства (снижению аппарата избыточности при самотестировании). Проблема выбора кратчайше] цикла сводится к анализу булевых матриц, не содержащих константы столбцов.

Приводится процедура синтеза КУ для выбранного цикла цроцедура тестирования.

В конце главы рассматриваются условия создания ва осно: предлагаемой кольцевой 'системы встроенных средств тестирован микропрограммных конечных автоматов.

Б ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приводятся основннэ пранциян построения а реализации системы экспериментального логического анализа (СЭЛА)* представляющей из себя набор программно-аппаратных средств, пра помощи которых можно разрабатывать компактные метода тестаровЕНкя в самодиагностики, а также проводить-их исследования и испытания в-реальных условиях диагностического акспврякента. Кроиэ того, данная система может быть полезна не только на стадиях разработки и отладки цифровых устройств и специальных диагностических процедур, но и для автоматизации процедур выходного контроля пря производстве цифровых устройств. Система кохвт аффективно использоваться в процессе проведения практических занятий та изучению основных принципов функционирования синхронных я асинхронных цифровых автоматов с памятью а т.п.

Рассматриваются программные средства системы СЭЛ1., которю представляют из себя два типа программных модулей. Шршй блох программных модулей обеспечивает пользовательский интерфейс пря задании диагностического вксперимэнта в пра наблюдении результатов отслеживания. Второй блок является набором различных прикладных программ, реализующих алгоритмы нахождения булевых производим! и функций чувствительности, нахоздэняя покрытий булевых матриц, программ, выполняющих функции логического моделирования комбинационных автоматов и т.п. -; ' ■

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

I .

В процессе проведения работ по исследованию и разработке, программно-аппаратных средств компактного- те староваты "щйрошг устройств были получены следующие результата:"

1.Показана связь (для инициального автономного автоиа онисыващего кольцевую систему тестирования) мазду кодо расстоянием на множестве вершин, принадлежащих циклу пространстве переменных, соответствующих контролируемым полюсам кратностью обнаруживаемых константных неисправностей на 87 полюсах.

2.Разработана кольцевая технолога; саыотартирован труднообнаружимых неисправностей.

3.Доказано, что для любого комбинационного ОД может бы: синтезирована кольцевая система тестирования, обнаруживающая 1 множестве контролируемых полюсов все одиночные константш неисгравности.

4.Предложен подход к ращению проблемы' выбора кратчайшах цикла инициального автономного автомата кольцевой систекь заключающийся в сведении задачи к анализу булевых матриц, в содержащих константных столбцов,

б.Показана возможность использоравдя кольцевой систем тестирования рассматриваемого класса для разработки и рэализаци встроенных средств самодиагностики микропрограммных автоматов.

6.Разработан способ даагностарования комбинацонннх логически схем (Патент 2017207 Россия, ШЩ5 С 06 ? 11/00, заявлен®!) 22.1.91, опубликованный 30.7,94 Бия. N14), заключающийся вс введении и использовании векторного коэффициента прозрачности комбинационного автомата, моделью компонент кбторого может служит! фикция чувствительности по определенной совокупности переменнш (или частная производная булевой функции церваго порядка). Кажда компонента данного вектора показывает зависимость контролируемое

полюса от одного из входных полюсов.

7.Разработвйа система экспериментального логического анализа (СЭЛА), позволяющая в процессе проведения диагностических экспериментов:

- производить отслеживание Логических состояний исследуемых устройств в широком диапазона, частот, как в синхронном, так и в асинхронном режимах;

- задавать и генерировать тестовые воздействия;

- обеспечивать сопряжение воздействующих и отслеживающих субблоков систеш с различными типами шин, внутренних и внешних полюсов объектов диагностирования;

- задавать¿ редактировать и хранить условия диагностических экспериментов;

- отображать в различных видах и производить статистическую обработку, полученных в процессе эксперимента данных.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ .ДИССЕРТАЦИИ

1.Кудрявцев Н.Г. Модуль адаптера общей шины типа Q. // Тезисы II Всесоюзной конференции "Мякропроце с сорные систеш автоматики", Новосибирск, 1989 г., с. 43 - 44.

2.Кудрявцев Н.Г. Об одном подходе к обнаружению неисправности в комбинационной схеме. // Автоматика и вычислительная техника, 1991 г. N6, с. 63-67.

3.Кудрявцев Н.Г. Способ диагностики комбинационных логических схем - Патент 2017207 Россия, MKlí G Об Р 11/00, опубликованный 30.7.94 Бюл. N14, заявленный 22.1.91, решение о выдаче патента

K4S53646/24 О? 8.04.82 Г.

4.Андреев S.A., Кудрявцев Н.Г., Использование скот логического анализа для реализации вероятностных и компакта методов тестирования микропроцессорных устройств // СиОирск научно-техническая конференция "Микропроцессорные системы контро и управления", Новосибирск, 10-11.09.92 г.

Закеэ'47 Тираж 100 Роте принт ТЩВ

te