автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Разработка математического обеспечения специализированных систем контроля цифровых узлов на основе автоморфизмов тестовых последовательностей

Введение

1. Актуальные задачи контроля средств вычислительной техники

1.1. Типовой технологический процесс изготовления и контроля средств вычислительной техники

1.2. Виды диагностируемых внутрисхемным контролем неисправностей цифровых узлов

1.3. Классификация методов синтеза тестовых последовательностей

1.4. Обоснование использования методов инвариантно-группового анализа и структурной классификации для синтеза тестов внутрисхемного контроля

1.5. Цель и задачи диссертационного исследования

Актуальность работы. Компьютеризация различных сфер жизнедеятельности человека является основной задачей ускорения научно-технического прогресса. Решение этой задачи влечет за собой увеличение масштабов серийного производства средств вычислительной техники (СВТ). В связи с резким увеличением контрольно-диагностических операций, составляющих до 50% общей трудоемкости изготовления электронных изделий [1] - [3], проблема контроля и диагностирования СВТ обострилась как в процессе их серийного производства, так и в процессе их эксплуатации. С увеличением степени интеграции и функциональной сложности компонент СВТ проверка их работоспособности составляет все более значительную часть их стоимости. Несмотря на попытки как зарубежной, так и отечественной науки решить эту общую проблему, затраты на тестирование составляют сейчас до 50% стоимости СВТ [2]. Таким образом, повышение качества изготовляемых изделий при одновременном снижении трудоемкости их контроля является одной из самых главных задач современного производства СВТ, что определяет актуальность исследования.

Задачи контроля решаются по-разному при изготовлении и эксплуатации изделий. Если в процессе эксплуатации изделия наибольший интерес представляют проверки работоспособности и правильности функционирования, то при изготовлении прежде всего решается задача проверки исправности изделия. Продолжительность этапа проверки работоспособности и правильности функционирования изделия при эксплуатации может и не играть существенной роли, а на этапе изготовления время проверки его исправности определяет общую производительность труда и поэтому существенно ограничено. Серийное производство требует достаточно высокой производительности операций контроля дефектов, что может быть осуществлено только на основе автоматизации как самих процедур контроля, так и их подготовительных этапов.

Несмотря на то, что современные модули СВТ содержат не только цифровые ИС (ЦИС), но и различные дискретные элементы - транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и т. д. - в диссертационной работе рассматриваются тесты, предназначенные только для цифровых функциональных модулей (ЦФМ). Это объясняется тем, что методологии тестирования цифровых и аналоговых элементов имеют принципиальные различия, и в тоже время, вопросы контроля аналоговых элементов проработаны более глубоко [1], [4]. В качестве объектов контроля в диссертации рассматриваются печатные узлы и отдельные цифровые схемы.

Работа выполнена в рамках основного научного направления ВГТУ "Вычислительные и информационно-телекоммуникационные системы для управления технологическими процессами" и в рамках общероссийской программы "Конверсия и высокие технологии".

Целью работы является разработка моделей и алгоритмического обеспечения задач автоматизированного синтеза тестов, построенных по принципу минимума симметрии, для внутрисхемного контроля (ВК) цифровых узлов.

Исходя из цели работы решались следующие основные задачи: анализ особенностей задач контроля цифровых узлов; моделирование процессов синтеза тестов для внутрисхемного контроля цифровых узлов; разработка алгоритмического обеспечения синтеза тестов для цифровых узлов, обеспечивающего требуемые показатели эффективности (полнота контроля, длина теста); 7 экспериментальное исследование разработанных моделей и алгоритмов.

Методы исследования основаны на использовании методов структурной классификации, тестирования цифровых устройств, вычислительной математики, теории математического моделирования, теории симметрии, теории вероятностей.

Научная новизна основных результатов диссертационной работы:

1. Для моделирования процессов автоматизированного синтеза тестов обосновано использование методов структурной классификации и инвариантно-группового анализа, обеспечивающих оценку качества тестов независимо от методов их синтеза и функционального назначения.

2. Построена модель тестовой последовательности, для которой получено аналитическое выражение меры симметричности теста на основе абелевой группы автоморфизмов.

3. Получен обобщенный энтропийный критерий качества тестовых последовательностей, базирующийся на введенной мере симметричности теста и порождающий как известные в теории и практике тестирования критерии, так и новые.

4. Разработан алгоритм сжатия тестов, обеспечивающий сокращение длины тестовой последовательности за счет исключения малоинформативных тестовых наборов, полезность которых оценивается на основе полученных критериев.

Практическая значимость работы.

1. Обоснованы и программно реализованы алгоритмы оценки качества тестов внутрисхемного контроля, инвариантные к методам их синтеза.

2. Разработано программно-математическое обеспечение оптимизации структуры тестовых наборов и сокращения длины тестовых последовательностей.

3. Разработано программно-математическое обеспечение автоматизированного синтеза тестов, позволившее повысить объективность оценки качества тестов внутрисхемного контроля и качество тестирования цифровых узлов.

Реализация и внедрение результатов работы. Полученные теоретические и практические результаты прошли экспериментальную проверку и внедрены в учебный процесс кафедры ABC ВГТУ и на заводе "Процессор" в качестве исходного материала для разработки стандарта предприятия по синтезу и оценке качества тестов контроля цифровых узлов. Эффект от внедрения заключается в повышении объективности оценки качества тестов и, на этой основе, в повышении качества тестирования цифровых узлов.

Результаты работы используются в многофункциональной инженерной станции, разработанной в рамках госбюджетной НИР "Программно-аппаратный комплекс для логико-временного моделирования дискретных процессов" в ОНИЛАПЭ ВГТУ. Программное обеспечение станции зарегистрировано в Фонде компьютерных программ Минобразования РФ. Многофункциональная инженерная станция экспонировалась на региональной выставке "Образование и карьера" (Воронеж, 13-15 мая, 1998 г.).

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на Республиканских и Международных научных конференциях "Современные проблемы информатизации" (Воронеж, ВГТУ, 1996г., 1997 г., 1998 г.); на Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании, медицине" (Воронеж, 28 - 31 мая 1997 г.); на Всероссийском совещании-семинаре "Высокие технологии в региональной информатике" (Воронеж, 17 - 19 июня 1998 г.).

Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 16 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 120 страницах машинописного текста, иллюстрированного 17 рисунками и 13 таблицами. Список литературы содержит 60 наименований. Имеются приложения на 18 страницах.

112 4.6. ВЫВОДЫ

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований основных алгоритмов автоматизированного синтеза тестов внутрисхемного контроля.

Исследования показали эффективность всего разработанного алгоритмического обеспечения основных процессов автоматизированного синтеза тестов внутрисхемного контроля: задачи оценки качества тестов ВК, оптимизации весовых множеств и задачи сокращения длины теста ВК. Исследования показали также эффективность обобщенного алгоритма синтеза тестов для ВК цифровых узлов.

Все алгоритмы программно реализованы и используются в специализированном комплексе "Многофуекциональная инженерная станция". Разработанное программно-математическое обеспечение позволяет повысить объективность оценки качества тестов внутрисхемного контроля и качество тестирования цифровых узлов.

В заключении необходимо отметить, что полученные результаты могут быть использованы для решения других задач из области тестирования, в частности, задач функционального контроля.

113 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты диссертационного исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Проведен анализ особенностей задач контроля цифровых узлов и показана перспективность развития с экономической точки зрения методов автоматизированного синтеза.

2. Обосновано использование методов структурной классификации и инвариантно-группового анализа, позволившее разработать модели основных процессов синтеза тестов внутрисхемного контроля.

3. Построена модель тестовой последовательности, для которой получено аналитическое выражение меры симметричности теста на основе абелевой группы преобразований, сохраняющей структуру модели.

4. Получен обобщенный энтропийный критерий качества тестовых последовательностей, базирующийся на введенной мере симметричности теста и порождающий как известные в теории и практике тестирования критерии, так и новые.

5. Разработано программно-математическое обеспечение автоматизированного синтеза тестов, позволившее повысить объективность оценки качества тестов внутрисхемного контроля и качество тестирования цифровых узлов.

6. Проведено экспериментальное исследование разработанных моделей и алгоритмов в режиме имитационного моделирования, показавшее их эффективность.

7. Разработана подсистема тестирования для программно-аппаратного комплекса "Многофункциональная инженерная станция", позволяющая синтезировать тесты внутрисхемного контроля для реальных цифровых узлов.

114

1. БайдаН.П., Кузьмин И.В., Шпилевой В.Т. Микропроцессорные системы поэлементного диагностирования РЭА. М. : Радио и связь, 1987. 256 с.

2. Кондратьев В.В., Махалин E.H. Автоматизация контроля цифровых функциональных модулей. М. : Радио и связь, 1990. 152 с.

3. Львович Я.Е., Юрочкин А.Г., Чурюмов В.А. Микропроцессорные системы автоматизированного контроля производства СВТ. С.Петербург: Политехника, 1992. 203 с.

4. Байда Н.П., Месюра В.И., Роик А.М. Самообучающиеся анализаторы производственных дефектов РЭА. М. : Радио и связь, 1991, 256 с.

5. БайдаН.П., Шпилевой В.Т. Автоматизация производственного контроля в системе управления качеством гибридных узлов ЭВМ//АСУ технологическими процессами в промышленности. Киев: Знание, 1977, С. 16-18.

6. Salter M.W. In-clrcult VS Functional PS-board Testing Trade off//Semicond. Test. Conf. 1978. P. 71-75.

7. Шевкопляс Б.В. Контроль, наладка и тестирование. М. : Высшая школа, 1988. -79с.

8. Лихтциндер Б.Я. Внутрисхемное диагностирование узлов радиоэлектронной аппаратуры//Киев: Тэхника, 1989. 167с.

9. Крейг Пинн. Внутрисхемные испытания с применением сигнатурного анализа//Электроника. -1979. №11 - С. 64-70.

10. Тюрин C.B., Токарев И.Б.Оценка полноты тестов цифровых ИС при поэлементном диагностировании // Тез. докл. науч. -техн. конф. "Контроль и диагностика РЭА и изделий электронной техники", Пенза, 1990. С. 70-72.115

11. Оптимизация этапов подготовки исходных данных и разработки тестов для внутрисхемного контроля компонентов СВТ/Отчет о НИР (заключительный). Тема 37189; N ТП 01890014241; инв. 02900026073. - Воронеж: ВПИ, 1989. - 75с.

12. Технические средства диагностирования: Справочник/Клюев В.В., Пархоменко П.П., Абрамчук В.Е. и др.: М.: Машиностроение, 1989. 672 с.

13. Говард Бирман. Проблемы тестирования схемных плат и пути их решения//Электроника. 1985. № 25. С. 34-40.

14. Питер Хансен. Система функционального и внутрисхемного контроля плат со сверхбольшими интегральными схемами//Электрони-ка. 1979. Ш 8. С. 53-62.

15. Джеймс Д., Мейнд JI. Микросхемы для компьютеров//В мире науки. 1987. М2. - С. 26-36.

16. Waicukauski J.A., Lindbloom Е., Eichelberger Е.В., For-lenza 0. Р. А Method for Generating Weighted Random Patterns//IBM. J. Res. Develop. Mar. 1989. P. 149-161.

17. Brglez F., Gloster C., Kedem G. Built-In Self-Test with Weighted Random Pattern Hardware//Proc. ICCD. 1990. P. 161- 166.

18. Быков Ю.В., Ярмолик В. H. Синтез преобразователей псевдослучайных кодов для реализации самотестирования цифровых устройств, удовлетворяющих требованиям стандарта 1ЕЕЕ//Автоматика и телемеханика. 1996. - № 4. - С. 148-154.116

19. Тюрин С.В., Петрухнова Г.В. Об одном алгоритме построения тестовой последовательности для цифровых устройств//Оптимиза-ция и моделирование в автоматизированных системах. Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВПИ, 1994. С. 129-133.

20. Boubezari S., Kaminska В. A Deterministic Built-in Self-Test Generator Based on Cellurar Automata Structures. IEEE Transaction on Computers. June 1995. Vol. 44, No 6, P. 805-816.

21. Agrawal P., Agrawal V.D. On Monte Carlo Testing of Logic Networks//IEEE Trans. Computers. June 1987. Vol. 15, P.664-667.

22. Борщевич В.И., Бодян В.К., Филимонов С.Н. Метод максимума энтропии в задачах псевдослучайного тестирования микропроцессорных устройств//Приборостроение. -1989,- № 9.-С. 33-38.

23. Клисторин И.Ф., Борщевич В.И., Филимонов С.Н. Структурно-лингвистический подход перспективное направление развития методов и средств контроля микропроцессорных устройств//Измере-ния, контроль, автоматизация.- 1990, № 3(75).- С. 38-43.

24. Majumdar A., Vrudhula S.B.K. Analysis of Signal Probability in Logic Circuits Using Stochastic Models//IEEE Trans. VLSI Systems, Sept. 1993. Vol. 1. P. 365-379.

25. Bardell P.H., McAnney W.H., Savir J. Built-in Test for VLSI: Pseudorandom Techniques. John Wiley & Sons, 1987.

26. Wunderlich H.J. Self Test Using Unequiprobable Random Patterns//Proc. 17th Ann. Symp. Fault-Tolerant Computing. 1987. P. 258-263.

27. Wunderlich H.J. Multiple Distribution for Biased Random Test Patterns/VTEEE Trans. Computer-Aided Design. June 1990. Vol. 9. P. 584-593.117

28. Muradali F., Agarval V.K., Nadeau-Dostie B. A New Procedure for Weighted Random Built-in Self-Test//Proc. IEEE Int'l Test Conf., 1990. P. 660-669.

29. Закревский Jl. А. Оптимизация параметров метода вероятностного тестирования//Электронное моделирование.-1992, N 4.-С. 70-74.

30. Pateras S., Rajski J. Generation of Correlated Random Patterns for the Complete Testing of Synthesized Multi-Level Cir-cuits//Proc. 28th ACM/IEEE Design Automation Conf. 1991. P. 347-352.

31. Agraval V. D. An information theoretic approach to digital fauit testing//IEEE Trans. Comput. 1981. C.30. P. 582-587.

32. Сперанский Д. В., Черевко Н. В. Об оптимизации распределения вероятностей входных сигналов при случайном тестировании дискретных устройств// Электронное моделирование. 1992. № 2. С. 46-54.

33. Петрухнова Г.В. Синтез критериев качества тестов внутрисхемного контроля на основе принципа минимума симметрии//Труды МАИ. Отделение микроэлектроники и информатики, 1997. Вып. 2, с.357-363.

34. Karavay М. F. Theory of Symmetry and Fault-Toleran-ce//IEEE-IFAC Intern. Symp. on Distributed Intelligence Systems. 13 -15 August 1991, Arlington, VA, USA. P. 305-311.

35. Каравай М.Ф. Инвариантно-групповой подход к синтезу отказоустойчивых систем//Докл. РАН. 1996. Т.347. №2.

36. Каравай М.Ф. Применение теории симметрии к анализу и синтезу отказоустойчивых систем//Автоматика и телемеханика. 1996. Ш 6. С. 159-173.

37. Плутес B.C., Петрухнова Г.В. Формализация процедур синтеза тестов внутрисхемного контроля//Современные проблемы информатизации. Тез. докл. I Республиканской электронной научной конференции. Воронеж: ВГТУ, 1996. С. 32-33.

38. Урманцев Ю. А. Симметрия природы и природа симметрии.-М.: Наука, 1974.-161 с.

39. Шрейдер Ю.А., Шаров А. А. Системы и модели.- М.:Радио и связь, 1982.- 151 с.

40. Петрухнова Г.В. Методологические аспекты оценки качества тестов ЦИС с позиций структурной классификации//Современные проблемы информатизации. Тез. докл. II Республиканской электронной научной конференции. Воронеж: ВГТУ, 1997. С. 93.

41. Петрухнова Г.В. Критерии качества тестов внутрисхемного контроля// Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании, медицине. Ч. 2. Тез. докл. Всерос. сов.-сем. (Воронеж, 28-31 мая 1997 г.). Воронеж: ВГТУ, 1997. С. 76.

42. Гребешкова Г. Ю., Сперанский Д. В. О минимизации длины псевдослучайного теста для цифровых устройств// Автоматика и вычислительная техника. 1990. N 5. С. 90-94.

43. Кнут Д. Искусство программирования для ЭВМ;. М.: Мир, 1977. - 724 с.

44. Растригин А.А. Системы экстремального управления. М.: Наука, 1974. - 629 с.

45. Нурминский Е.А. Численные методы решения детерминированных и стохастических минимаксных задач. -Киев: Наук, думка, 1979. 159 с.

46. Васильев Ф.П. Численные методы решения эксперементальных задач. М.: Наука, 1980. -518 с.

47. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: "Высшаяьшкола", 1977, 480 с.

48. Горяшко А.П. Синтез диагностируемых схем вычислительных устройств. М.: Наука, 1987. - 287 с.

49. Основы технической диагностики. Книга 1./Карибский В.В., Пархоменко П.П., Согомонян Е.С., ХалчевВ.Ф.; Под ред. Пархоменко П. П. - М.: Энергия, 1976. - 464 с.

50. Петрухнова Г.В. Подходы к тестированию цифровых элементов в системах управления электроприводами// Электромеханические120устройства и системы. Межвузовский сборник научных трудов. Воронеж: ВГТУ, 1996. С. 49-54.

51. Афанасьев JI. А., Петрухнова Г. В. Сравнительные оценки полноты тестов внутрисхемного контроля ЦИС//Современные проблемы информатизации. Тез. докл. Республиканской электронной научной конференции. Воронеж: ВГТУ, 1996. С. .58.