8. Методы самоконтроля и самотестирования электронных средств

8.1. Классификация методов самоконтроля

Существует два основных способа осуществления самоконтроля электронных средств: 1) тестовый самоконтроль (самотестирование) с помощью специальных тестовых программ, осуществляемых встраиваемым диагностирующим ядром при переключении системы в режим самоконтроля; 2) следящий контроль с помощью специальных встраиваемых аппаратных и программных средств, осуществляемый в процессе рабочего функционирования с фиксацией ошибок и отказов в моменты их возникновения.

Тестовый самоконтроль осуществляется путём автоматического (или принудительного, ручного) переключения электронного средства в режим самоконтроля, при котором с помощью встроенных аппаратных и программных средств осуществляется контроль и тестирование электронного средства с помощью того или иного из рассмотренных в разделе 6 методов. Тестовый самоконтроль требует приостановки нормального функционирования электронного средства на время проведения контроля. Поэтому обычно режим самоконтроля автоматически включается при включении самого электронного средства, а далее, либо автоматически включается через заранее заданные интервалы времени при непрерывной работе электронного средства, либо включается вручную оператором.

Следящий самоконтроль осуществляется путём использования кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки, дублированием отдельных функциональных блоков и устройств со сравнением текущих результатов преобразования информации на их выходах, а также другими способами, использующими аппаратную и алгоритмическую избыточность. Достоинствами данного способа являются непрерывность контроля, обнаружение не только постоянных (константных), но и перемежающихся отказов (сбоев), наличие предпосылок для устранения их влияния на результаты выполнения программы. Данные достоинства определяют всё более широкое применение данного способа по мере роста степени интеграции и быстродействия элементной базы, поскольку при этом смягчаются требования к минимизации аппаратных средств и алгоритмической избыточности. Следящий самоконтроль используется, главным образом, в процессе эксплуатации электронных средств и позволяет существенно повысить обеспечение их правильного функционирования.

В сложных и ответственных электронных системах, как правило, сочетаются оба указанных метода. В таких случаях режим самотестирования может включаться автоматически в процессе непрерывной работы системы при выявлении с помощью следящего самоконтроля каких-либо ошибок. Это позволяет выявить причину возникновения ошибки и с той или иной глубиной локализовать место возникшей неисправности, т.е. в этом случае тестовый самоконтроль выполняет диагностические функции.

8.2. Тестовый самоконтроль электронных средств

Использование встроенных средств, реализующих процедуру тестирования, существенно улучшает контролепригодность и надёжность функционирования электронных средств. В данном разделе будут рассмотрены два наиболее часто используемых способа самотестирования электронных средств. Первый основан на использовании сигнатурного анализа, который реализуется с помощью генератора входных тестовых наборов, встроенного в кристалл или размещённого на печатной плате. Этот способ чаще всего используется для расширения возможностей эксплуатационно-технической службы во время поиска неисправностей в типовых элементах замены, а, следовательно, для эффективного ремонта неисправной платы без помощи централизованных ремонтных служб. Второй способ использует сочетание элементов сигнатурного анализа с проектированием на основе методологии сканирования. Его называют методом встроенного поблочного диагностирования (BILBO – Built-in Logic Block Observation) логических схем и в настоящее время широко применяют при проектировании интегральных микросхем. Он позволяет полностью автоматизировать самоконтроль электронных средств с использованием метода сигнатурного анализа, поскольку процедура сканирования контрольных точек здесь автоматизирована.

Подробно основы сигнатурного анализа рассматривались в п. 6.3.2. Основные черты электронных средств, которые проектируются согласно требованиям встроенного сигнатурного анализа, представлены на рис. 8.1.

Для такого электронного средства характерны две особенности. Первая состоит в том, что источник тестовых воздействий является блоком, встроенным в само электронное средство. Он может быть выполнен в виде регистра, генерирующего псевдослучайные входные тестовые наборы, либо это может быть ПЗУ, содержащее заранее составленные тесты. Вторая особенность структуры – возможность разрыва всех цепей внутренней глобальной обратной связи, например, с помощью переключателей, навесных перемычек, буферных элементов с третьим состоянием. Она необходима для устранения проблемы обрыва обратных связей после тестирования.

При использовании схемы рис. 8.1 методика поиска неисправности становится достаточно простой. После перевода электронного средства в режим тестирования на его входы подаются тестовые наборы и разрываются цепи глобальной обратной связи. Оператор, в соответствии со специфицированной принципиальной схемой или структурной схемой электронного средства, проверяет исправность каждого элемента с помощью пробника, продвигаясь от выхода электронного средства, до тех пор, пока не будет обнаружен неисправный элемент. Такая методика существенно повышает контролепригодность устройства и позволяет быстро локализовать неисправность и произвести ремонт на рабочем месте, хотя и не обеспечивает автоматический поиск неисправности.

Ввиду простоты реализации процедуры тестирования использование сигнатурного анализа оправдано при проектировании электронных средств с шинной архитектурой, таких, как микропроцессорные и запоминающие устройства. Тесты могут храниться в ПЗУ в качестве резидентных данных, либо на внешних носителях информации.

Рассмотрим возможность реализации непосредственно в электронном средстве автоматизированной процедуры сбора и анализа данных для того, чтобы наиболее полно использовалось самотестирование.

В простейшем случае это можно осуществить введением в электронное средство формирователей сигнатур на сдвиговых регистрах с линейной обратной связью. При этом следует определить требуемое число таких регистров и их положение в схеме.

Так, например, можно использовать только один сдвиговый регистр для любого из входов электронного средства (рис. 8.2). Тогда тестовый цикл должен состоять из следующих операций:

1) выбор режима функционирования;

2. подача в блок К следующего теста;

3. запись реакции в элементы памяти П;

4. выбор режима сканирования;

5. ввод данных в сдвиговый регистр с линейной обратной связью;

6. проверка окончания тестовых наборов (если есть ещё тестовые наборы, то вернуться к п.1);

7. по завершении – чтение с выхода «исправно»/«неисправно».

При использовании таких регистров для каждого выхода электронного средства (рис. 8.3) тестовый цикл будет таким же, как в первом случае, за исключением п.1.

Если использовать более сложный многоканальный сигнатурный анализатор (МСА) с параллельным вводом данных с различных контрольных точек (рис.8.4), то тестовый цикл должен состоять из следующих операций:

1. подача в блок К очередного теста;

2. запись реакции в элементы памяти П;

3. проверка окончания тестовых наборов (если есть еще тестовые наборы, то перейти к п.1);

4. по завершении – чтение с выхода «исправно»/«неисправно».

Разработка общих принципов построения схем самотестирования с использованием сигнатурного анализа позволила создать универсальный элемент, который может выполнять все функции генератора тестовых входных наборов и формирователя сигнатур, то есть реализовывать метод BILBO.

Элемент BILBO способен выполнять несколько различных функций в соответствии со значениями сигналов на двух входах, управляющих режимами работы. Общая схема 4-разрядного элемента BILBO показана на рис. 8.5. Он представляет собой многорежимный сдвиговый регистр с дополнительными возможностями использования линейной обратной связи.

Управление четырьмя режимами функционирования, которые показаны на рис. 8.6, осуществляется двумя управляющими входами C1 и C2.

Первый режим – начальной установки выполняется при C1 = 0, C2 = 1. В этом режиме на входе каждого D-триггера фиксируется 0 и, следовательно, каждый триггер может быть установлен в состояние 0.

Второй режим – нормального функционирования соответствует C1=1, C2=1. В этом случае все триггеры являются независимыми, и для каждого из них информация вводится отдельно по входам Z и считывается с выходов Q.

Третий режим – сканирования данных соответствует C1 = 0, C2 = 0. Необычной здесь является инверсия данных между разрядами сдвигового регистра, однако при сканировании данных это не вызывает каких-либо проблем.

Последний режим, соответствует управляющим входным сигналам C1 = 1, C2 = 0. В этом случае BILBO используется либо как генератор псевдослучайных последовательностей, либо как многоканальный сигнатурный анализатор. Псевдослучайные последовательности генерируются либо при условии, что начальные состояния триггеров (Q1, Q2, Q3, Q4) не все одновременно равны нулю, а на входы Z1, Z2, Z3, Z4 поданы нули, либо (что чаще встречается в работе BILBO при начальной установке) когда Q1 = Q2 = Q3 = Q4 = 0, Z1= Z2 = Z3 = 0, Z4 = 1. В качестве сигнатурного анализатора BILBO может работать в двух режимах: с последовательным и с параллельным вводом данных. При последовательном вводе считываемые данные подаются на вход Z1, при этом Z2 = Z3 = Z4 = 0. При параллельном вводе считываемые данные поступают на некоторые или на все входы Z одновременно. Пример использован ия элементов BILBO в самотестируемых электронных средствах показан на рис. 8.7.

Рис. 8.7. Метод сигнатурного тестирования с использованием

элементов BILBO

Блоки B1 и B2 представляют собой схемы BILBO, управляемые независимо своими собственными тактовыми импульсами CLK1 и CLK2 и от отдельных шин управления режимами работы C11, C21 и C12, C22. Аналогично разделены пути сканирования данных. В режиме нормального функционирования на обе пары управляющих входов подаётся логическая 1. В режиме тестирования используется метод сигнатурного тестирования.

При методе сигнатурного тестирования используются свойства сдвигового регистра с линейной обратной связью элемента BILBO и выполняются следующие операции:

1. блок B1 устанавливается в режим многоканального сигнатурного анализатора;

2. блок B2 – в режим генератора псевдослучайных последовательностей;

3. тестовые наборы подаются на вход ЭС1 с использованием выходных комбинаций блока B2 и, если необходимо, ПВх1;

4. в блоке B1 накапливается сигнатура реакции ЭС1;

5. по завершении процедуры блок B1 переводится в режим сканирования и стробируется последовательно выводимый результат (или обеспечивается параллельный вывод для сравнения с эталоном).

При проверке возможных неисправностей в ЭС2 в описанной процедуре следует изменить функциональное использование (поменять местами) блоков B1 и B2.