Лекція 7

План лекції:

• Поняття константної несправності;

• Діагностування цифрових пристроїв за методом одиничних константних несправностей

7. Методи діагностування цифрових пристроїв

7.1 Поняття константної несправності

Усі цифрові пристрої поділяють на дві великі групи:

• комбінаційні (часто вживають назву – комбінаційні цифрові схеми (КЦС));

• послідовнісні (їх ще називають цифрові автомати (ЦА) з пам’яттю).

Розглянуті у третьому розділі методи діагностування аналогових та аналого-цифрових електронних пристроїв будуть правомірними і для цифрових схем. В подальшому ми будемо розглядати тільки тестові методи, як найбільш ефективні.

Для тестування комбінаційних цифрових пристроїв досить задати набори тестових впливів у вигляді вхідних кодових комбінацій, яким повинні відповідати певні вихідні комбінації. Порядок подачі впливів у більшості випадків для КЦС ролі не грає.

Для тестування послідовнісних цифрових пристроїв важлива саме послідовність вхідних наборів. Іноді тест для ЦА з пам'яттю оформляється у виді множини незалежних сегментів. Під сегментом тесту розуміють послідовність наборів із запланованими контролюючими властивостями. Як правило, сегмент містить послідовності, що призначені для встановлення (настановна послідовність) і перевірки (діагностуюча послідовність) ЦА; настановна необхідна для переведення схеми з початкового (у загальному випадку довільного) стану в стан, що служить вихідним для виконання перевірки.

Технічний стан цифрового пристрою (ЦП), що підлягає визначенню шляхом тестового діагностування, зв'язують з наявністю або відсутністю в ЦП несправностей (дефектів). З множини фізичних несправностей, що можуть виникати в ЦП і складових його елементах, виділимо насамперед клас логічних несправностей. Маються на увазі несправності, що не виводять ЦП з класу пристроїв, які можуть бути описані системами логічних рівнянь (таблицями істинності, таблицями переходів і виходів). Несправності, що не відповідають цій умові (наприклад, вихід логічних рівнів елементів ЦП за межі полів допуску), виявляються методами параметричного контролю, при якому перевіряються електричні і часові параметри ЦП і (або) його елементів.

Таким чином, пошук логічних несправностей шляхом тестового контролю ЦП може здійснюватися як на робочих (граничних) частотах останнього (динамічний контроль), так і на порівняно невисоких частотах, доступних для програмної генерації тестів за допомогою спеціального устаткування. При необхідності, для здійснення динамічного контролю, застосовують буферну швидкодіючу пам'ять.

При розгляді задач тестового діагностування клас можливих логічних несправностей часто звужують, обмежуючи так званими константними несправностями. Константна несправність 1 ( 0) виражається в тому, що в деякій точці схеми ЦП постійно діє рівень логічної 1 (логічного 0). Багато несправностей, що виникають у реальних ЦП, можуть бути зведені до константних. Наприклад, обрив провідника, що підводить сигнал до входу елемента І-НІ транзисторно-транзисторної логіки, приведе до того, що на цьому вході постійно буде діяти рівень 1 (несправність 1).

При використанні функціональних моделей тригерів і інших послідовнісних вузлів константні несправності приписують також і внутрішнім змінним моделей, що виявляється в нерозрізненості деяких станів автомата.

Константні несправності охоче використовують для моделювання несправних схем тому, зокрема, що це поняття інваріантне щодо технологічної і схемотехнічної реалізації ЦП і з цієї причини є універсальним.

Існують, щоправда, несправності, що не зводяться до константних. До них відносяться, наприклад, короткі замикання між провідниками, у результаті яких можуть утворитися непередбачені псевдоелементи монтажної логіки. Помітимо, що замикання між входом і виходом комбінованої схем може перетворити її в послідовнісну. Несправності типу короткого замикання враховують рідше, ніж константні.

Далі, при складанні тестів задаються звичайно метою виявлення всіх одиночних константних несправностей (ОКН). Справа в тім, що необхідно мати міру якості тесту, що піддається кількісному визначенню шляхом, скажемо, моделювання несправного ЦП. Такою мірою служить ступінь повноти тесту щодо деякої множини несправностей, тобто відношення числа несправностей, що виявляються тестом, до загального їх числа ( виражається звичайно у відсотках).

При оцінюванні повноти тесту щодо множини ОКН у заданих n точках схеми (наприклад, на входах і виходах ЦП і складових його елементів) загальне число розглянутих технічних станів ОД буде складати 2ⁿ+1, при цьому перевірка повноти тесту ще можлива.

Якщо ж допустити, що константні несправності можуть бути кратними, тобто можуть виникати у всіх можливих сполученнях, то загальне число розглянутих технічних станів ОД зростає до . Перевірити тест для такого числа різних станів не представляється можливим уже при порівняно невеликих n.

Тести, що виявляють усі (або майже усі) ОКН, звичайно виявляють і багато кратних несправностей, але в загальному випадку повнота тесту щодо множини всіх ОКН ще не гарантує виявлення і всіх кратних несправностей.

7.2 Діагностування цифрових пристроїв за методом одиничних константних несправностей

У залежності від призначення розрізняють тести, що перевіряють ОД на наявність дефекту, і тести пошуку дефекту.

Тест, що перевіряє, призначений для визначення справності (працездатності) ОД. При його використанні технічними станами, що розрізняються, є справність і несправність (працездатність і непрацездатність). Усі технічні стани, що зв'язані з несправностями, поєднуються в один клас.

При необхідності визначити місце (і, можливо, вид і причину) несправності використовують тест пошуку дефекту, що дозволяє розрізняти технічні стани ОД, які відповідають різним несправностям. У цьому випадку повинна бути забезпечена однозначна взаємовідповідність між несправностями ОД і результатами процесу його тестування. Ця відповідність оформляється у вигляді так званого діагностичного словника.

Сформулюємо тепер чотири задачі, які часто необхідно розв'язувати при побудові тестів для ЦП і перевірці їхньої повноти.

Задача 1. Дано вектор Х (кандидат на включення в тест, що перевіряє). Визначити множину несправностей ЦП, що виявляються при подачі на його входи вектора Х. Має бути визначена множина несправностей, при яких вихідна реакція на вектор Х відрізняється від реакції справного ЦП.

Задача 2. Дано вектор Х (кандидат на включення в тест пошуку дефекту). Визначити множину пар несправностей ЦП, що розрізняються при подачі на його входи вектора Х. Повинна бути визначена множина усіх таких пар несправностей, при яких реакція ЦП на вектор Х не збігаються.

Задача 3. Задано конкретну несправність ЦП. Визначити множину вхідних векторів Х (кандидатів на включення в тест, що перевіряє), при подачі яких на входи ЦП ця несправність виявляється.

Задача 4. Задано пару конкретних несправностей в ЦП. Визначити множину вхідних векторів Х (кандидатів на включення в тест пошуку дефекту), при подачі яких на входи ЦП ці несправності розрізняються.

Задачі 1 і 2 вирішуються при перевірці повноти тестів або при побудові тестів методами випадкового пошуку; їх називають прямими задачами. Задачі 3 і 4 (обернені) вирішуються при спрямованій побудові тестів формальними або евристичними методами.

При розв’язанні сформульованих задач користуються поняттями керованості і бачності.

Розглянемо ЦП з n входами і r виходами (Рис. 7.1).

Множина виходів, з яких знімаються вихідні сигнали , не обов'язково збігається з множиною робочих виходів; додатково можуть використовуватися виходи від деяких внутрішніх контрольних точок, передбачених спеціально для діагностування. Іноді вводять також і спеціальні додаткові входи, що служать, наприклад, для логічного розриву ланцюгів зворотного зв'язку.

Виберемо деяку внутрішню точку ЦП, у якій діє сигнал Z і підозрюється поява ОКН

Рис.7.1 Приклад ЦП

Для забезпечення керованості необхідно мати можливість установити ЦП в такий стан, при якому сигнал Z є протилежний до С, тобто , тому що саме при такій умові несправність може проявитися.

Забезпечити бачність несправності - значить установити ЦП в такий стан, при якому ця несправність виявляється хоча б на одному з виходів ЦП:

(7.1)

Очевидно, що для розв’язування, наприклад, задачі 3 необхідно знайти такі вхідні вектори X, при подачі яких одночасно виконуються умови як керованості, так і бачності.

Підкреслимо, що можливість забезпечити керованість і бачність для всіх контрольованих точок схеми - властивість самого ЦП, його схеми, а не тесту і не тестового устаткування. Для оцінки цієї можливості користуються поняттям контролепридатності пристрою. ДСТ 19919-74 визначає контролепридатність як властивість виробу , що характеризує його пристосованість до проведення контролю заданими засобами.

Контролепридатність ЦП повинна забезпечуватися ще на етапі його проектування. По-перше, існує ряд схемотехнічних рекомендацій, виконання яких сприяє полегшенню задачі тестування. По-друге, останнім часом в автоматизованих системах підготовки діагностичного забезпечення передбачають можливість кількісної оцінки контролепридатності ЦП. Подібні оцінки можуть, наприклад, ґрунтуватися на підрахунку часткових показників складності забезпечення керованості і бачності для усіх вузлів схеми. Якщо виявлена низька здатність до контролю, то схему необхідно доробити, причому значення часткових показників підказують напрямок доробки. Розраховані значення часткових показників можуть використовуватися й у процедурі автоматичної генерації тестів для підвищення її ефективності.

Відзначимо, що якщо при тестуванні друкованих плат є доступними для спостереження виводи усіх установлених на них елементів (хоча доступ може бути й утруднений через захисні покриття і незручність підключення), то при перевірці інтегральних мікросхем, що можуть містити дуже складні ЦП, знімання сигналів є принципово можливим лише через зовнішні виводи. Це серйозно ускладнює задачу перевірки. Для забезпечення контролепридатності великих інтегральних схем (ВІС) йдуть на ускладнення її схеми, щоб передбачити можливість виводу інформації про стан внутрішніх точок на зовнішні контакти, або вбудовуючи засоби діагностування, наприклад, засновані на принципі сигнатурного аналізу, безпосередньо в ВІС.

З вище викладеного можна зробити висновок, що принцип побудови елементарних тестових перевірок ЦП за методом одиничних константних несправностей полягає в наступному.

Нехай у деякій точці схеми підозрюється ОКН На входи схеми треба подати такий набір, щоб:

- у підозрюваній точці при відсутності несправності діяв сигнал ;

- у випадку несправної схеми, коли в підозрюваній точці діє логічний рівень , ця зміна по ланцюжку елементів передавалася б на один з виходів ЦП (або на одну з контрольних точок).

Приклад. На рис.7.2,а показана логічна схема, що реалізує функцію, заданою картою Карно на рис.7.2,б.

Рис.7.2

Нехай на нижньому вході елемента 3 (точка Z1) підозрюється ОКН C . Для перевірки виконаємо наступне:

• подамо ;

• забезпечимо чутливість виходу y до підозрюваного ОКН, для чого подамо (при 0 блокувався б елемент 3) і (це забезпечить на виходах елементів 1 і 2 рівні, пасивні для елемента 4).

Таким чином, набір 110 (формат ) перевіряє зазначену несправність.

Контрольні запитання

1. У чому полягають відмінності тестування комбінаційних і послідовнісних схем.

2. Що розуміють під логічною несправністю.

3. Які несправності цифрових пристроїв виявляються методом параметричного контролю?

4. Сформулюйте прямі задачі, що виникають при побудові тестів перевірки ЦП.

5. Сформулюйте обернені задачі, що виникають при побудові тестів перевірки ЦП.

6. Дайте визначення одиничної константної несправності.

7. Дайте визначення кратної константної несправності.

8. Що розуміють під поняттям керованості при тестуванні ЦП?

9. Що розуміють під поняттям бачності при тестуванні ЦП?

Завдання на самостійну роботу

1. Дайте відповіді на контрольні запитання.

2. Для схеми, що на рис.7.2, знайти набір, що перевіряє підозрювану несправність ОКН C в точці Z2.