Лекція 9

План лекції:

• Моделювання цифрових схем;

• Система автоматизованого проектування MAX+PLUS II;

• Моделювання константних несправностей з використанням САПР MAX+PLUSII.

9. Методи тестування складних цифрових схем на основі їх моделювання

9.1 Моделювання цифрових схем

Невпинне ускладнення і ущільнення цифрових інтегральних схем вимагає пошуку нових методів їх діагностування. Розглянуті раніше методи в багатьох випадках є непридатними для тестування великих і надвеликих інтегральних схем (ВІС і НВІС) і схем на їх основі. Крім цього проблематичним є тестування таких схем на стадії їх проектування – адже макетування таких схем практично є неможливим через великі затрати ресурсів і часу. Вирішити вказані задачі дозволяє моделювання як самих схем так і методики тестування засобами обчислювальної техніки. Моделювання і машинне діагностування моделі дозволяють у майбутньому трансформувати алгоритм тестування на готові інтегральні схеми. Сучасні комп’ютерні системи автоматизованого проектування (САПР) цифрових схем здатні вирішувати наступні задачі:

1. Виконувати логічне моделювання цифрової схеми, мета якого полягає в перевірці правильності функціонування проектованої схеми без її фізичної реалізації. Моделювати за допомогою симулятора проходження сигналів у схемі з урахуванням часових затримок з прив’язкою до конкретної технології виготовлення схеми. Визначати реальні часові затримки сигналів за допомогою аналізатора часових затримок.

2. Моделювати несправності. Для цього потрібно створити модель цифрової схеми як об’єкту контролю, визначити метод виявлення несправностей і створити моделі несправностей. Вказані задачі легше вирішуються для комбінаційних цифрових схем. Послідовнісні схеми через наявність елементів пам’яті і зворотних зв’язків затрудняють вирішення цих задач.

3. Моделювати процес тестового діагностування. Класична стратегія тестування цифрових схем базується на формуванні тестових послідовностей, що дозволяють виявляти задані множини їх несправностей.

2. Система автоматизованого проектування MAX+PLUS II

   1. Загальна характеристика

Система автоматизованого проектування (САПР) цифрових схем на програмованих логічних інтегральних схемах (ПЛІС) MAX+PLUS II фірми Altera представляє собою сукупність програмних і апаратних засобів для проектування сучасних цифрових схем на основі ПЛІС. Використання ПЛІС для побудови цифрових схем суттєво зменшує цикл проектування у порівнянні зі спеціалізованими інтегральними схемами.

Використання ПЛІС для реалізації цифрових схем невпинно розширюється. На сьогоднішній день випускається широка номенклатура ПЛІС, які відзначаються різноманіттям функціональних блоків, високим ступенем інтеграції і високою швидкодією. Ступінь інтеграції різних ПЛІС коливається від сотень до мільйонів вентилів на один кристал. Швидкодія ПЛІС сягає одиниць ГГц. Функціональні блоки ПЛІС – це від тригера з логічною схемою до процесорних елементів. За способом програмування їх поділяють на:

• схеми з одноразовим програмуванням – це, як правило, нескладні схеми з числом вентилів до тисячі;

• схеми з багатократним перепрограмуванням з вбудованим перепрограмовуваним постійним запам’ятовуючим пристроєм – це схеми середнього ступеня інтеграції з числом вентилів до 10⁵;

• схеми з багатократним перепрограмуванням з вбудованим оперативним запам’ятовуючим пристроєм – це схеми високого ступеня інтеграції з числом вентилів ≥10⁵.

Більшість сучасних ПЛІС має вбудовані блоки оперативних запам’ятовуючих пристроїв, що суттєво розширює їх застосування.

Світовими лідерами у випуску ПЛІС та засобів для проектування схем на їх основі є фірми Altera і Xilinx.

2. Редактори і інші прикладення MAX+PLUS II

САПР MAX+PLUS II включає наступні редактори:

• графічний – дозволяє створювати проект схеми в форматі реального відображення схеми електричної принципової на екрані монітора. При цьому застосовуються примітивні логічні елементи, макроелементи і мегафункції, що розроблені фірмою Altera і суміжними розробниками. Є можливість створення власних бібліотечних елементів;

• символьний – дозволяє редагувати існуючі бібліотеки символів і створювати нові;

• текстовий – дозволяє створювати і редагувати текстові файли проекту, що написані з використанням мов опису апаратури, таких як - AHDL, VHDL і Verilog HDL. Крім цього, в даному редакторі можна створювати, переглядати і редагувати інші файли формату ASCII, що використовуються іншими застосуваннями САПР MAX+PLUS II. Файли на мовах HDL можна створювати і в інших текстових редакторах, проте редактор системи MAX+PLUS II дає переваги у вигляді контекстної довідки, забезпечує виділення кольором синтаксичних конструкцій і готових шаблонів мов AHDL, VHDL і Verilog HDL;

• сигнальний – виконує двояку функцію – є інструментом для проектування і інструментом для введення тестових сигналів та відображення результатів тестування.

Крім вказаних редакторів САПР MAX+PLUS II включає інші, не менш важливі прикладення, а саме:

• огляд ієрархії – відображує текучу ієрархічну структуру файлів у вигляді дерева з відгалуженнями, що представляють собою під проекти. Можна візуально визначити, чи файл проекту є графічним, текстовим чи сигнальним; які файли відкриті в даний момент; які допоміжні файли у проекті доступні користувачу для редагування. Можна також безпосередньо відкрити чи закрити один або декілька файлів дерева і ввести призначення ресурсів для них;

• порівневий планувальник – дозволяє графічними засобами вводити призначення виводам пристрою і ресурсів логічних елементів і блоків. Можна редагувати розташування виводів на кресленні корпусу пристрою і позначати сигнали окремим логічним елементам на більш детальній схемі логічної структури (LAB view). Можна також переглядати результати останнього компілювання;

• компілятор – обробляє логічні проекти, що розроблені для сімейства ПЛІС фірми Altera;

• симулятор – дозволяє тестувати логічні операції і внутрішню синхронізацію логічної схеми, що проектується. Можливі три режими тестування – функціональне, часове і тестування декількох сполучених між собою пристроїв;

• аналізатор часових параметрів – аналізує роботу логічної схеми, що проектується, після того як вона була синтезована і оптимізована компілятором. Дозволяє провести оцінку числових значень затримок,що виникають у схемі при її реалізації на вибраній ПЛІС;

• програматор – дозволяє програмувати, конфігурувати, проводити верифікацію і випробування зпроектованих пристроїв;

• генератор повідомлень – видає на екран монітора повідомлення про помилки, попередження і інформаційні повідомлення про стан проекту користувача і дозволяє в автоматичному режимі виявити джерело, що є причиною повідомлень, у вихідному чи допоміжному файлі (файлах) і в порівневому плані призначень.

3. Процес розроблення проекту в середовищі MAX+PLUS II

Суть процесу проектування полягає в створенні проекту засобами САПР, яке передбачає:

• проектування схеми в графічному режимі з використанням графічного редактора або на програмному рівні з використанням текстового редактора і мов логічного проектування, таких як - AHDL, VHDL і Verilog HDL;

• моделювання і оптимізацію схеми на логічному рівні компілятором системи з метою виявлення логічних помилок;

• тестування роботи схеми на сигнальному рівні з використанням симулятора САПР;

• аналіз часових характеристик з використанням аналізатора часових параметрів САПР;

• аналіз розміщення проекту в корпусі вибраного конкретного типу ПЛІС і, за потребою, редагування з використанням порівневого планувальника;

перенесення проекту безпосередньо в ПЛІС за допомогою програма тора і тестування роботи пристрою на апаратному рівні.

Зауважимо, що більш детальний опис бібліотек САПР MAX+PLUS II і порядок роботи в її середовищі викладено в методичних вказівках до виконання лабораторних та практичних робіт з використанням даної САПР.

9.3 Моделювання константних несправностей з використанням САПР MAX+PLUSII

Р озглянемо схему, що представлена на рис.9.1.

Рис.9.1 Схема для тестування

Для моделювання одиничної константної несправності ОКН у заданій точці схеми (для однієї з точок, що показані цифрами 1…12 на схемі рис.1), необхідно у задану точку схеми подати сигнал Z=C , від’єднавши її від інших вузлів схеми, як це показано для т.7 схеми на рис.1.

Нагадаємо, що для забезпечення керованості процесу діагностування, необхідно забезпечити можливість зміни сигналу у точці, що аналізується на протилежне значення до константної несправності, тобто . Для забезпечення бачності несправності необхідно забезпечити транспортування несправності від точки, де вона виникла чи аналізується, до виходу (одного з виходів) схеми.

У нашому прикладі т.7 схеми сполучена з точкою 5, яка є виходом логічного елемента 2І-НЕ. Подаючи на входи схеми (точки 1, 2) логічну комбінацію 1 1, ми забезпечимо у т.5 значення лог.0, подаючи любу іншу можливу комбінацію, наприклад 1 0, ми забезпечимо у т.5 значення лог.1, таким чином процес діагностування схеми у т.7 є керованим.

Для забезпечення транспортування несправності з т.7 схеми на її вихід необхідно забезпечити значення лог.1 для точок 6 і 11 схеми, що також забезпечується при комбінаціях на входах 1 1 і 1 0 на входах 1 і 2 схеми.

Для того, щоб скористатися засобами САПР MAX+PLUS II для моделювання ОКН, необхідно для кожної з заданих точок створити свій проект під власним іменем, в якому розірвати зв'язок цієї точки з іншими вузлами схеми, сполучити задану точку з вхідною клемою схеми, а вузол, з яким сполучалася задана точка, сполучити з вихідною клемою схеми. Скомпілювати проект. За допомогою сигнального редактора сформувати тестові послідовності як для входів схеми так і для входу, сполученого з точкою, в яку подаємо константну несправність. Сигнал константної несправності формуємо таким чином, щоб спочатку отримати одне значення Z, наприклад Z=0, для всіх наборів вхідних сигналів X₀, X₁, а потім інше – Z=1 також для всіх наборів вхідних сигналів X₀, X₁. В результаті аналізу вихідного сигналу схеми ми отримаємо значення функцій ОКН для заданої точки. Аналізуючи сигнал на виході вузла, з яким сполучалася контрольована точка (у нашому прикладі – це т.5 схеми), ми робимо висновок про керованість процесу тестування.

У табл..9.1 показані:

- вихідна функція при правильному функціонуванні схеми на рис.9.1 – Y;

- вихідна функція для ОКН ≡0 – Y₇₀;

- вихідна функція для ОКН ≡1 – Y₇₁;

- значення функції для т.5 схеми – Y₅;

- елементи бульової матриці – М₀, М₁.

Таблиця 9.1

№ точки			7		Y5
ОКН ≡			0	1
X1 (т.2)	X0 (т.1)	Y	Y70	Y71
0	0	0	0	0	1	0	0
0	1	1	0	1	1	1	0
1	0	1	1	1	1	0	0
1	1	0	0	1	0	0	1

Аналізуючи дані табл..9.1, неважко переконатися, що:

• процес тестування є керованим (сигнал у т.5 змінюється – див. Y₅);

• для виявлення константних несправностей у т.7 достатньо використати два тестових впливи Х₁, Х₀ – відповідно 0 1 і 1 1, для яких у рядках бульової матриці є одиниці.

Бульову матрицю також можна згенерувати засобами САПР MAX+PLUSII в процесі моделювання несправностей. Для цього необхідно створити символьний елемент справної схеми, що досліджується, за допомогою символьного редактора, включити створений символ у проект, сполучити входи створеного компонента з відповідними входами схеми , а його вихід подати на один з входів логічного елемента «Виключаючи АБО» (М2), на другий вхід якого подати вихідний сигнал схеми, що тестується. Вихід логічного елемента М2 сполучити з вихідною клемою схеми. Таким чином ми можемо контролювати сигнал на цьому виході за допомогою симулятора.

Схема для моделювання константних несправностей і формування сигналу для отримання бульової матриці представлена на рис.9.2.

Рис.9.2 Схема для моделювання константних несправностей і формування сигналу для отримання бульової матриці

Контрольні запитання

1. Які задачі моделювання вирішує САПР цифрових схем з метою їх тестування?

3. Дайте коротку характеристику САПР MAX+PLUSII.

4. Перерахуйте редактори і прикладення САПР MAX+PLUSII.

5. Яке призначення графічного редактора?

6. Яке призначення текстового редактора?

7. Яке призначення сигнального редактора?

8. Яке призначення компілятора?

9. Яке призначення порівневого планувальника?

10. Яке призначення програматора?

11. Які є варіанти створення проекту в САПР MAX+PLUSII і які редактори при цьому використовуються?

12. Опишіть порядок створення проекту в середовищі MAX+PLUSII.

13. Опишіть порядок тестування проекту з використанням сигнального редактора.

Завдання на самостійну роботу

1. Дайте відповіді на контрольні запитання.

2. Створіть проект і змоделюйте константні несправності для схеми на рис.9.1, використовуючи схему за рис.9.2.