Учебное пособие 1484

72

1.Перечислите основные этапы изготовления средств вычислительной техники.

2.Какие уровни тестирования средств вычислительной техники Вы

знаете?

3.Какие виды испытаний цифровых устройств Вы знаете и каково их основное назначение?

4.Каковы особенности описания схемы электронного устройства на функциональном уровне?

5.В чем суть алгоритмического уровеня описания дискретных уст-

ройств?

6.В чем суть методов генерации тестовых последовательностей (детерминированных, исчерпывающих, вероятностных) и каковы их особенности?

7.Компактное тестирование.

8.Назовите основные виды неисправностей электронных устройств

всоответствии с уровнем описания их схемы.

9.Каковы преимущества каждого из уровней описания схем электронных устройств?

10.От чего зависит трудоемкость тестирования средств вычислительной техники?

73

6.ПРИБОРЫ ДИАГНОСТИКИ СВТ И РЭА

6.1.Простейшие контрольно-испытательные приборы

Контроль аппаратуры СВТ начинается с проверки работы источников питания и схем синхронизации. Эти проверки не отличаются от контроля других электронных схем и выполняются с помощью контрольно-измерительной аппаратуры: осциллографа, вольтметра, частотомера. Затем, убедившись в нормальной работе этих устройств, переходят к логическому анализу в том или ином его виде. Цель анализа - наиболее точно локализовать неисправность. И, наконец, переделив цепь, в которой происходит искажение логических последовательностей, как правило, возвращаются к измерениям аналоговых параметров сигналов в этой цепи, чтобы точно установить характер неисправности и отказавший элемент схемы.

Обычные контрольно-измерительные приборы, которые применяются для решения общих задач диагностики электронного оборудования, играют ограниченную роль при поиске неисправностей в системах с шинной структурой. Параллельное представление информации на многих линиях одновременно и высокая скорость изменения информации приводят к тому, что обычные приборы не являются эффективными для решении задач диагностики средств вычислительной техники. Стремительное развитие микропроцессорных систем поставило вопрос о разработке специальной контрольноизмерительной аппаратуры, ориентированной на такие системы. Наиболее распространенными из них являются тестеры логического состояния, стимулирующие генераторы логических сигналов и бесконтактные индикаторы импульсных токов. Эти приборы, особенно эффективны при совместном применении, дают возможность выявлять целый ряд неисправностей в цифровых схемах./5,17-19/.

Тестеры логического состояния представляют собой сравнительно простые и дешевые приборы, позволяющие определять логическое состояние сигнала в контролируемой точке.

В простейших случаях с помощью тестера можно определить, принадлежит ли уровень контролируемого сигнала к зоне нулевого, единичного или промежуточного (неопределенного) состояния. В более сложных приборах имеется возможность индикации изменения уровня сигнала, выявления одиночных импульсов и даже определения преимущественного состояния непрерывно меняющегося сигнала. Тестеры логического состояния могут выпускаться в одноконтактном (логический зонд) или многоконтактном (логическая клипса) исполнении.

Логический зонд исполняется в малогабаритном корпусе, позволяющем держать его в руке. Прибор снабжен контактным наконечником (штырем), которым оператор касается контролируемой точки. Для подключения к источнику питания имеется гибкий шнур. Индикатор и органы управления расположены непосредственно на корпусе зонда. Индикатор состояния сигнала по-

74

гашен при индикации нулевого, ярко светится при индикации единичного и светится с половинной яркостью при индикации промежуточного состояния. При изменении состояния сигнала индикатор мигает. Кроме того, на корпусе зонда имеется переключатель уровня логического сигнала ТТЛ-МОП и индикатор одиночных импульсов с кнопкой сброса.

Логическая клипса выполняется в виде контактного зажима, который закрепляется на корпусе микросхемы с двухрядными штыревыми выводами. На верхней панели прибора расположены светодиодные индикаторы, отражающие логическое состояние соответствующих выводов микросхемы.

Стимулирующие генераторы предназначены для формирования в цепях цифровых устройств импульсных сигналов, амплитуда и длительность которых обеспечивают срабатывание используемых в контролируемом устройстве микросхем.

Применяются стимулирующие генераторы в комплекте с логическими зондами и бесконтактными индикаторами импульсных токов. Генератор может вырабатывать одиночные импульсы, последовательности импульсов частотой 100, 10 и 1 Гц и пачки по 100 и 10 импульсов с частотой пачек 0,5 и 1 Гц соответственно.

Бесконтактные индикаторы импульсных токов предназначены для контроля токов в защищенных изоляционными покрытиями проводниках печатных плат. Контроль токов осуществляется без разрыва токопроводящего проводника и разрушения защитных покрытий. Прибор эффективно применяется в комплекте со стимулирующими генераторами для поиска коротких замыканий, разрывов цепи, неисправностей в схемах «монтажной» логики и в шинах с тремя состояниями.

На корпусе индикатора имеется регулятор чувствительности, позволяющий настраивать прибор перед каждым конкретным измерением на импульсы с заданными характеристиками.

Для облегчения контроля микроЭВМ на этапах производственного контроля и эксплуатации принимается ряд специальных мер, связанных с облегчением подключения контрольно-испытательной аппаратуры. Предусмотрено выведение важнейших цепей МПС на краевой разъем платы устройства. Для МПС, основанных на однокристальном микропроцессоре, - это шины данных, адреса и управления, а также другие цепи, связанные с кристаллом МП. Для МПС на базе микропроцессорных секций - это шины микропрограммного адреса и микрокоманды, цепи синхронизации. Если вывести эти сигналы на разъем платы невозможно, то предусмотрен дополнительный разъем или другие средства подключения внешней аппаратуры к этим цепям.

Весьма полезным приемом является установка микросхем на плату с помощью специальных разъемов - сокетов. Сокеты предназначены для установки БИС со штыревыми выводами и могут иметь от 8 до 64 контактов. Интегральные микросхемы многократнопрограммируемых ПЗУ имеет смысл устанавливать только на сокеты /1,14/.

Установка на сокеты дорогостоящих БИС позволяет определить неисправность БИС методом замены на заведомо годную, исключая повреждения

75

исправной микросхемы при выпаивании из платы при ошибочной диагностике. Кроме того, установка на сокете центральной процессорной БИС позволяет оперативно подключать вместо нее кабели от контрольно-измерительной аппаратуры - источников тестовых воздействий или внутрисхемных эмуляторов.

Установка на сокетах БИС ПЗУ позволяет заменять эти схемы и, таким образом, программу работы МПС, а кроме того облегчает подключение имитаторов ПЗУ на этапе отладки.

Интерфейсные схемы устанавливаются на сокеты для упрощения замены этих схем, так как вероятность их повреждения при неправильном подключении внешних устройств велика.

Существует также ряд полезных схемотехнических приемов, упрощающих отладку МПС. Так, например, целесообразно предусмотреть возможность принудительного отключения устройств от общей шины с помощью внешних сигналов. Это позволяет выдавать на шину тестовые воздействия от внешней аппаратуры и упрощает поиск неисправного устройства среди устройств, подключенных к шине.

Весьма облегчает отладку МПС введение в синхронизатор дополнительной аппаратуры, дающей возможность подавать тактовые сигналы от внешнего генератора или останавливать выдачу тактовых импульсов с помощью внешнего сигнала.

При контроле функционирования СВТ методом сравнения с заведомо годной встает задача синхронизации эталона и испытываемой системы. Эту задачу можно решить, синхронизируя обе системы от одного внешнего генератора. Если это невозможно, то можно тактовые генераторы обеих систем заставить работать синхронно, соединив одноименные полюсы кварцевых резонаторов. Для этого на плате должны быть предусмотрены специальные гнезда или штыри.

6.2. Логические анализаторы

Усложнение цифровых устройств, повышение разрядности данных и быстродействия, широкое распространение принципов программного управления привели к серьезным затруднениям при отладке этих устройств с помощью традиционной аппаратуры: генераторов сигналов, осциллографов, вольтметров. Особенно остро эта проблема встала при появлении МПС. Сформулируем требования к приборам для контроля и отладки микропроцессорных систем:

регистрация последовательностей логических состояний одновременно и синхронно во многих точках системы и на протяжении значительного временного интервала;

регистрация этих последовательностей состояний в связи с редкими и однократными событиями (появление заданных комбинаций логических со-

76

стояний в контролируемых точках схемы или появление заданной последовательности таких комбинаций);

регистрация состояния контрольных точек в некотором интервале времени, предшествующем выбранному оператором событию;

оперативное представление результатов измерений в различных форматах, удобных для оператора.

Техническими предпосылками, позволившими создать приборы, отвечающие изложенным требованиям, явились широкое применение стандартных цифровых интегральных микросхем и появление быстродействующих БИС запоминающих устройств большой емкости. Первое позволило не интересоваться истинной формой и амплитудой сигналов в исследуемой схеме, а контролировать лишь принадлежность сигнала к уровню логического 0 или 1, а наличие быстродействующих ЗУ позволило регистрировать измеренные логические значения с высокой тактовой частотой.

Таким образом, логические анализаторы (ЛА) стали приборами, предназначенными для измерений потоков двоичных данных, подобно тому, как осциллограф предназначен для измерения периодических электрических сигналов.

Упрощенная функциональная схема ЛА представлена на рис.6.1. ЛА состоит из четырех основных блоков: блока управления, блока регистрации, блока индикации и блока входных усилителей-компараторов. ЛА во время работы может находиться в трех основных режимах - настройки, регистрации и индикации. В режиме настройки оператор согласно плану измерений подключает щупы прибора к выбранным точкам контролируемой схемы и с помощью органов управления устанавливает выбранный режим регистрации.

В режиме регистрации ЛА через входные усилители-компараторы принимает с заданной частотой последовательности состояний контрольных точек в ЗУ блока регистрации. В функции входных усилителей-компараторов входит, помимо квантования воспринимаемых сигналов по логическим уровням, электрическая развязка контролируемых цепей и входных цепей прибора. Это позволяет пренебрегать действием зонда на электрические сигналы в контролируемой цепи. Пороговый уровень входных компараторов устанавливается в зависимости от элементной базы контролируемых схем.

Разрядность, емкость и быстродействие ЗУ блока регистрации определяют главные технические характеристики ЛА — число информационных каналов, длину последовательности логических состояний и максимальную тактовую частоту. Тактовые сигналы записи в ЗУ могут вырабатываться внутренним генератором ЛА или поступать от контролируемой схемы. Эти режимы называются асинхронной и синхронной регистрацией соответственно. При синхронной регистрации тактовый сигнал может стробироваться другими внешними сигналами или их логической комбинацией. Эти сигналы носят название квалификаторов тактов. В случае заполнения данными всей емкости ЗУ запись продолжается циклически с нулевого адреса, а наиболее "старые" данные теряются. Таким образом, в ЗУ блока регистрации в каждый момент времени содержится N последних принятых слов, где N — емкость ЗУ.

Режим регистрации продолжается до появления заданного оператором события, вызывающего запуск режима индикации. В качестве такого события могут выступать: внешний сигнал, комбинация логических состояний на информационных входах, комбинация логических состояний на информационных и дополнительных входах, называемых квалификатором запуска, или заданная последовательность таких комбинаций.

При появлении сигнала запуска индикации ЛА прекращает регистрацию данных в разные моменты в зависимости от выбранного оператором положения данных относительно запуска. Это положение определяется следующими режимами (рис. 6.2 ) :

данные предшествуют моменту запуска; данные симметричны относительно момента запуска; данные следуют за моментом запуска;

данные следуют за моментом запуска с заданной задержкой.

78

В первом режиме регистрация прекращается через несколько тактов после появления условия запуска. При этом в ЗУ сохраняется последовательность слов логических состояний, предшествующих выбранному событию, слово, соответствующее самому моменту появления события, и несколько слов после этого момента. Длительность предшествующего запуску временного интервала (состояние, которое можно наблюдать в режиме индикации) весьма близка к N тактам, где N — емкость ЗУ блока регистрации.

Такты регистрации

Слово регистрации

N

Данные предшествуют моменту запуска

Данные симметричны к

моменту запуска

N

Данные следуют за моментом запуска

Рис. 6.2. Положение данных по отношению к моменту запуска

Во втором режиме регистрация прекращается через N/2 тактов записи после запуска. При этом в ЗУ сохраняется N/2 слов состояния, предшествующих запуску, и N/2 слов, следующих за ним.

Втретьем режиме регистрация прекращается через число тактов, весьма близкое к N после запуска. При этом в ЗУ сохраняется несколько слов, предшествующих самому моменту запуска, и близкое к N число слов после запуска.

Вчетвертом режиме запуск происходит с заданной задержкой, превышающей N тактов, после появления указанного события.

Возможность задавать различные условия запуска является важной технической характеристикой ЛА. В режиме индикации собранная информация выводится на индикатор в выбранном оператором формате. Поскольку ЛА обладает памятью, режим индикации не зависит от условий регистрации. Индикация может длиться сколь угодно долго, при этом оператор может менять режимы индикации и форму представления информации, выводить измеренные последовательности с разной степенью детализации, сравнивать результаты измерений с эталонными и т.п.

Врежиме асинхронной регистрации для анализа временных соотношений между фронтами логических сигналов регистрируемого процесса частота тактов записи должна превосходить максимальную регистрируемую частоту по меньшей мере на порядок. Погрешность в определении положения фронта импульса при асинхронной регистрации составляет период тактовых импуль-

79

сов записи. При синхронном анализе анализатор воспринимает только установившееся значение логических сигналов в контрольных точках, не давая никакой информации о временных соотношениях между сигналами внутри тактового интервала исследуемой схемы. Поэтому результаты синхронного анализа, как правило, удобнее анализировать в табличной форме, в то время как результаты асинхронного анализа — в виде временных логических диаграмм.

По признаку максимального быстродействия ЗУ регистрации ЛА делятся на два класса: анализаторы временных логических последовательностей (АВЛП) и анализаторы логических состояний (АЛС). Частота регистрации АВЛП превышает 50 МГц, что на порядок больше тактовой частоты большинства современных МПС. Среди возможных режимов индикации АВЛП имеется режим отображения логических временных диаграмм. Кроме того, АВЛП могут работать в синхронном режиме и представлять результаты измерений в виде таблиц, что позволяет использовать их в качестве АЛС. Анализаторы логических состояний имеют максимальную частоту регенерации в пределах от 2 до 20 МГц, что позволяет применять их для синхронного анализа большинства существующих МПС. Преобладающий режим индикации — таблицы логических состояний. Анализаторы логических состояний ориентированы в первую очередь на отладку программного обеспечения. При отладке аппаратуры они могут помочь в отыскании только наиболее простых логических неисправностей: обрывов связей, коротких замыканий "на нуль" или "на единицу", межразрядных замыканий в шинах. Анализаторы логических состояний имеют меньшую емкость ЗУ, чем АВЛП, это более дешевые и компактные приборы.

Анализаторы временных логических последовательностей представляют собой более дорогие и универсальные приборы, позволяющие обнаружить сложные неисправности, аналоговые по своей природе, — сбои аппаратуры, вызванные перекрестными помехами, ошибками синхронизации, шумами и т.п.

У большинства современных АВЛП существует режим поиска кратковременных импульсных помех, длительность которых меньше минимального тактового интервала записи. Этот режим реализуется специальными схемами- "ловушками", которые обнаруживают неоднократные изменения логического уровня сигнала внутри тактового интервала и воспроизводят импульс помехи в следующем такте. Указанный режим позволяет обнаруживать причины сбоев, вызванных такими помехами.

В режиме синхронной регистрации часто используется стробирование тактов записи с помощью комбинаций логических состояний информационных сигналов (ассоциативная регистрация) или дополнительных внешних сигналов-квалификаторов (условная регистрация).

Так, с помощью ассоциативной регистрации можно регистрировать состояние шины данных только при наличии конкретного адреса на шине адреса и, таким образом, проконтролировать все обращения к конкретной ячейке ЗУ. Примером использования условной регистрации с помощью сигналов-

80

квалификаторов такта записи является разделение информации, передаваемой различными устройствами по шине с тремя состояниями.

Простейшим видом запуска, используемым практически во всех ЛА, является запуск по комбинации логических состояний входных информационных сигналов (кодовому слову). В качестве примеров применения такого вида запуска можно назвать: запуск по заданному адресу команды, запуск по заданному слову данных, запуск по появлению заданного слова данных при конкретном адресе команды и т.п. Для расширения логических возможностей анализатора применяются специальные сигналы — квалификаторы запуска. Эти сигналы участвуют в формировании условия запуска, но в ЗУ анализатора не фиксируются. Такой вид запуска, который зависит только от текущего значения входных сигналов, называется комбинационным запуском. Сигнал комбинационного запуска вырабатывается специальным устройством — распознавателем слов (комбинаций). Распознаватели слов снабжаются регулируемыми схемами защиты от ложных срабатываний при переходных процессах в контролируемой схеме.

Данные, предшествующие запуску, можно зафиксировать только на протяжении временного интервала, ограниченного емкостью запоминающего устройства ЛА. Зато данные после запуска можно регистрировать с той же частотой в течение длительного интервала времени, задерживая прекращение режима регистрации. Этот режим называется режимом задержки запуска. Он позволяет, не меняя условий запуска, анализировать по частям весьма длительные процессы в цифровых устройствах. Для этого нужно только увеличить длительность задержки от одного цикла регистрации до другого.

Значительно более сложным видом запуска является запуск по последовательности кодовых слов. В этом случае запуск происходит при появлении последнего кодового слова, если все заданные кодовые слова встретились в заданном порядке. При этом можно указать, подряд ли должны следовать кодовые слова или между ними могут встречаться любые другие. Такой режим запуска очень полезен при исследовании сложных программ.

Наиболее сложным видом запуска, реализованным в существующих ЛА, является запуск по несовпадению данных с эталонной таблицей. Этот режим позволяет обнаружить перемещающиеся сбои. Сначала с помощью более простых режимов запуска оператор выбирает область, в которой, по его представлению, происходит сбой. Анализатор регистрирует из этой области данные, если они соответствуют нормальной работе контролируемой МПС, записывает их в эталонное ЗУ.

Затем процесс регистрации повторяется многократно при тех же условиях, и каждый раз после регистрации происходит сравнение массивов данных основного и эталонного ЗУ. При несовпадении данных ЛА переходит в режим индикации.

Подавляющее большинство современных ЛА имеет индикатор на ЭЛТ с возможностями представления алфавитно-цифровой информации.

Основные характеристики отечественных ЛА приведены в таблице.