___МЕТОДИЧКИ_2013 / Пособие по ОСМПС (pdf) / 7_Логический анализ

7. ЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

7.1. ПРИНЦИПЫ ЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Один из подходов к поиску неисправностей устройств с программным управлением состоит в контроле текущей информации на системных шинах в процессе выполнения известных документированных программ. Информация, имеющая место на шинах, на каждом шаге работы системы сравнивается с данными, взятыми из листинга программы, что позволяет выяснить, правильно ли система выполняет программу. Эта процедура называется трассировкой программы.

Для наблюдения информации на шинах могут быть использованы разные приборы, но наиболее удобными являются логические анализаторы. Логический анализатор обычно имеет 8, 16 или 32 входных канала, с помощью которых можно записать поведение во времени любого из сигналов, имеющих место в микропроцессорной системе, например:

-на шине данных;

-на адресной шине;

-на шине управляющих сигналов;

-в портах ввода-вывода.

В отличие от осциллографа с электронно-лучевой трубкой логический анализатор не отслеживает входные сигналы непрерывно, а воспринимает их значения в момент получения активного фронта тактового сигнала (рис. 7.1). Фиксируемая при этом информация не выводится сразу же на экран, а заносится в собственную память анализатора, откуда она может быть извлечена и рассмотрена на досуге.

Рис. 7.1. Прием информации логическим анализатором при поступлении активных фронтов тактовых сигналов

В большинстве анализаторов предусмотрена возможность выбора режима индикации наблюдаемых данных. На рис. 7.2 показаны три наиболее широко применяемых способа их представления. Способ, иллюстрируемый рис. 7.2, а выводит данные в виде временных диаграмм. На рис. 7.2, б информация дана в виде таблицы состояний, данные которой могут быть представлены в шестнадцатеричной, восьмеричной или двоичной системе счисления. Некоторые анализаторы снабжаются программами - дизас-

семблерами, ориентированными на один или несколько типов микропроцессоров. С помощью дисассемблера информация, взятая с шин адресов и данных, может быть представлена в мнемонической форме на языке Ассемблера, как показано на рис. 7.2, в.

Рис. 7.2. Различные формы представления информации в логических анализаторах. а - в виде временных диаграмм; б - в двоичной форме; в - в мнемонической форме

Выпускаемые промышленностью анализаторы бывают двух видов:

-анализаторы временных диаграмм;

-анализаторы доменов данных или логических состояний.

Ванализаторе временных диаграмм вырабатываются собственные сигналы записи, формируемые от внутреннего генератора, рабочая частота которого выше, чем частота сигналов исследуемой микропроцессорной системы. Так как запись данных в анализатор происходит только по активным фронтам ТИ, любые изменения значений сигналов фиксируются только при поступлении очередного такого фронта.

Таким образом, максимальное время, в течение которого изменение входного сигнала может оставаться незамеченным (это явление называется ошибкой квантования по времени), составляет один период тактирования. Чтобы эта ошибка уменьшалась, частота взятия значений информации должна в несколько раз превышать частоту исследуемых сигналов. Это достигается за счет использования тактовых генераторов, рабочие частоты которых достигают величин порядка 200 МГц, что на порядок больше тактовой частоты большинства современных МПС.

Среди возможных режимов индикации анализаторов временных диаграмм имеется режим отображения логических временных диаграмм. Кроме того, они могут работать в синхронном режиме и представлять результаты измерений в виде таблиц, что позволяет использовать их в качестве анализаторов состояний.

Ванализаторах логических состояний используется другой принцип отбора данных. Вместо того чтобы брать данные по сигналам внутреннего генератора, их ввод в

анализатор осуществляется по тактовым сигналам, получаемым из исследуемой системы.

Анализаторы 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 состояний имеют меньшую емкость ЗУ, чем анализаторы временных диаграмм, это более дешевые и компактные приборы.

Анализаторы временных диаграмм 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 анализаторов временных диаграмм 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. Этот режим позволяет обнаруживать причины сбоев, вызванных такими помехами.

В качестве примера на рис. 7.3 приведен внешний вид настольного логического анализатора (benchtop logic analyser) фирмы Hewlett-Packard. Он предназначен для ре-

шения комплексных задач программно-аппаратной отладки микропроцессорных систем. Сочетает в себе все необходимые возможности для решения конкретной задачи. Прибор может включать различные опции, например, аналоговый вход, большой объем памяти, осциллограф, генератор логических состояний.

Рис. 7.3. Настольный логический анализатор Hew/eff-Packard

7.2. ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ЛОГИЧЕСКИХ АНАЛИЗАТОРОВ

7.2.1. Устройство логического анализатора

На рис. 7.4 показан типичный вид лицевой панели простого 16-канального анализатора состояний.

Рис. 7.4. Логический анализатор состояний

Для определения значений сигналов ЛА используют компараторы, с помощью которых выясняется, выше или ниже входной сигнал заданного порогового уровня. Если сигнал превышает порог, его уровень определяется как высокий, если ниже порога, то низкий (рис. 7.5). Пороговое напряжение компараторов, как правило, может регулироваться (в основном от -10 до +10 В).

Рис. 7.5. Вид сигналов на входе (а) и выходе(6) компаратора

Подключение ЛА требует доступа к участкам цифрового устройства (например,

выводам микросхем или трассам платы). Анализаторы снабжаются специальными щупами и зажимами. Основное требование - минимизация влияния прибора на испытуемое устройство. ЛА должны обладать высоким входным сопротивлением (примерно 1 МОм) и малой входной емкостью (порядка 10 - 25 пФ). Для обеспечения этих требований компараторы логических уровней делаются выносными.

Анализатор соединяется с проверяемой системой посредством кабеля, проводники которого оканчиваются либо отдельными контактными щупами, либо тестовыми зажимами корпуса ИС. Наряду с 16 входами данных предусмотрены соединения для синхросигналов, «земли» и других управляющих сигналов, называемых квалификаторами (их назначение будет пояснено ниже).

Внутри анализатора имеется быстродействующее ОЗУ, служащее для запоминания значений сигналов. В 16-канальном анализаторе эта память организована в виде 16разрядных слов, количество которых составляет обычно 4096 или больше слов, что позволяет хранить информацию о 4096 циклах синхронизации. Память выполняет две функции: первая - запись данных, когда прибор работает в режиме приема данных, вторая - воспроизведение зарегистрированных данных на дисплее анализатора.

Для повышения гибкости и предоставления пользователю возможности наблюдать выполнение конкретных участков программ, а также просматривать определенные последовательности данных анализатор содержит схемы запуска, т. е. идентификации событий, при появлении которых включается индикация. Находясь в режиме приема, анализатор непрерывно воспринимает информацию на своих входных каналах, а при появлении запускающего слова начинается индикация данных. В зависимости от сложности анализатора на запускающее слово могут быть наложены те или иные дополнительные условия. Например, запуск может происходить после

-регистрации заданного числа N появлений запускающего слова,

-прохождения заданного числа N циклов синхронизации вслед за появлением запускающего слова.

Как и осциллографы, логические анализаторы могут выводить на индикацию данные после возникновения запускающего события. Но в отличие от большинства осциллографов анализаторы позволяют представлять на экране дисплея информацию, имевшую место до запускающего события. Этот режим работы анализатора, называемый регистрацией с обратным отсчетом времени, может быть использован в процессе восстановления работоспособности неисправной системы для задания неправильно выполняемой операции в качестве запускающего события и последующего наблюдения событий, приводящих к этому некорректному событию.

Остановимся на этом несколько подробнее. Для того чтобы реализовать предпусковую регистрацию, необходимо до прихода запуска непрерывно переписывать содержимое буферного ОЗУ по кругу (рис. 7.6.). Если мы выбираем глубину предпусковой регистрации N тактов, то надо остановить регистрацию через (4096 - N) тактов после прихода запуска. Затем надо считывать содержимое ОЗУ, начиная с точки остановки с перебором адресов в том же направлении, что и при регистрации. Проведя 4096 операций чтения содержимого ОЗУ, мы получим N тактов до запуска и (4096 - N) тактов после запуска, то есть моменту прихода запуска будет соответствовать адрес ОЗУ, считанный N-ым.

Рис. 7.6. Реализация предпусковой регистрации

Органы управления, расположенные на лицевой панели анализатора, можно разделить на три группы:

-управление началом и прекращением приема;

-управление синхросигналом и его квалификатором;

-управление запуском и квалификатором запуска.

7.2.2. Начало и прекращение приема

Когда переключатель приема устанавливается в активное положение, анализатор приходит в режим сбора данных. По каждому синхросигналу в память заносится слово данных, составленное из значений 16 логических входных сигналов. Это происходит до момента распознавания запускающего события, после чего регистрация продолжается еще в течение (4096 - N) циклов синхронизации, а затем анализатор возвращается в режим индикации. Если запускающее событие не обнаруживается, можно вернуть анализатор в этот режим, установив переключатель в положение «Прекращение приема».

7.2.3. Синхросигнал и квалификатор синхросигнала

С помощью переключателя фронта синхросигнала оператор может выбрать для управления записью данных в память анализатора либо положительный, либо отрицательный фронт внешнего сигнала синхронизации. Работая с анализатором состояний, пользователь должен выбрать для синхронизации регистрируемых данных подходящий сигнал.

Возможны ситуации, когда данные необходимо запоминать при поступлении не каждого синхросигнала. Для указания тех синхросигналов, по которым необходима регистрация данных, может быть использован дополнительный входной сигнал, называемый квалификатором синхросигнала. Этот входной сигнал реализуется в соответствии с положением переключателя на лицевой панели, позволяющего оператору указать состояние квалификаторного входного сигнала, при котором происходит прием данных (рис. 7.7). Если переключатель квалификатора синхросигнала оставлен в «безразличном» состоянии, запись адресов в память анализатора осуществляется по каждому синхросигналу.

Рис. 7.7. Действие квалификатора синхросигнала.

7.2.4. Запуск и квалификатор запуска

Органы управления запуском позволяют оператору задавать набор единиц и нулей, который должен появиться на входных каналах анализатора, чтобы произошел запуск. Для расширения этого набора, т.е. формата запускающего слова, до 17 бит можно использовать дополнительный входной сигнал, называемый квалификатором запуска. На лицевой панели имеется переключатель управления квалификатором, с помощью которого оператор задает значение дополнительного входного сигнала, при котором должен происходить запуск.

7.3. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА И ПРИМЕНЕНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ АНАЛИЗАТОРОВ

Упрощенная функциональная схема логического анализатора представлена на рис.7.8. Схема состоит из четырех основных блоков: блока управления, блока регистрации, блока индикации и блока входных усилителей-компараторов. Анализатор 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.

Рис. 7.8. Функциональная схема логического анализатора

Врежиме регистрации прибор через входные усилители-компараторы принимает

сзаданной 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 анализатора - число информационных каналов, длину последовательности логических состояний и максимальную тактовую частоту.

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 входах и входах квалификаторов запуска, или заданная последовательность таких комбинаций. Возможность задавать различные условия запуска является важной технической характеристикой анализатора.

Врежиме индикации собранная информация выводится на индикатор в выбранном оператором формате. Поскольку анализатор 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 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-квалификаторов такта записи является разделение информации, передаваемой различными устройствами по шине с тремя состояниями.

Простейшим видом запуска, используемым практически во всех логических анализаторах, 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 анализатора. 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 параметры отечественных логических анализаторов приведены в таблице 1.

Таблица 7.1. Основные параметры логических анализаторов

Режим сравнения с эталонной таблицей реализуется дополнительным ЗУ, в которое оператор может занести некоторый массив данных. Затем при последующих измерениях полученные вновь данные сравниваются с эталонными и на экран выводятся результаты сравнения. Режимы индикации результатов сравнения могут быть различными. Например, может выводиться таблица, где в позициях, в которых исследуемая последовательность совпадает с эталонной, указывается 0, а в позициях, в которых совпадения нет, - 1.

Более удобен режим сравнения, при котором на экран выводятся обе таблицы, причем несовпадающие позиции выделяются в исследуемой таблице увеличенной яркостью.

Наиболее информативным способом представления результатов измерения являются режимы графического отображения. В этом режиме оператор способен анализировать все содержимое ЗУ ЛА одновременно. Примерами графических режимов представления информации могут служить графы переходов (карты памяти) или представление значений измеренных кодов в виде графиков.

Режимами индикации в современных ЛА управляют встроенные микропроцессоры, которыми оснащены большинство приборов. При этом настройка анализатора на заданный режим работы все более приобретает черты работы с терминалом микроЭВМ

вдиалоговом режиме.

7.4.ЛОГИЧЕСКИЕ АНАЛИЗАТОРЫ НА БАЗЕ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Отечественный рынок средств диагностирования и отладки цифровых систем имеет свои особенности. Часто решающим фактором является цена изделия, в связи с чем получили распространение ЛА, выполненные в виде периферийных устройств или плат расширения для персональных компьютеров. Зачастую по своим техническим параметрам, надежности, обеспечению документацией и сопровождению такие анализаторы не уступают западным аналогам.

Например, фирма «Лаборатория автоматизированных систем и управления» («АС») предлагает целый ряд логических анализаторов на базе персонального компьютера с числом каналов от 16 до 64 и скоростью записи до 100 МГц. Устройства ввода логических сигналов выполнены в виде встраиваемых плат или внешних устройств, осуществляющих обмен с компьютером через параллельный порт. Это существенно