Разработка методов синтеза и логического проектирования модулей сигнатурного мониторинга - Диссертация

Одним из эффективных путей достижения высоких показателей надежности систем управления на основе микроконтроллеров является введение аппаратной, программной и временной избыточности, обеспечивающей их отказоустойчивость, т.е. способность системы управления сохранять работоспособность при наличии в ней неисправностей определенного класса. Опыт промышленного использования микроконтроллерных систем управления показывает, что для обнаружения неисправностей и последующего восстановления работоспособности широко используются методы сигнатурного мониторинга, обеспечивающие отказоустойчивость системы с помощью программно-аппаратных средств, встроенных на кристалл или печатную плату. Развитие субмикронных технологий и широкое использование сигнальных процессоров, микроконтроллеров и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) с числом выводов, достигающим 1000 на одну микросхему и функционирующих на тактовой частоте ГГЦ, приводит к значительному возрастанию стоимости диагностического обеспечения на всех этапах жизни управляющих систем. Необходимость учета особенностей субмикронных технологий производства СБИС, условий эксплуатации управляющих систем на их основе в рамках жестких стоимостных и временных ограничений приводит к необходимости объединения методов функционального и тестового диагностирования и реализации их в виде программно-аппаратных модулей сигнатурного мониторинга, встроенных на кристалл или печатную плату. Разработка основных положений работы осуществлялась в соответствии с планами НИР и программами, выполняемыми на кафедре автоматики и управления в технических системах НТУ «ХПИ», а именно с планом прикладных работ МОН Украины: «Разработка методик оптимального управления состоянием динамических систем в условиях неопределенности» (№ ГР 0100U001691); «Разработка методов принятия решений в условиях неполной информации об объекте управления» (№ ГР 0103U001511); поисковая тема «Созвучие» НАН Украины «Разработка комплексов микропроцессорных технических средств контроля и регулирования уровня расплава при выращивании ЩГК» (№ ГР 0101U006612).Причиной возникновения отказов дискретных устройств могут быть дефекты, допущенные при проектировании, производстве и ремонте устройств, нарушения норм эксплуатации, естественные процессы старения и изнашивания, а также различные повреждения. Следует отметить, что дефекты и повреждения, возникающие в устройствах, некоторые авторы называют неисправностями [2]. При этом неисправность для большинства элементов логических устройств соответствует изменению функции, реализуемой элементом. При определении модели дефекта (повреждения) будем использовать термин «неисправность» и «ошибка» [1]. Интерфейс ПС - порт JTAG, который включает 4 - 5 выводов: TDI/TDO (Вх/Вых Тестов сканирования), TCK (test clock - тактовая частота тестирования), TMS (test mode select - выбор режима тестирования), TRST (test reset - начальная установка тест - контроллера по выбору разработчика).Дефекты (неисправности) константного типа или «короткое замыкание» между соседними линиями и соединениями, перепутывание связей имеют место при производстве СБИС в современных технологиях. Повышение быстродействия логических элементов и соизмеримость задержек сигналов в активных элементах и линиях связи приводят к появлению неисправностей типа (slow-to-rize) задержка фронта импульса и (slow-to-fale) задержка среза импульса, что при высокой частоте синхронизации может приводить к искажению функциональных характеристик схемы [5]. Для обнаружения такого типа неисправностей существует два подхода: 1) тестирование на рабочей частоте; 2) генерирование специальных векторных пар, воздействующих на комбинационную часть ДУ, что позволяет обнаружить изменения в скорости распространения сигналов [6]. Анализ диагностического обеспечения микропроцессорных СБИС ведущих зарубежных фирм: Pentium Pro (Intel Corporation); S/390 (IBM); Power PC; MC 202-206 (Motorola); AMD-K6 (Advanced Micro Devices), показывает, что 5 - 8 % площади кристалла СБИС занимают встроенные схемы тестирования, которые позволяют обнаружить практически 100% дефектов, перечисленных выше типов. Первый подход - разбиение сложного устройства на макроблоки с числом входов и генерация тривиальных (исчерпывающих) тестов с помощью счетчиковых структур или сдвиговых регистров с линейной обратной связью (СРЛОС) в сочетании с методами сканирования памяти [7 - 11].Простота генерации тестовых последовательностей с помощью счетчиковых структур, сдвиговых регистров с линейной обратной связью и клеточных автоматов в сочетании с эффективными методами сигнатурного сжатия выходных реакций КС позволяет осуществить процедуру проверки КС с использованием простых схем диагностирования [17 - 20]. В настоящее время ограничения, связанные с экспоненциальным ростом числа тривиальных тестов с увеличением размерности КС и числа ее входов, преодолеваются применением псевдоисчерпывающего тестирования КС. Схема с входами, выходами и - максимальным показателем зависимости может быть про

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ДИСКРЕТНЫХ УСТРОЙСТВ

1.1 Диагностирование ДУ детерминированными тестами

1.2 Анализ методов встроенного диагностирования ДУ

1.3 Псевдоисчерпывающее тестирование ДУ

1.4 Методы функционального диагностирования ДУ

1.5 Анализ методов преобразования автоматов в легко тестируемые

1.6 Постановка цели и задач исследования

РАЗДЕЛ 2. МОДУЛИ СИГНАТУРНОГО МОНИТОРИНГА НА СР С ЛИНЕЙНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

2.1 Анализ методов генерации тестов на сдвиговых регистрах с обратной связью

2.1.1 Сдвигово - регистровые последовательности, основные определения и анализ

2.1.2 Синтез ГПТ на сдвиговых регистрах с линейной обратной связью

2.2 Синтез ГПТ на основе структуры модифицированного СРЛОС/СР

2.3 Синтез ГПТ на основе параллельно функционирующих СРЛОС/СР

2.4 Синтез самотестируемых сигнатурных анализаторов

2.5 Синтез самопроверяемого сигнатурного анализатора на основе схемы потактного сравнения значений выходных переменных

2.6 Выводы

РАЗДЕЛ 3. ГЕНЕРАТОРЫ ТЕСТОВ НА СР С НЕЛИНЕЙНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

3.1 Методы генерации полных циклов на сдвиговых регистрах

3.2 Реализация логических функций однородной сетью Майтра

3.3 Синтез ГПТ на сдвиговых регистрах с нелинейной обратной связью

3.4 Минимизация длины проверяющей последовательности

3.5 Синтез ГПТ на основе использования примитивных многочленов

3.6 Кодирование состояний автомата, оптимальное по тестопригодности

3.7 Выводы

РАЗДЕЛ 4. МОДУЛИ СИГНАТУРНОГО МОНИТОРИНГА НА КЛЕТОЧНЫХ АВТОМАТАХ

4.1 Анализ свойств клеточных автоматов

4.2 Матричные модели сетей КА

4.2.1 Характеристическая матрица правил СКА

4.2.2 Матричные модели СКА

4.3 Генераторы циклических последовательностей на клеточных автоматах

4.4 Изоморфизм СКА и СРЛОС

4.5 Генераторы последовательностей максимальной длины на СКА

4.6 Свойства последовательностей максимальной длины генераторов на СКА

4.7 Метод синтеза генераторов последовательностей максимальной длины на аддитивных СКА

4.8 Выводы

РАЗДЕЛ 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОДУЛЕЙ СИГНАТУРНОГО МОНИТОРИНГА

5.1 Анализ сложности последовательностей де Брейна

5.2 Достоверность функционирования самопроверяемого многоканального сигнатурного анализатора

5.3 Краткое описание и анализ ПЛИС ALTERA MAX 7000

5.4 Моделирование модулей сигнатурного мониторинга, реализованных на ПЛИС ALTERA MAX 7000S

5.5 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Доказательства утверждений раздела 4

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Сети КА степени 5, генерирующие последовательности максимальной длины при нулевых граничных условиях

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Исходные тексты программных модулей для генерирования тестовых последовательностей и анализа их свойств

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Функции обратной связи СРНОС степени 16 для получения последовательностей де Брейна и оценка их сложности

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

Документы, подтверждающие внедрение результатов диссертации

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ