Глава 14. КОНТРОЛЬ ЦИФРОВЫХ АВТОМАТОВ

14.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Контроль цифровых автоматов связан с решением задачи проверки правильности их функционирования и осуществляется с помощью специальных средств контроля. Различают два направления в развитии средств и методов контроля цифровых автоматов: тестовый контроль и функциональный контроль

Тестовый контроль, в общем случае, осуществляется с помощью специальных систем технического диагностирования, особенность которых состоит в возможности подачи на объект контроля специально организуемых (тестовых) воздействий — двоичных наборов, позволяющих выявлять неисправности, имеющиеся в его схеме. используется тогда, когда объект контроля не применяется по прямому назначению. Использование при работающем объекте контроля также возможно, но при этом тестовые воздействия могут быть только такими, которые не мешают нормальному функционированию проверяемого объекта. Основная задача — обеспечение заданной полноты контроля, т. е. выявление в схеме объекта контроля всех неисправностей из заданного класса, возможно и с указанием места расположения неправильно функционирующих элементов. Сложность и стоимость систем диагностирования может намного превышать сложность и стоимость объекта контроля.

При функциональном контроле подача специальных тестовых воздействий на контролируемый объект не производится объект поступают только рабочие воздействия, предусмотренные рабочим алгоритмом функционирования объекта). осуществляется, как правило, когда объект непосредственно реализует предписанный ему алгоритм функционирования (объект применяется по назначению). Возможно также применение перед или после использования объекта по назначению. Однако при этом может потребоваться имитация режима функционирования объекта (в частности, имитация рабочих воздействий). Аппаратурные средства функционального контроля, как правило, сопряжены конструктивно с объектом контроля. При этом каждый экземпляр объекта контроля имеет свою встроенную аппаратуру функционального контроля. Поэтому нередко называют встроенным контролем. Прежде всего рассмотрим этот вид контроля, так как объектом контроля является цифровой автомат, и все устройство вместе со встроенной аппаратурой контроля также представляет собой цифровой автомат.

Проведение контроля связано с необходимостью введения избыточности либо в схему объекта контроля (структурная избыточность), либо в информацию, подаваемую на входы объекта контроля (информационная избыточность), либо в промежуток времени, в течение которого контроль осуществляется (временная избыточность). Примером использования временной избыточности в чистом виде является двойной или тройной просчет задачи, решаемой объектом

контроля с последующим сравнением результатов. Тестовый контроль, как правило, связан с использованием информационно-временной избыточности (для проверки правильности функционирования объекта контроля используются специальные тестовые последовательности, подаваемые на входы объекта в течение времени, отводимого на контроль). Функциональный контроль связан с использованием прежде всего структурной избыточности. Иногда используется структурно, временная избыточность, что позволяет в ряде случаев существенно сократить аппаратурные затраты на реализацию средств контроля,

Организация контроля цифровых автоматов связана с изучением причин их неправильной работы. Основной причиной являются неисправности элементов схем цифровых автоматов. Различают два вида неисправностей: отказы и сбои.

Под отказом понимают необратимое нарушение характеристик отдельного элемента схемы цифрового автомата, приводящее к полной потере работоспособности элемента. Если искажаются характеристики нескольких элементов, говорят о кратных отказах.

Под сбоем понимают событие, заключающееся во временном изменении характеристик отдельного элемента схемы цифрового автомата, приводящее к его неправильному функционированию в течение короткого интервала времени. Работоспособность элемента восстанавливается самопроизвольно, без вмешательства извне.

Наиболее часто при организации контроля рассматривается класс одиночных неисправностей, т. е. неисправностей одного логического элемента, Это связано с тем, что вероятность возникновения кратной неисправности значительно меньше. Среди одиночных неисправностей выделяют константные неисправности, сводящиеся к такому изменению функционирования элементов, которое эквивалентно подачу на один или несколько входов элемента (либо на его выход) постоянного сигнала 0 или 1.

Отметим, что сложность контроля работы цифровых автоматов обусловлена прежде всего тем, что схемы цифровых автоматов имеют разветвления и обратные связи, и, следовательно, появление даже одиночной неисправности может привести к кратным ошибкам. Понятно, что обнаружение кратных ошибок обходится дороже, чем одиночных.

Причины, вызывающие появление неисправностей в схемах цифровых автоматов, различны. Причиной отказа может служить нарушение предельных электрических норм применения элементов, вызванное либо аварийной ситуацией, либо неправильной эксплуатацией, а также скрытыми дефектами элементов, микросхем и монтажа. Основными причинами сбоев являются внутренние и внешние помехи; разброс параметров элементов и уход за нормы допусков, вызванный длительным хранением, старением и т. д. Для интегральных микросхем малой степени интеграции характерными являются одиночные константные неисправности логических элементов, размещаемых в корпусе интегральной микросхемы. В то же время неисправности больших и сверхбольших интегральных схем носят характер кратных. Последнее обстоятельство вызвано тем, что для больших интегральных схем начинают доминировать эффекты, связанные

с резким увеличением плотности упаковки элементов на кристалле интегральной схемы, не ощутимые для интегральных схем малой степени интеграции — микротрещины кристаллов, инородные вкрапления в кристалл, дефекты металлизации и герметизации, взаимные наводки от меж перекрестных соединений. Использование микроэлектроники связано и со значительным снижением уровней напряжений и токов, с уменьшением порогов срабатывания логических элементов. Резкое увеличение плотности компоновки интегральных схем на печатных платах приводит к значительному уменьшению расстояний между сигнальными проводниками, а также шинами земли и питания; заметно возрастает число перекрестных связей, а задачи создания низкоомных шин земли и питания, а также развязок по цепям питания существенно усложняются. Внедрение новой технологии заставляет искать новые пути и способы организации контроля средств вычислительной техники. Если уровень проектирования устройств вычислительной техники при использовании малых интегральных схем хорошо оснащен методами контроля, то технология изготовления больших и сверхбольших интегральных схем заставляет искать совершенно новые подходы к контролю. Последнее связано с изменением статистики неисправностей интегральных схем, резким (качественно новым) повышением сложности организации устройств и систем на основе таких интегральных схем, появлением интегральных схем с функциями субсистем и систем (микропроцессоров, программируемых логических матриц, заказных и полузаказных больших интегральных схем).