Особенности отладки МПС на разных этапах ее существования.

⇐ ПредыдущаяСтр 20 из 20

Существенно отличаются по сложности поиска и характеру неисправностей процедуры отладки МПС на различных этапах ее существования. Можно выделить три типа процедур отладки МПС:

· отладка опытного образца (макета);

· отладка в процессе серийного производства;

· отладка в процессе эксплуатации.

В процессе отладки опытного образца выявляются и устраняются следующие типы ошибок:

· ошибки разработчика (в том числе ошибки документации);

· ошибки соединений (дефекты печатных плат, ошибки монтажа);

· ошибки программного (микропрограммного) обеспечения, в том числе ошибки тестовых процедур. Отсутствие отлаженных непосредственно на этой МПС тестовых процедур создает неопределенность при поиске источника ошибок программа или аппаратура? Отладка опытного образца ведется при помощи сложной, разнообразной и дорогостоящей аппаратуры (запоминающие многолучевые высокочастотные осциллографы, логические анализаторы, комплексы развития и др.) персоналом высокой квалификации - чаще всего самими разработчиками.

На этапе отладки серийного изделия предполагается, что ошибки разработчика (в аппаратуре и программах) устранены. Производственный контроль осуществляется путем функциональных испытаний МПС-плат на мощных установках промышленного контроля, снабженных хорошо разработанной системой тестов. Реакция проверяемой платы сравнивается с эталоном (физическим, вычисляемым или хранимым в памяти). По результатам сравнений выдается сообщение " Годен" - " Не годен"; локализация неисправностей осуществляется только до уровня ТЭЗа или не проводится вовсе. Для осуществления такого контроля можно привлекать персонал невысокой квалификации. Неисправные изделия возвращаются на участки, где их отладка проводится на специализированных стендах квалифицированными регулировщиками.

Поиск неисправностей в МПС на этапе эксплуатации осуществляется в основном средствами самодиагностики или специальной, но достаточно простой аппаратурой (например, сигнатурными анализаторами).

12.2.

Статические отладчики

Работа однопроцессорных МПС сводится к последовательности машинных циклов, в каждом из которых МП формирует адрес на шине адреса, управляющие сигналы на соответствующих линиях управления и выдает или принимает данные по шине данных. Простейшим отладочным средством - статическим отладчиком (Рис. 12.1) - можно сымитировать действия МП в машинном цикле.

Рис. 12.1. Устройство тестирования статическими сигналами

Действительно, установив на шинах адреса и данных определенные коды, а на управляющих линиях - комбинацию, соответствующую, например, записи в память, можно убедиться в правильности прохождения сигналов (потенциалов) адресной селекции блоков памяти или УВВ, управляющих сигналов. В режимах чтения можно наблюдать на индикаторах шины данных содержимое ячеек ПЗУ, ОЗУ или ВУ.

Такой метод проверки не требует сложного контрольного оборудования. Отметим, что устройство тестирования статическими сигналами (УТСС) может осуществлять управление системой точно так же, как и микропроцессор - естественно, с другими временными характеристиками. Средствами УТСС можно даже выполнить небольшую программу, при этом интерпретировать коды команд должен оператор.

Однако, УТСС не позволяет отладить систему в режиме реального времени, оценить временные характеристики и соотношения сигналов. Для этих целей служат другие, значительно более сложные приборы.

Логические анализаторы

Отмеченные в п. 10.1 особенности и сложности отладки МПС вызвали появление принципиально новых приборов для отладки. Помимо традиционных генераторов сигналов (генераторов последовательностей), осциллографов, вольтметров, частотомеров и др. появились логические и сигнатурные анализаторы, комплексы развития и другие сложные цифровые отладочные приборы и комплексы.

Отладка аппаратуры МПС начинается с проверки работоспособности источников питания и схем синхронизации. Такая проверка может осуществляться традиционными приборами - вольтметром, частотомером, осциллографом. Далее, убедившись в нормальной работе этих устройств, переходят к анализу последовательностей логических сигналов в различных точках схемы. При отладке МПС, как правило, требуется анализировать логические уровни одновременно во многих точках схемы, причем необходимо фиксировать достаточно длинные последовательности значений в каждой анализируемой точке. Приборы, предназначенные для:

Ø регистрации последовательностей логических сигналов одновременно и синхронно во многих точках схемы и на протяжении значительного временного интервала;

Ø регистрации последовательности состояний в связи с редкими (однократными) событиями - по условию;

Ø регистрации состояний контрольных точек в некотором интервале времени, предшествующем выбранному оператором событию;

отображения зафиксированных результатов в удобной для оператора форме (временные диаграммы с масштабированием во времени, таблицы, графы переходов и др.) –

называются логическими анализаторами (Рис. 12.2).

Рис. 12.2. Структура логического анализатора

Основой любого логического анализатора (ЛА) является запоминающее устройство, фиксирующее текущий поток двоичных последовательностей.

Кроме памяти объемом N n-разрядных слов, в состав ЛА входит устройство синхронизации, управляющее моментами фиксации состояний в ОЗУ и устройство отображения.

Логический анализатор может работать в одном из трех основных режимов: настройка, регистрация, индикация.

В режиме настройки оператор согласно плану измерений подключает входы прибора к выбранным точкам схемы, устанавливает порог срабатывания входных компараторов в соответствии с уровнями логических сигналов контролируемых элементов, задает режим регистрации (квалификаторы тактов и условия запуска - см. ниже).

В режиме регистрации ЛА через входные компараторы принимает n-мерные вектора логических состояний и записывают их в последовательные ячейки ОЗУ. При переполнении памяти запись снова производится по начальным адресам. Таким образом, в режиме регистрации в ОЗУ ЛА всегда хранятся N последних векторов состояний.

В режиме индикации прекращается регистрация состояний схемы и текущее содержимое ОЗУ индицируется в удобной для оператора форме.

Основные блоки ЛА.

Входные компараторы-усилители обеспечивают развязку исследуемых точек схемы и измерительных цепей и настройку ЛА на логические уровни проверяемой схемы.

ОЗУ обеспечивает фиксацию векторов состояний схемы с требуемой частотой.

Важным блоком ЛА, существенно влияющим на его функциональные возможности, является формирователь тактов. Такты записи в ОЗУ (фиксации) могут вырабатываться самим ЛА или поступать от проверяемой схемы (соответственно асинхронная и синхронная регистрация).

Выбор частоты регистрации зависит, с одной стороны, от целей испытания схемы, с другой стороны - от объема ОЗУ.

Для того, чтобы исследовать временные соотношения между фронтами логических сигналов частота регистрации, как минимум, должна на порядок превышать тактовую частоту исследуемой схемы. При асинхронной регистрации погрешность определения положения фронта импульса равна периоду регистрации, поэтому при низких частотах регистрации временные соотношения между зарегистрированными сигналами может существенно отличаться от реальности. На Рис. 12.3 иллюстрируется это обстоятельство. На нем показаны реальные сигналы A, B и их образы A₁, B₁, A₂, B₂ при различных частотах регистрации - f₁ и f₂ соответственно.

f₁

A₁

B₁

f₂

A₂

B₂

Рис. 12.3. Образы сигналов при различных частотах регистрации

Из Рис. 12.3 видно, что при высокой частоте регистрации f₁ образы A₁, B₁, практически совпадают с оригиналом, а при низкой частоте f₂ зарегистрированные на ней образы A₂, B₂, не отражают поведение реальных сигналов.

При синхронной регистрации ЛА воспринимает только установившиеся значения сигналов в контрольных точках, не давая никакой информации о временных соотношениях между сигналами внутри тактового интервала. Результаты синхронного анализа удобно представлять в табличной форме.

По признаку максимального быстродействия ОЗУ ЛА делятся на два класса: анализаторы временных логических последовательностей (АВЛП) и анализаторы логических состояний (АЛС). Первые предназначены для фиксации в асинхронном режиме с частотой, на порядок превышающей тактовую частоту МПС. Так, АВЛП K500-D фирмы Biomation, США имеет частоту регистрации 500 МГц.

Максимальная частота регистрации АЛС соответствует тактовой частоте МПС (1..50 МГц). АЛС ориентированы на отладку МПС на уровне командных циклов.

АВЛП более сложные и дорогие приборы, чем АЛС (многие из них могут работать и в режиме АЛС). Они позволяют фиксировать импульсные помехи, длительность которых меньше такта регистрации. Для этого предусматриваются т.н. " ловушки" - специальные схемы амплитудных дискриминаторов, фиксирующие превышения порогового уровня лог. " 1" постоянно, а не только в момент действия тактовых импульсов. Зафиксированный переход через порог сохраняется до начала очередного тактового импульса и заносится в вектор состояния (Рис. 12.4).

f₁

Импульсная помеха ¾ ®

¾ ¾ Порог «логической единицы»

A₁

¾ Зафиксирован на «ловушке»

Рис. 12.4. Фиксация коротких импульсов

Блок синхронизации предназначен для формирования тактов регистрации при синхронном режиме и сигналов запуска.

Схема формирователей тактов в режиме синхронной регистрации вырабатывает сигналы записи в ОЗУ с использованием тактовых сигналов исследуемой МПС и/или т.н. " квалификаторов тактов" - логических условий, при выполнении которых будет осуществляться фиксация вектора состояний. В качестве квалификаторов тактов можно определить появления некоторого управляющего сигнала МПС или комбинации сигналов, появление определенного кода на шине данных или адреса и т.п. Например, при исследовании МПС на базе МП i8080 можно задать в качестве такта записи сигнал Ф1, а в качестве квалификатора тактов - сигнал SYNC. В этом случае можно фиксировать не все состояния шины данных, а только поток слов PSW, выдаваемых процессором в каждом машинном цикле. При замене квалификатора SYNC на M1 (признак первого машинного цикла команды) можно фиксировать на шине данных только поток команд.

Задав в качестве квалификатора тактов совпадение состояния шины адреса с определенной константой, можно исследовать только события, связанные с обращением процессора по определенному адресу (адресам), например, к выбранному ВУ.

Момент прекращения фиксации в ОЗУ векторов состояний и переход ЛА на режим индикации называют событием запуска. Возможно задавать различные условия, формирующие событие запуска. Эти условия могут зависеть как от текущего состояния исследуемой схемы (" квалификаторы запуска" ), так и от режима работы самого ЛА.

Простейшим видом запуска является запуск по комбинации логических состояний сигналов (кодовому слову). Заданное кодовое слово фиксируется в регистре и сравнивается с текущим состоянием сигналов исследуемой схемы. Возможно маскирование разрядов кодового слова. Одним из вариантов комбинационного запуска (запуск зависит только от комбинации сигналов в текущий момент дискретного времени) является " запуск по пропаданию кодового слова" запуск происходит в момент появления любой другой комбинации, кроме заданной.

Иногда требуется осуществить запуск в случае появления некоторой наперед заданной последовательности кодовых слов. Некоторые ЛА позволяют фиксировать до 16 кодовых слов, последовательное появление которых вызывает событие запуска, причем можно указывать, подряд ли должны следовать кодовые слова, или между ними могут встречаться любые другие.

Наиболее сложным режимом запуска является запуск по несовпадению данных с содержимым эталонной таблицы. Этот режим позволяет обнаруживать и анализировать случайные сбои. Реакция исправной МПС на выбранный тест фиксируется в эталонном ОЗУ. Далее многократно прогоняется тот же тест на исследуемой МПС (может быть, в режиме термотренировки, при повышенном/пониженном напряжении питания) и ее реакция сравнивается с эталоном. Несовпадение реакции с эталоном вызывает событие запуска.

При наступлении события запуска в ОЗУ сохраняется N последних векторов состояний системы, т.е. мы располагаем информацией, предшествующей событию запуска. Однако, иногда бывает интересно просмотреть состояния системы " в окрестностях" события запуска (" до" и " после" ) или только “после”. Для этого достаточно задержать переход к режиму индикации на заданное число T тактов регистрации (Рис. 12.5).

Рис. 12.5. Задержка индикации относительно события запуска

Блок индикации обеспечивает вывод содержимого ОЗУ в различных формах. В АЛВП индикация осуществляется, как правило, в форме временных диаграмм, причем, с учетом разрешающей способности современных ЭЛТ, обычно в кадре представляется не более 250 бит на канал при 16 каналах. Если объем ОЗУ позволяет зафиксировать больший объем данных, то отображение производится по частям в режиме " окна".

В АЛС индикация содержимого ОЗУ осуществляется в виде таблиц, элементами которых являются двоичные или шестнадцатеричные числа - состояния объектов контроля, строкам соответствуют объекты контроля, а столбцам - такты регистрации.

Возможны и другие варианты индикации. Например, при сравнении реакции контролируемой МПС с эталонной таблицей на экране можно отобразить двоичную матрицу совпадений. Можно отобразить все содержимое ОЗУ в виде прямоугольной матрицы кодов, причем частота встречаемости каждого кода определяется числом или интенсивностью яркостной точки в соответствующей позиции.

Организация различных форм индикации обычно осуществляется с помощью встроенного в ЛА микропроцессора. Он же обычно управляет режимом настройки ЛА на заданные режимы регистрации, запуска и индикации.

Перспективным представляется объединение ЛА с персональной ЭВМ. Такое объединение значительно расширяет функциональные возможности ЛА, особенно в части режимов индикации, накапливания, обработки и документирования результатов контроля МПС.

Рис. 12.6. Логический анализатор – приставка к ПЭВМ IBM PC

На Рис. 12.6 приведена структура подобного ЛА

Характеристики ЛА:

· число каналов (8 - 16 - 32 - 48);

· объем ОЗУ;

· быстродействие (10 - 500 МГц);

Дополнительные характеристики:

· возможность выбора различных режимов запуска (в том числе

по последовательности слов 2..16);

· задержка запуска индикации (до 10⁵ тактов);

· наличие квалификаторов тактов и запуска;

· наличие эталонной таблицы;

· режимы индикации;

· наличие ловушки помех (до 5 нс.);

· наличие встроенного сигнатурного анализатора;

· наличие встроенного цифрового осциллографа.

Сигнатурные анализаторы

Поиск неисправностей в МПС с помощью ЛА требует высокой квалификации операторов, использование дорогостоящей аппаратуры и значительных затрат времени - как на разработку тестовых процедур, так и на анализ реакции МПС. Но и при таких затратах локализовать место неисправности с точностью до элемента не всегда удается.

Поэтому ЛА, незаменимые при настройке МПС на этапе проектирования и макетирования, мало пригодны для использования на этапе производства и эксплуатационного обслуживания МПС.

Альтернативой ЛА может служить т.н. " сигнатурный анализатор" (СА). Метод сигнатурного анализа не требует высокой квалификации персонала и сложного оборудования. В то же время он позволяет быстро и точно отыскать отказавший элемент цифровой схемы.

Идея сигнатурного анализа

ЛА позволяет контролировать схему на работоспособность в режиме сравнения реакции с эталоном. Чаще всего объем эталонной информации весьма велик (10³..10⁵ байт).

Для уменьшения размера эталона предпринимаются попытки применения различных методов сжатия информации. Можно, например, подсчитывать число переключений сигнала в контрольной точке (контроль по модулю 2), однако достоверность такого контроля очень низка, ибо любая ошибка четной кратности не обнаруживается, хотя объем эталона при этом - минимальный - 1бит на контрольную точку.

Другим путем сжатия контрольной информации является получение сверток по различным модулям m > 2. Чем больше m, тем выше достоверность контроля, но, с другой стороны, усложняется контрольная аппаратура, причем суммирование сопряжено с организацией цепи переноса, что ведет к снижению быстродействия контрольного оборудования.

Наибольшее распространение при сжатии длинных двоичных последовательностей получил т.н. " сигнатурный метод", сочетающий в себе высокое быстродействие, простоту контрольного оборудования и высокую достоверность контроля.

Процедура сжатия последовательности (получение сигнатуры) описывается следующим выражением:

x^k ´ G(x) = Q(x)´ P(x) Å R(x),

где:

G(x) - двоичная последовательность, поступающая с проверяемого входа;

(x) - порождающий полином, определяющий схему обратных связей;

Q(x) - частное;

R(x) - остаток;

k - разрядность остатка.

Технически сигнатурный анализатор реализуется на базе сдвигового регистра и многовходового сумматора по модулю 2 (Рис. 12.7).

Рис. 12.7. Сигнатурный анализатор

В общем случае вероятность P обнаружения ошибки в последовательности длиной n при использовании k-разрядного сдвигового регистра выражается формулой:

P = 1 - (2^n-^k - 1)/(2ⁿ - 1)

для всех n > k. При n < = k вероятность обнаружения ошибки P = 1.

Процедура сигнатурного анализа состоит в следующем:

(1) На заведомо исправную схему подают тестовое воздействие, реакция на которое сворачивается в виде сигнатуры в каждой контрольной точке и фиксируется в технической документации на изделие (например, на принципиальной схеме каждому выходу каждого элемента соответствует шестнадцатеричная константа).

(2) Для отыскания неисправности в процессе эксплуатации системы (наиболее вероятны одиночные отказы) на вход системы подается тестовое воздействие (то же, что и при получении эталонных сигнатур) и определяются сигнатуры во всех контрольных точках - последовательно от выходов схемы ко входам. Полученные сигнатуры сравниваются с эталонными и если на выходе элемента неправильная сигнатура, а на всех его входах - правильные, то этот элемент можно считать неисправным (или его выходную цепь).

12.4.2. Оборудование сигнатурного анализа и требования к проверяемой схеме

Для проведения сигнатурного анализа необходимо иметь:

1) источник тестовой последовательности;

2) сдвиговый регистр с обратными связями и сумматором по модулю 2, снабженный индикатором содержимого регистра;

3) сигналы, отмечающие начало и конец теста (" Пуск" и " Стоп" ) и синхросигнал, обеспечивающий прием в СА установившегося значения реакции. " Пуск" и " Стоп" ограничивают " измерительное окно" - интервал времени, в течении которого накапливается сигнатура.

Система, подвергающаяся сигнатурному анализу, должна отвечать определенным требованиям. В частности, она не должна содержать цепей обратной связи или они должны быть разомкнуты на период проверки системы с помощью СА. Несоблюдение этого требования приводит к невозможности локализовать неисправный элемент, входящий в контур, охваченный обратной связью. На Рис. 12.8 приведен фрагмент цифровой схемы, содержащий замкнутый контур A-B-D-E-E'-A.

Рис. 12.8. Сигнатурный анализ схемы с контуром обратной связи

Предположим, элемент D2 неисправен. Очевидно, в точке B будет получена неверная сигнатура. Тогда неверные сигнатуры будут получены и во всех других точках схемы, для которых сигнал в точке B является источником. На Рис. 12.8 - это точки C, D, E, E', A. Таким образом, в выделенном контуре нет элемента, на входах которого были бы верные сигнатуры, что не позволяет локализовать неисправный элемент.

Если в контур, охваченный цепью обратной связи (ОС), входит небольшое число элементов, то иногда бывает достаточно средствами СА локализовать неисправность с точностью до контура (группа элементов), а отыскивать неисправный элемент обычным " ручным" способом, например с помощью осциллографа.

Если схему охватывают многочисленные цепи ОС, включающие в контура большое число элементов, то для контроля такой схемы методом СА требуется предусматривать дополнительные аппаратные средства, например переключатели, размыкающие ОС на период контроля схемы (переключатель «Тест – Работа» на Рис. 12.8). Разумеется, что и при получении эталонных сигнатур на заведомо исправных системах эти переключатели так же должны быть разомкнуты.

МПС в целом охвачена цепью ОС по контуру программного управления. Для применения СА достаточно иметь возможность в режиме тестирования отключать шину данных от входа МП.

В качестве теста для получения сигнатур может применяться как специально написанная программа, так и какая-нибудь программа пользователя, если она, по мнению разработчика, использует в достаточной мере все устройства МПС. Тестовая программа может помещаться в специальном ПЗУ или в свободной области системного ПЗУ. Тестирование с помощью " встроенного" теста возможно лишь при исправном ядре МПС, причем сам СА в этом случае может быть " пассивным" - содержать только сумматор по модулю 2, сдвиговый регистр и индикатор.

При необходимости полного контроля МПС требуется т.н. " активный СА", содержащий, помимо перечисленного выше, генератор тестовых последовательностей. Схема испытания МПС с помощью такого прибора показана на Рис. 12.9.

Обычно активный СА подключают к МПС прямо через панельку удаленного МП. При этом проблема размыкания цепей ОС по шине данных решается автоматически. Если снабдить активный СА средствами хранения эталонов и сравнения, то процесс контроля можно автоматизировать. Действительно, тестовое воздействие, а следовательно, и " окно" вырабатывается самим СА. Сигнатуры в точках МПС можно снимать не прибегая к помощи зонда, т.к. эти цепи заведены в прибор по тому же кабелю, по которому выдаются тестовые воздействия.

12.5.

Системы проектирования МПС

Важной особенностью МПС является неразрывная связь аппаратуры, программного (микропрограммного) обеспечения и объекта управления. Поэтому никакие действия по отладке ПО в рамках кросс-средств, отладки аппаратуры методами статического и динамического тестирования не позволяют считать, что МПС полностью отлажена и готова к эксплуатации. Для МПС нельзя говорить о работоспособности аппаратуры без испытания ее с помощью рабочих программ или о готовности ПО без испытания его на реальной аппаратуре.

Важнейшим этапом разработки МПС является совместная отладка аппаратуры и ПО (МПО). Для такой отладки используются специальные технические и программные средства, которые обеспечивают организацию взаимодействия макета разрабатываемого изделия и отлаживаемых программ (микропрограмм).

Рис. 12.9. Применение активного СА

Для этого необходимо: 1) передавать объектные коды программ (микропрограмм), полученные с помощью кросс-средств, на шину данных системы в заданном формате и последовательности, определяемой ходом процесса отладки; 2) фиксировать реакции (состояния) МПС; 3) индицировать последовательность состояний МПС в удобной для оператора форме.

Обычные ЛА обладают подобными возможностями (может быть кроме первой), но они не позволяют модифицировать объектные коды - ЛА не предназначены для отладки программ. Поэтому ЛА обычно выступают как составная часть более мощных приборов (систем), предназначенных для совместной отладки аппаратных и программных средств МПС.

Существует довольно широкий спектр таких систем различной " мощности", реализованных на базе микро-ЭВМ (ПЭВМ) с подключением дополнительных блоков: ЛА, внутрисхемных эмуляторов (ВСЭ), программаторов ППЗУ и др. Они получают различные названия: " отладочные комплексы", " комплексы развития", " прототипные комплекты" и др. Назовем обобщенно системы подобного типа " системами проектирования МПС" (СПМ).

Первые СПМ были ориентированы только на отладку ПО и снабжались соответствующими кросс-средствами и сервисными программами. Они обеспечивали:

· ввод, редактирование и хранение на внешнем накопителе программ разрабатываемой МПС;

· трансляцию этих программ с выдачей соответствующих листингов и получение объектных кодов программ;

· подготовку и выдачу объектных модулей в соответствующих форматах на внешнее ЗУ, перфоленту или на программатор ППЗУ.

Отладка аппаратуры МПС и испытание программ на макете проектируемой МПС проводилось автономно - например, с помощью ЛА.

Для отладки аппаратуры МПС в реальном времени создавались т.н. " внутрисхемные эмуляторы". Эти приборы фактически эмулируют поведение микропроцессора отлаживаемой МПС, а, кроме того, предоставляют ряд дополнительных возможностей при отладке: доступ к внутренним регистрам МП, организация пошагового и потактового режима, фиксацию пос

⇐ Предыдущая 11 12 13 14 15 16 17 18 1920