Министерство образования и науки
Российской федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
“Московский государственный институт
радиотехники, электроники и автоматики
(технический университет)”
КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИКА ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ
Методические указания по выполнению курсовых работ
Направление 230100
«Информатика и вычислительная техника»
магистерская программа 230100.06
«Элементы и устройства вычислительной техники
и информационных систем»
Москва 2011
Составитель:
Редактор:
Методические указания предназначены для магистрантов направления 230100 «Информатика и вычислительная техника», магистерская программа 230100.06 «Элементы и устройства вычислительной техники и информационных систем» для выполнения курсовых работ по дисциплине «Контроль и диагностика цифровых устройств».
Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.
Рецензенты: ,
© МИРЭА, 2011
Введение
В системе самостоятельной работы магистрантов, обучающихся по магистерской программе 230100.06 «Элементы и устройства вычислительной техники и информационных систем» в рамках направления 230100 «Информатика и вычислительная техника», важное место отводится выполнению курсовых работ. Курсовая работа является индивидуальной научной работой магистранта. Выполнение курсовой работы представляет собой самостоятельный анализ магистрантом под руководством преподавателя какой-либо частной задачи или проведение исследования, освещающего один из вопросов изучаемой дисциплины, завершающееся публичной защитой полученных результатов. Курсовая работа по дисциплине «Контроль и диагностика цифровых устройств» выполняется магистрантами на втором курсе обучения и служит для закрепления, углубления и обобщения полученных знаний, а также выработки умения самостоятельно применять эти знания для творческого решения конкретных практических или теоретических задач.
Целью выполнения курсовой работы является получение представления о принципах контроля и диагностирования цифровых устройств; знаний о современных методах и средствах диагностирования, методиках проектирования тестопригодных логических схем; умений использовать схемы самотестирования, встроенного тестирования и встроенного поблочного диагностирования цифровых устройств; опыта применения полученных знаний для проектирования цифровых устройств с использованием диагностических средств.
Основная задача при написании курсовой работы заключается в овладении основными методами проектирования тестопригодных цифровых устройств; умении учитывать архитектурные и схемотехнические особенности при проектировании диагностического обеспечения; знании методологии, маршрутов проектирования и специфики основных этапов создания средств контроля и диагностики с использованием систем автоматизированного проектирования.
Этапы выполнения курсовой работы включают подбор и ознакомление с литературой, анализ возможных структурных решений и выбор конечного варианта, синтез функциональной схемы и перевод ее на конкретную элементную базу, построение временных диаграмм, оценку быстродействия, выполнение графической части, оформление расчетно-пояснительной записки. Желательно, чтобы курсовая работа включала в себя этапы экспериментальной проверки и исследования, анализ разработанных решений на контролепригодность.
В процессе выполнения курсовой работы предусматривается широкое использование ЭВМ.
1. Тематика курсовых работ
Тематика курсовых работ в основном связана со следующими направлениями в области контроля и диагностики цифровых устройств, с которыми необходимо ознакомиться перед выполнением индивидуального задания:
1.Тестовое диагностирование в цифровой технике.
Генерация тестов. Реализация тестового диагностирования. Необходимость проектирования тестопригодных схем. Методы проектирования тестопригодных схем.
2. Методы тестирования и генерации тестов.
Исчерпывающее и компактное тестирование. Вероятностное тестирование. Детерминированные методы генерации тестов. Управляемость и наблюдаемость схем при тестировании.
3. Функциональное диагностирование цифровых устройств.
Общие сведения о функциональном диагностировании. Общий метод синтеза средств встроенного контроля для дискретных устройств.
4. Методы проектирования схем со встроенными функциями самотестирования.
Особенности использования метода сквозного сдвигового регистра LSSD. Реализация встроенного самотестирования на основе метода BILBO.
5. Метод сигнатурного анализа.
Сжатие информации. Принцип действия сигнатурного анализатора. Построение сигнатуры. Методика поиска неисправностей с помощью сигнатурного анализатора.
6. Метод периферийного сканирования.
Интерфейс JTAG и периферийное сканирование. Структура аппаратных средств интерфейса JTAG. Порядок операций при периферийном сканировании.
7. Методы производственного тестирования.
Способы отладки и диагностика на прототипе. Контрольные точки и диагностические выводы. Встроенные средства анализа сигналов и самотестирования. Диагностика редких и уникальных сбоев.
Тестовое диагностирование в цифровой технике. Главной целью тестового диагностирования цифровых схем на уровне кристалла, печатной платы или системы является обнаружение неисправностей элементов схемы, вызываемых дефектами процессов производства, неблагоприятными эксплуатационными факторами или механизмами старения. Второй целью тестирования является определение места и причины дефекта с достаточной точностью и достоверностью. Этот вид тестового диагностирования включает в себя как проверку исправности, так и локализацию места неисправности.
Традиционный подход к проектированию и верификации означает, что проектирование начинается с разработки спецификации на систему в целом с последующим разбиением системы сначала на крупные, а затем на меньшие блоки, реализуемые на уровне RTL-описания. Далее каждый блок проектируется и верифицируется отдельно с последующим объединением в более крупные блоки и их верификацией. На этом этапе проверяется, соответствует ли функционирование каждого блока его спецификации. Процесс завершается интеграцией системы в целом и ее функциональной системной верификацией.
Второй подход заключается в изменении самой методики верификации, а именно – в переносе соответствующих процедур верификации на более ранние этапы проектирования. Это, как правило, подразумевает создание системных тестов, моделирование на уровне транзакций, верификацию интерфейсов различных подсистем одновременно с их проектированием, т. е. возможность верификации системы, отдельные блоки которой представлены на разных уровнях абстракции. Чаще всего оптимальное решение заключается в комбинации обоих названных подходов.
Поскольку более половины времени верификации тратится на поиск неисправностей и их причин, очень важно иметь мощные отладочные инструменты. Они должны обеспечивать наблюдение и анализ моделируемых функций независимо от границ между системами верификации и различными уровнями абстракции.
Методы проектирования схем со встроенными функциями самотестирования. Проблема тестируемости в СБИС осложнена нехваткой внешних выводов корпуса микросхемы для управляемости и наблюдаемости. Для решения проблемы используют специальные методы проектирования СБИС. Методы сканирования основаны на объединении триггеров, имеющихся в схеме или специально вводимых в нее, в один или несколько сдвигающих регистров, управляющих состоянием схемы и управляемых через последовательный вход. Методы самотестирования (BIST - Built-In Self-Test), основаны на встраивании в кристалл генераторов тестовых наборов и схем, сжимающих результаты проверки основной части СБИС при этих тестовых наборах.
Наиболее важной проблемой при проектировании СБИС является обеспечение контролепригодности и самотестируемости. Связано это с ограниченным числом выводов и невозможностью доступа ко всем узловым точкам проектируемой СБИС. Требование управляемости и наблюдаемости может быть выполнено на основе технологии так называемого сквозного сдвигового регистра LSSD. Требование по самотестируемости может быть удовлетворено на основе технологии BILBO.
Существуют две основные особенности, характеризующие принцип проектирования схем на основе метода сканирования, чувствительного к уровню тактового сигнала (метод LSSD).
Первая заключается в том, что состояния схемы изменяются под управлением уровня тактового сигнала, а не его фронта. Кроме того, установившееся состояние выхода как реакция на изменения значений состояний первичных входов не зависит от разброса задержек сигналов при распространении их через элементы схемы и ее внутренние соединения. Выходная реакция схемы не зависит также от порядка переключения входных переменных в случае одновременного изменения нескольких переменных. Это свойство «чувствительности к уровню» заложено с целью уменьшения зависимости схемы от ее изменяющихся параметров, таких, как время переключения элементов, задержки распространения сигналов или другие дефекты, которые могут создать условия для гонок или состязаний. Следовательно, в общем случае уменьшается влияние возможных физических дефектов, которые вызывают появление неисправностей динамического типа.
Вторая особенность метода LSSD заключается в том, что схема обладает свойством сканируемого пути. На рис.1 показан вариант использования сдвигово-регистрового триггера-защелки при реализации метода LSSD, называемый структурой с одноступенчатым триггером-защелкой.
Рис.1
Метод встроенного поблочного диагностирования логических схем (BILBO— Built-In Logiс Block Observation) сочетает элементы сигнатурного анализа с проектированием на основе методологии сканирования. Рассмотрим возможность реализации непосредственно в устройстве процедуры сбора и анализа данных для того, чтобы в нем обеспечивалось свойство полного самотестирования с помощью встроенных средств. Это можно осуществить введением в устройство формирователей сигнатур на сдвиговых регистрах с линейной обратной связью. При этом следует решить, где размещать эти регистры и сколько их необходимо иметь. Одно из решений состоит в использовании таких регистров для каждой вторичной переменной и соответствующей ей обратной связи (рис.2); другие — в реализации для элементов памяти схемы дополнительной возможности сканирования данных и в использовании только одного сдвигового регистра с обратной связью (рис.3).
Рис.2
Рис.3
Универсальный элемент BILBO можно использовать как в схемах со сканированием данных, так и в самотестируемых схемах на основе сигнатурного анализа. Элемент способен выполнять, несколько различных функций в соответствии со значениями сигналов на двух входах, управляющих режимами работы. По существу, элемент BILBO представляет собой многорежимный сдвиговый регистр с дополнительными возможностями использования линейной обратной связи.
Элемент BILBO можно использовать в схемах, реализующих метод сканирования LSSD, в качестве сдвигового регистра в структуре при условии, что приняты меры для исключения состязаний.
На рис.4 показано, как можно использовать элементы BILBO для построения самотестируемых схем, основанных на применении сигнатурного анализа. Для упрощения схемы шины управления, системных тактовых импульсов, сброса и установки не приведены.
Схема состоит из следующих компонентов: В1 — элемент схемы BILBO, используемый как генератор псевдослучайных тестовых воздействий; В2 — другой элемент схемы BILBO, который обычно в режиме нормального функционирования является частью всего устройства, но в режиме тестирования функционирует как многоканальный анализатор, принимающий двоичные данные и формирующий сигнатуры входных последовательностей.
Рис.4
Сигнатурный анализ. Термин «сигнатурный анализ» используется для описания метода тестового диагностирования, основанного на анализе сигнатур схемы с помощью управляемого пробника для поиска неисправностей, которые проявились в функционирующем устройстве. Основные особенности схемы, которая спроектирована согласно требованиям сигнатурного анализа, отражены на рис.5. Для этой схемы характерны две особенности. Первая состоит, в том, что источник тестовых воздействий является блоком, встроенным в устройство. Этот блок может быть некоторым вариантом счетчика, генерирующего псевдослучайные тестовые наборы, или ПЗУ, содержащим детерминированные тесты. Вторая особенность структуры — возможность разрыва всех цепей внутренней глобальной обратной связи (наличие переключателей, навесных перемычек, буферных элементов с третьим состоянием).
В режиме тестирования на устройство подаются тестовые наборы и разрываются цепи глобальной обратной связи. Как реакция на приложение этих тестовых наборов в каждом узле схемы появляются соответствующие последовательности из 0 и 1. В соответствии со специфицированной принципиальной схемой или структурной схемой ее неисправностей проверяется исправность узлов с помощью пробника, продвигаясь от выхода схемы до тех пор, пока не будет поставлен четкий диагноз. Таким способом можно локализовать неисправность, отремонтировать устройство на месте и вернуть его в рабочее состояние.
Рис.5
Рассмотрим требования, предъявляемые к генератору тестов. На практике не всегда тестовые воздействия устанавливают активизированный путь к выходам схемы. В упрощенном варианте — это множество входных наборов, приложение которых к первичным входам вызывает изменение логических значений на каждом узле схемы, по меньшей мере один раз. Это свойство называют необходимым условием тестирования. Применение генератора псевдослучайных тестовых воздействий предпочтительнее детерминированных. Множество детерминированных тестов получают аналитическим путем и проверяют, чтобы возбуждался определенным образом каждый узел схемы. Множество псевдослучайных тестов — это просто повторяющаяся последовательность случайных изменений входных сигналов, которые могут распространяться до некоторого внутреннего узла, вызывая его возбуждение, что в общем случае не гарантируется. Детерминированные тесты получены из условий проявления константных неисправностей на всех узлах схемы и транспортировки этих неисправностей через схему к наблюдаемому первичному выходу. Альтернативным вариантом генерации тестов является использование 4-разрядного суммирующего счетчика. Генерации псевдослучайных тестов уделяют много внимания как теоретики, так и практики. Привлекательность этого метода — простота, с которой можно получить большое число тестовых наборов. Основная проблема метода заключается в неопределенности точного уровня покрытия неисправностей генерируемыми местами. Эту неопределенность можно было бы устранить путем моделирования, стоимость которого, однако, с ростом числа тестовых наборов очень быстро становится чрезвычайно высокой.
Единственная область, где успешно применяются методы псевдослучайного тестирования, — это чисто комбинационные схемы. Для комбинационных схем большой размерности, где невозможно осуществлять исчерпывающее тестирование, приемлемая методика генерации тестов заключается в первоначальном использовании небольшого числа псевдослучайных тестов и оценки уровня покрытия неисправности этими тестами и последующим применением детерминированных методов генерации, таких, как D-алгоритм. Псевдослучайные последовательности, подаваемые в комбинационные схемы, обладают полезными свойствами: способны обнаруживать неисправности и представлять собой реальные тестовые воздействия. Из этого следует, что псевдослучайные последовательности могут служить полезными сигналами, симулирующими возбуждение узлов схемы. Это означает, что генераторы псевдослучайных последовательностей могут быть использованы в качестве встроенных источников тестовых воздействий для схем, разработанных под стандарты сигнатурного анализа. Теперь возникает вопрос о том, как можно генерировать псевдослучайные последовательности. Существует множество решений, и одно из них — использование сдвигового регистра с линейной обратной связью. На рис.6 представлена простая схема такого сдвигового регистра и показана псевдослучайная последовательность, генерируемая тактируемым сдвиговым регистром.
Рис.6
Применительно к сигнатурному анализу генератор, подобный представленному на рис.6, можно использовать как источник тестовых воздействий для схемы на рис.5. При условии наблюдаемости выходов элементов памяти (У на рис.5) и возможности разрыва цепей обратной связи схема в режиме тестирования разделяется на комбинационную часть и тактируемые элементы памяти. При выполнении этих условий генератор псевдослучайных последовательностей может служить эффективным источником тестовых воздействий.
Рассмотрим теперь возможность реализации непосредственно в устройстве процедуры сбора и анализа данных для того, чтобы в нем обеспечивалось свойство полного самотестирования с помощью встроенных средств. Это можно осуществить введением в устройство формирователей сигнатур на сдвиговых регистрах с линейной обратной связью. При этом следует решить, где размещать эти регистры и сколько их необходимо иметь. Одно из решений состоит в использовании таких регистров для каждой вторичной переменной и соответствующей ей обратной связи (рис.7).
Рис.7
2. Требования к содержанию курсовой работы
Курсовая работа должна содержать следующие структурные элементы:
- титульный лист;
- задание на выполнение курсовой работы;
- аннотацию;
- содержание;
-перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц, терминов;
- введение;
- основную часть;
- заключение;
- список использованных источников;
- приложения.
Общий объем курсовой работы определяется руководителем с учетом особенностей конкретной работы, но не должен быть менее 25 листов и более 35 листов. Примерный объем в машинописных страницах составляющих курсовой работы представлен в табл.1.
Таблица 1
Рекомендуемый объем элементов курсовой работы
Наименование частей работы | Количество страниц |
Титульный лист | 1 |
Задание | 1 |
Аннотация | 1–2 |
Содержание (с указанием страниц) | 1 |
Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц, терминов | 1–2 |
Введение | 2–3 |
Основная часть | 25–30 |
Заключение | 1–2 |
Список использованных источников | 1–2 |
Приложения | Без ограничений |
Титульный лист курсового проекта (работы) оформляется по установленному образцу, приведенному в приложении 1. Типовая форма задания на выполнение курсовой работы приведена в приложении 2.
Аннотация курсовой работы представляет собой краткое изложение содержания всего проекта с основными выводами и рекомендациями. Она должна в краткой форме (объем до двух машинописных страниц) раскрывать обоснование актуальности выбранной темы, цель работы, объект исследования, методы исследования, характеристику основных этапов работы, полученные результаты, их новизну и практическую значимость, возможность внедрения и рекомендации по применению, эффективность проектных решений. Также в аннотации следует отразить данные об объеме работы, количестве рисунков, таблиц, приложений, использованных источников.
В содержании приводятся наименования структурных частей работы, глав и параграфов его основной части с указанием номера страницы, с которой начинается соответствующая часть, глава, параграф.
В перечне сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов приводятся используемые в курсовом проекте (работе) малораспространенные сокращения, условные обозначения, символы, единицы измерения и специфические термины. Если в перечне отсутствуют специфические термины или единицы измерения или условные обозначения, то данный элемент не приводится.
Во введении дается общая характеристика курсовой работы: обосновывается актуальность выбранной темы; определяется цель работы и задачи, подлежащие решению для её достижения; описываются объект и предмет исследования, используемые методы и информационная база исследования, а также кратко характеризуется структура работы по главам.
При обосновании актуальности темы студент должен показать, что несмотря на имеющиеся материалы по выбранной проблеме, научные знания и практические решения в данной области еще недостаточны, устарели или отсутствуют; что ранее таких исследований либо не выполнялось, либо не были учтены определенные аспекты, либо необходимо продолжить разработки, принимая во внимание новые условия, критерии, возможности и т. д. В результате обоснования актуальности темы должна быть сформулирована проблема исследования и очерчен круг вопросов, необходимых для ее решения.
Основная часть должна содержать материал, необходимый для достижения цели курсовой работы и решения задач в процессе проектирования. Как правило, она включает в себя две главы, каждая из которых, в свою очередь, делится на 2–3 параграфа. Содержание основной части должно точно соответствовать теме работы и полностью ее раскрывать. Главы и параграфы курсовой работы должны содержать описание решения поставленных во введении задач. Поэтому заголовки глав и параграфов должны соответствовать формулировкам задач работы.
Обязательным для курсовой работы является логическая связь между главами и последовательное развитие основной темы на протяжении всей работы, самостоятельное изложение материала, критический подход к изучаемым данным, проведение необходимого анализа, аргументированность выводов, обоснованность предложений и рекомендаций. Также обязательным является наличие в основной части курсовой работы ссылок на использованные источники.
Первая глава носит теоретический характер. В ней на основе изучения работ отечественных и зарубежных авторов излагается сущность исследуемой проблемы, рассматриваются различные подходы к ее решению, дается их критический анализ и оценка, обосновываются собственные позиции студента. Эта глава служит теоретическим обоснованием практической части курсовой работы. Название первой главы должно отражать содержание материала, изложенного студентом для разработки теоретической базы своей исследовательской работы.
В первой главе должны быть описаны методы и пути их реализации по контролю и диагностике цифровых систем, относящиеся к практической части курсовой работы. Некоторые из этих методов описаны в начальной части данных методических указаний. Необходимо сделать обзор существующих решений на основе научных книг, статей, материалов конференций и интернет источников. Можно также осветить изменения изучаемой проблемы за более или менее длительный период с целью выявления основных тенденций и особенностей ее развития.
Вторая глава носит практический характер. В ней дается конкретное решение поставленной задачи, приводятся схемы встроенных блоков контроля и диагностики, а также приводится функциональная схема диагностируемого объекта. Схемы должны быть в тексте в виде иллюстраций и в приложении в виде технической документации, включая спецификации.
В заключении логически последовательно излагаются теоретические выводы и практические предложения, к которым пришел студент в результате выполнения работы. Заключение должно кратко характеризовать решение всех поставленных во введении задач и достижение цели курсовой работы.
Список использованных источников является составной частью работы и отражает степень изученности рассматриваемой проблемы. Количество источников в списке определяется студентом самостоятельно, для курсовой работы их рекомендуемое количество от 15 до 30. При этом в списке обязательно должны присутствовать источники, изданные в последние 3 года.
В приложения следует вносить вспомогательный материал, который при включении в основную часть работы загромождает текст (таблицы вспомогательных цифровых данных, инструкции, методики, структурные и функциональные схемы).
Приложение 1
Образец титульного листа
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»
Факультет ИТ
Направление 230100
«Информатика и вычислительная техника»
магистерская программа 230100.06
«Элементы и устройства вычислительной техники
и информационных систем»
КУРСОВАЯ РАБОТА
по курсу: «Контроль и диагностика цифровых устройств»
Тема: «____________________________________________________»
(название темы)
Выполнил(а):студент(ка) ____________________ ________________________
(подпись) (инициалы, фамилия)
группы
Руководитель проекта
(ученая степень, ________________ ______________________
звание, должность) (подпись) (инициалы, фамилия)
Допустить к защите «___»__________ 20_ г.
________________ _________________________
(подпись) (инициалы, фамилия)
Москва - 20_ г.
Приложение 2
Образец оформления задания
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»
Факультет ИТ
Направление 230100
«Информатика и вычислительная техника»
магистерская программа 230100.06
«Элементы и устройства вычислительной техники
и информационных систем»
ЗАДАНИЕ на курсовую РАБОТУ
студента(ки)____________курса, ______________группы, ___________формы обучения
___________________________________________________________________________
(имя, отчество, фамилия)
Тема курсовой работы________________________________________________________
___________________________________________________________________________
Структура работы____________________________________________________________
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
Базовая литература __________________________________________________________
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
Срок сдачи студентом работы: «___» __________20 _ г.
Дата выдачи задания: «___»_____________ 20 __ г.
Руководитель курсовой работы
________________________ _______________________ _______________________
(ученая степень, звание) (личная подпись) (инициалы, фамилия)
Задание принял к исполнению ______________________ ______________________
(личная подпись) (инициалы, фамилия)
Методические указания напечатаны в авторской редакции
Подписано в печать 00.00.2007. Формат 60х84 1/16.
Бумага офсетная. Печать офсетная.
Усл. печ. л.00,00 Усл. кр.-отт. 00,00. Уч.-изд. л. 00,00
Тираж 000 экз. С 00
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
“Московский государственный институт радиотехники,
электроники и автоматики (технический университет)”
119454, Москва, пр. Вернадского, 78
