Міністрества ЗАГАЛЬНОГО та професійно ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

___________________________________________________________

Казанського державного університету

Фізичний факультет

Кафедра радіофізики

ДИПЛОМНА РОБОТА

Обучающая система методам компактної діагностики.

Виконавець: студент гр.644

Кім В.Л.

Керівник: ст. викладач каф. р/ф

Таюрская Г.В.

Казань - 1999 р.

Зміст.
Введення. 4
Глава 1.
Огляд методів компактного тестування і типи несправностей цифрових схем.

1.1 Класифікація методів стиснення вихідних реакцій схем. 5

1.2 Типи несправностей цифрових схем. 10

1.3 Генератори тестових послідовностей. 12
Глава 2.
Практична реалізація системи навчання методам компактного тестування.

2.1 Реалізація графічного інтерфейсу. 17

2.2 Розробка та реалізація алгоритму моделювання цифрових схем, що дозволяє моделювати ЦС різної складності, які використовують різні елементні бази. 19

2.3 Реалізація алгоритму, що моделює роботу генераторів тестових послідовностей: 23

. генератор счетчіковой послідовності;

. генератор М-послідовності;

2.4 Розробка та реалізація модуля моделює алгоритм діагностики з використанням компактних методів тестування: 24

. сигнатурний аналізатор;

. метод рахунку одиниць;

2.5 Блок пошуку несправностей; 28

2.6 Визначення оцінки ефективності методу сигнатурного аналізу і методу рахунку одиниць. 31

. Достовірність сигнатурного аналізу.

. Достовірність методу рахунку одиниць.
Глава 3.
Опис програми 35
Експериментальна частина. 38
Висновок. 42
Література. 43
Додаток 44

Введення.

Неухильне зростання складності приладів обумовлює підвищений інтерес допитань діагностування їх технічного стану. Однією зрізновидів методів технічного діагностування апаратури єтестова діагностика, що дозволяє на етапі проектування і виготовленнявирішувати основні завдання: визначати правильність функціонування,здійснювати пошук несправностей і визначати тип несправності. Дляреалізації цих задач потрібно інтенсифікація підготовки фахівців зобчислювальної техніки та технічної діагностики, що володіють методикоюдослідження та проектування складних цифрових систем з використаннямсучасних методів технічної діагностики.
Основним завданням дипломної роботи є розробка автоматизованоїсистеми навчання діагностики складних цифрових схем, що дозволяє детальнознайомити студентів з практичними можливостями використання сучаснихметодів компактного тестування.
Вона повинна являти собою програму, яка включає в себе:
> Модуль, що реалізує графічний інтерфейс. Обмін графічноїінформацією між користувачем і ЕОМ повинно здійснюватися у формі діалогу;
> Модуль, що реалізує логічне моделювання цифрових схем;
> модуль, що моделює роботу генераторів тестових послідовностей;
> Блок, що моделює процес діагностики. У нього входить: блок моделює роботу багатоканального сигнатурного аналізатора, блок відображення та обробки отриманих даних, блок пошуку несправностей;
> Блок, що реалізує алгоритм визначення оцінки ефективності діагностики при використанні компактних методів діагностики.

Глава1.
Огляд методів компактного тестування і типи несправностей цифрових схем.

1.1 Класифікація методів стиснення вихідних реакцій схем.

Класична стратегія тестування цифрових схем заснована наформуванні тестових послідовностей, що дозволяють виявлятизадані безлічі їх несправностей. При цьому для проведення процедуритестування, як правило, зберігаються як самі послідовності, так іеталонні вихідні реакції схем на їх вплив. У процесі самоїпроцедури тестування на підставі порівняння вихідних реакцій з еталоннимиприймається рішення про стан перевіряється схеми.

Для ряду випускаються в даний час схем класичний підхід вимагаєчасових витрат як на формування тестових послідовностей, так і напроцедуру тестування. Крім того на проведення тестового експериментупотрібна наявність складного обладнання. У зв'язку з цим вартість і час,необхідні для реалізації класичного підходу, ростуть швидше, ніжскладність цифрових схем, для яких він використовується. Тому новірішення, що дозволяють значно спростити як процедуру побудовигенераторів тестових послідовностей, так і проведення тестовогоексперименту.

Для реалізації генератора тестової послідовності використовуютьсяалгоритми, що дозволяють уникнути складності їх синтезу:

1. Формування різноманітних тестових наборів, тобто повного перебору двійкових комбінацій. У результаті генерується так звана счетчіковая послідовність.

2. Формування випадкових тестових наборів з необхідними ймовірності появи одиничного і нульового символів по кожному входу цифрової схеми.

3. Формування псевдовипадковою тестової послідовності.

Основною властивістю розглянутих алгоритмів формування тестовихпослідовностей є те, що в результаті їх застосуваннявідтворюються послідовності дуже великої довжини. Тому на виходахперевіряється цифрової схеми формуються її реакції, що мають таку ж довжину.
Природно виникає проблема їх запам'ятовування, зберігання і витрата наобробку цих послідовностей. Найпростішим рішенням, що дозволяєзначно скоротити об'єм інформації про еталонних вихіднихреакціях є одержання інтегральних оцінок, що мають меншурозмірність. Для цього використовуються алгоритми стиснення інформації.

В результаті їх застосування формуються компактні оцінки стисливоюінформації. Розглянемо алгоритми стиснення даних для випадку бінарноїпослідовності (y (k)), що складається з l послідовно формуютьсядвійкових змінних.

псевдовипадкове тестування.

Найбільш часто при формуванні псевдовипадкових послідовностейвикористовуються два методи. Перший з них лежить в основі більшостіпрограмних датчиків псевдовипадкових чисел, використовує рекурентніспіввідношення. Цей метод має низку недоліків, зокрема, малоїперіодичністю. Стосовно до проблеми тестування цифрових схемперіодичність може помітно знизити повноту контролю. Крім того, вінвідрізняється складністю практичної реаліза-ції. Тому найбільш широко застосовується другий метод, заснований навикористанні співвідношення

К - номер такту; - символи послідовності;

- постійні коефіцієнти; - операція підсумовування за модулемдва m логічних змінних. При відповідному виборі коефіцієнтів
на підставі характеристичного полінома

, який повинен бути примітивним, послідовність має максимальнудовжину, що дорівнює 2м-1. Така послідовність називається М -послідовністю.

Використання таких послідовностей припускає застосуваннясигнатурного аналізу як методу стиснення реакцій цифрової схеми.

Типова структурна схема сигнатурного аналізатора складається з регістразсуву і суматора за модулем два, на входи якого підключені виходирозрядів регістра відповідно до породжує поліномом (рис.1.1).

Керуючими сигналами сигнатурного аналізатора є СТАРТ, СТОП і
ЗСУВ. Сигнали СТАРТ і СТОП формують часовий інтервал, протягомякого здійснюється процедура стиснення інформації на аналізаторі. Піддією сигналу СТАРТ елементи пам'яті регістра зсуву встановлюються впочатковий стан, як правило нульове, а сам регістр зсуву починаєвиконувати функцію зсуву на один розряд в право під дієюсинхронізуючих імпульсів ЗСУВ. По приходу кожного синхронізуючогоімпульсу в перший розряд регістра зсуву записується інформація,відповідна висловом:

де y (K) (0,1)-к-й символ стисливою послідовності (y (K)),
К =; - коефіцієнти породжує полінома; - вмістi-того елемента пам'яті регістра зсуву 1 в (к-1) такт. Процедура зсувуінформації в регістрі описується співвідношенням

Таким чином, повне математичний опис функціонуваннясигнатурного аналізатора має такий вигляд: АI (0) = 0, i =, a1 (k) = y (k) (1.3)

k =, причому l, як правило, приймається рівним або менше величини ( 2м-1),і відповідно є довжиною стисливою послідовності.

Після закінчення l тактів функціонування сигнатурного аналізатора на йогоелементах пам'яті фіксується двійковий код, який являє собоюсигнатуру, відображену у вигляді 16-ричного коду.

синдромних тестування.

Синдромом (контрольною сумою) якоїсь булевої функції n зміннихє співвідношення

S = R5/2n,

Де R5 дорівнює кількості одиничних значень функції згідно з таблицеюістинності для l = 2n. Визначення поняття синдрому однозначно припускаєвикористання генератора счетчікових послідовностей для формуваннявсіляких двійкових комбінацій з n вхідних змінних при тестуваннісхеми, що реалізує задану функцію. Подальшим розвитком синдромнихтестування є спектральний метод оцінки вихідних реакцій цифровихсхем і кореляційний метод.

2. Типи несправностей цифрових схем.

Проблема тестового діагностування цифрових схем виникає нарізних етапах їх виробництва та експлуатації і включає взаємопов'язанізавдання. Перша з них полягає у визначенні, в якому станізнаходиться досліджувана схема.

Основним станом цифрової схеми є справний - такий стансхеми, при якому вона задовольняє всім вимогам технічноїдокументації. В іншому випадку схема знаходиться в одному з несправнихстанів.

Якщо встановлено, що схема несправна, то вирішується друге завдання:здійснюється пошук несправної схеми, мета якого-визначення місця івиду несправності.

Несправності ЦС з'являються в результаті застосування несправнихкомпонентів, таких, як логічні елементи, що реалізують найпростішілогічні функції, елементи пам'яті та ін крім того, причиноюнесправностей можуть бути виникнення розривів або коротких замикань вмежкомпонентних з'єднаннях, порушення умов експлуатації схеми, наявністьпомилок при проектуванні і виробництві та ряд інших факторів.

З безлічі різних видів несправностей виділяється клас логічнихнесправностей, які змінюють функції елементів ЦС вказаний типнесправностей займає домінуюче місце серед несправностей ЦС. Для їхопису в більшості випадків використовують такі математичні моделі:

. Константні несправності;

. Несправності типу «Коротке замикання»;

. Інверсні несправності;

. Найбільш загальною і часто застосовується моделлю логічних несправностей є константні несправності: константних нуль і константниходиниця, що означає наявність постійного рівня логічного нуля абологічної одиниці на одному з полюсів логічного елемента. Така модельнесправностей часто називається класичної і широко використовується дляопису інших типів несправностей. Несправності типу «Короткийзамикання »з'являються при короткому замиканні входів і виходів логічнихелементів.

інверсні несправності описують фізичні дефекти ЦС, що призводять допояви фіктивного інвертора по входу або з виходу логічного елемента.
Інверсні несправності в сукупності з константними, у ряді випадківвикористовуються для побудови повної моделі несправної цифрової схеми.

1.3 Генератори тестових послідовностей.

Класична стратегія тестування цифрових схем заснована наформуванні тестових послідовностей, що дозволяють виявлятизадані безлічі їх несправностей. Для реалізації генератора тестовоїпослідовності бажано використовувати найпростіші методи, що дозволяютьуникнути складної процедури їх синтезу. До них відносяться наступніалгоритми:
> формування всіляких тестових наборів, тобто повного перебору двійкових комбінацій. В результаті застосування такого алгоритму генеруються счетчіковие послідовності;
> формування псевдовипадкових тестових послідовностей;
> формування випадкових тестових наборів, з необхідними ймовірностями одиничного і нульового символів по кожному входу цифрової схеми.

Основною властивістю перерахованих вище алгоритмів є те, що врезультаті їх застосування відтворюються послідовності дуже великийдовжини.

Для процесу навчання були обрані два перших алгоритму побудовигенераторів тестових послідовностей. І розроблені два модулі дляемуляції роботи генераторів: модуль емуляція генератора счетчіковой послідовності; модуль емуляції роботи багатоканального генератора М -послідовності, що дозволяє генерувати псевдовипадковупослідовність і порівняно просто регулювати її максимальнудовжину і кількість каналів в залежності від числа входів цифрової схеми.

Генератор М-послідовності.

У апаратурних псевдовипадкових датчиках і вузлах ЕОМ при генеруванні
ПСЧП з рівномірним розподілом найбільш часто використовується метод,який полягає в отриманні лінійної двійковій послідовності порекурентного висловом:

де i - номер такту; символи вихідний послідовності;
постійні коефіцієнти. При відповідному виборі коефіцієнтів ((до)генерується числова послідовність має максимальну (для даного m)величину періоду і називається М-послідовністю. Одним з головнихпереваг методу генерування ПС - послідовностей максимальноїдовжини є простота його реалізації.

Генератор М-послідовності може бути побудований двома методами,відрізняються способом включення суматори за модулем два: вони можутьвключатися як в ланцюг зворотного зв'язку генератора, так і в меж розряднізв'язки елементів пам'яті регістрів зсуву.

Структурна схема генератора М - послідовності, побудованого заспособу включення суматори в ланцюг зворотного зв'язку представлена на рис.1.1
Генератор М-послідовності з суматора за модулем два, які стоять в ланцюзізворотного зв'язку: АI, ai-1, ai-2, ... ai-m - символи послідовності; (i --коефіцієнти, які визначають вигляд зворотного зв'язку.

Алгоритм розмноження М-послідовності.

Для того, щоб забезпечити різні режими випробувань, генераторидосліджуваних сигналів повинні задовольняти ряду вимог (багатоканальність,швидкодію, достатня довжина періоду і т.д.). В основі найбільшперспективного методу побудови швидкодіючого паралельногогенератора псевдовипадкових послідовностей випробувальних сигналів лежитьідея використання (в якості незалежних послідовностей дляформування розрядів чергового коду) дільниць однієї і тієї жпослідовності. У даному випадку генерування різних ділянокздійснюється за допомогою (-входові суматори за модулем два, тобто (((2, m),де m-розрядність регістра зсуву. З'єднання суматори за модулем два зрозрядами регістра зсуву визначаються набором коефіцієнтів
(i (1) ((0,1) (i = 1,2,3, .. m), значення яких залежать від величини зсувуl (l = 1,2,3, ...) та виду породжує полінома.

Методика вибору коефіцієнтів (i (1), однозначно визначають зв'язкубагатовхіді суматора за модулем два, описується на ітераційнепідході, коли на підставі (i (h), за розрахунковими з'єднанням знаходяться
(i (1) (h = 1,2, .... h> m перетвориться до простішого увазі:

яке може служити основним аргументом для обгрунтування високоїефективності сигнатурного аналізу.

У якості більш точної міри оцінки достоїнств сигнатурного аналізаторарозглянемо розподіл ймовірності не виявлення помилки в залежності відїї кратності (, тобто визначимо значення де (= 1,2,3, ... 2m-1.

Можна показати, що не виявляються помилок визначаєтьсянаступним чином:

а кількість можливих помилок з (біт визначається як

І тоді вираз для вірогідності не виявлення помилки набуває вигляду:

, < p>

Аналіз показує, що для досить великих m, тобто при m> 7ймовірність виявлення помилки практично дорівнює одиниці.

Достовірність методу рахунку одиниць.

Як характеристики, що дозволяє оцінити метод компактноготестування доцільно використовувати розподіл ймовірностей НЕвиявлення помилки в залежності від її кратності (:

де (-кратність помилки, - імовірність виникнення помилкикратності (; - Веро?? ність не виявлений що виникла помилки кратності
(, Яка визначається як відношення кількості не виявляються помилоккратності (до загальної кількості можливих помилок з (невірних символів упослідовності довжиною l.

Значення визначається видом перевіряється цифрової схеми,безліччю можливих її несправностей, а також типом тестовихпослідовностей, причому розподіл імовірностей може матиабсолютно довільний вигляд і значно змінюватися в залежності відвиниклої несправності, виду схеми і тестової послідовності.

Значення характеризується тільки методом компактного тестуванняі дозволяє провести його порівняльних оцінку в порівнянні з іншимиметодами. Тому для різних методів залежно від їх розподілуймовірностей можуть бути отримані оцінки ефективності контролю в ЦСвигляді розподілу. Аналіз цього виду розподілу дозволяє прийнятирішення про доцільність застосування того чи іншого методу компактноготестування. Причому для спрощення алгоритму прийняття рішення слідвикористовувати більш компактну характеристику, наприклад сумарнуймовірність не виявлення помилки, обчислюється як

В даному випадку величина буде характеризувати той чи інший методкомпактного тестування для цілком конкретного розподілу ймовірностей
 виникнення несправностей в залежності від її кратності.

Глава 3.

Опис програми.

Інтерфейс програми складається з трьох вікон:

. Головного - на якому знаходяться всі основні функції програми, елементи цифрової схеми.

. Вікна властивостей, в якому відображається інформація про елемент

. Вікно "Конструктор" - в ньому будується сама цифрова схема.

Для побудови цифрової схеми, необхідно по черзі натискаючи на панеліінструментів, на головній формі, на потрібний елемент і натискаючи на формуконструктора створювати елементи, з яких буде складатися цифрова схема.
Елементи можна створювати та розміщувати в будь-якому порядку, а також додавати івидаляти у вже створеної ЦС.

Щоб з'єднати входи і виходи елементів лінією, необхідно:

. При наведенні курсору миші на вхідні ніжку елемента, ніжка виділяється і натискаючи ліву кнопку тягнемо до вихідний ніжки іншого елемента. Як тільки вихідна ніжка яку ми хочемо поєднати також виділиться відпускаємо кнопку миші. В результаті буде створена лінії, що з'єднує вхідну і вихідну ніжки.

Також з'єднується лінією крапка з вхідними і вихідними ніжкамиелементів.

Для перегляду властивостей елементів, досить виділити елемент і властивостіелемента відобразяться у вікні властивостей.

У цьому вікні можна змінювати число входів або число виходів, вводитипомилки. У ньому також показує тип елемента і порядковий номер на схемі.
Якщо в схемі використовується генератор М-послідовності, то для ньогонеобхідно ввести примітивний непріводімий полином. Для цього в менювибираємо розділ Поліном -> М-генератор і у вікні, що з'явилося складаємополіном.

Для сигнатурного аналізатора, також необхідно скласти полином. Зтого ж пункту меню Поліном вибираємо сигнатурний аналізатор.

Коли схема буде створена, натискаємо на Аналіз. У вікнівідображається сигнатура, кількість одиниць, ймовірності появи одиниць і нулів.

Експериментальна частина.

В якості прикладу розглянемо схему мультиплексора і отримаємо сигнатуру.
В якості тестового генератора будемо використовувати генератор М -послідовності і поліном виду:

Для сигнатурного аналізатора виберемо поліном також сьомий ступеня.

У результаті моделювання, отримаємо: на вході: на виході

Сигнатура і кількість одиниць:

Далі, вводимо помилки в схему через вікно "Властивості елементів", якезнаходиться в лівій частині екрана.

Потім з меню Діагностика вибираємо "Пошук несправностей"

У результаті ми локалізували несправні елементи і типи помилок.
-----------------------

ГТП

Моделювання ЦС

Блок помилок

Блок відображення та обробки вихідних реакцій і стиснення інформації

Блок визначення

Схема порівняння < p> Еталонні дані

Результат тестування