Диагностирование логических схем на функциональных элементах

Глава 4

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ

НА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

4.1. Модели неисправностей логических схем

          Методы и процедуры контроля исправности логических схем, построенных на функциональных элементах, более сложны по сравнению с контактными схемами, хотя идеи их контроля общие. Это определяется большим разнообразием элементной базы в микроэлектронной технике и большим разнообразием видов неисправностей. Существует также большое разнообразие методов тестирования [5, 20, 34, 40, 4, 42].

          Для функциональных схем различают три понятия: неисправность, ошибка и отказ. Неисправность (fault) есть физический дефект, который происходит внутри аппаратуры, или брак программной компоненты. Примерами являются обрывы проводников, короткие замыкания между ними, повреждения полупроводниковых приборов, временные задержки элементов и др. В программном обеспечении – это неправильное написание символов программ программистом, зацикливание программ и т.п. Ошибка (error) есть проявление неисправности на каких-либо линиях схемы, в шинах или регистрах микропроцессорной системы. Примером ошибки является ложная замена логического сигнала 0 на сигнал 1 (или наоборот) на некоторой линии схемы, которая непосредственно не связана с выходом неисправного элемента. Отказ (failure) происходит при нарушении некоторой    функции, которую должна выполнять схема. Отказ возникает вследствие ошибки на выходе схемы. Например, это может быть не включение или ложное включение какого-либо объекта. Причинно-следственную связь между неисправностью, ошибкой и отказом иллюстрирует рис. 4.1.

Рис.4.1. Причинно-следственная связь между неисправностью,

                ошибкой и отказом

 Таким образом, неисправности возникают в физической (аппаратной) и программной средах, ошибки касаются информационной среды, а отказы связаны с внешней средой, с которой работает данная система.

          Принципиальное значение при построении алгоритмов диагностирования имеют модели неисправностей. Модель неисправностей есть абстрактное представление некоторого множества физических дефектов и повреждений, которые могут иметь место в аппаратуре. Модели должны быть удобны для использования и покрывать, в идеале, 100% неисправностей, что, конечно, на практике не бывает. Свойства моделей зависят от пяти основных характеристик, которые служат для описания неисправностей. К ним относятся (рис. 4.2): причина, природа, длительность, влияние, значение.

Рис.4.2. Характеристики неисправностей

          Существуют пять главных причин возникновения неисправностей: ошибки спецификаций, допущенные при проектировании; ошибки при производстве; дефекты компонент и внешние возмущения. По природе неисправности бывают в аппаратных средствах (аналоговых и цифровых) и в программных средствах. Длительность характеризует время действия. Постоянные неисправности сохраняют свое действие неограниченное время. Временные – могут появляться и исчезать на короткие промежутки времени. Сбои (перемежающие неисправности) появляются, исчезают и снова появляются периодически.

          Влияние неисправностей может быть местное и глобальное. Например, отказы питающей установки имеют глобальное влияние на всю систему. Неисправности могут сохранять определенное значение в течение всего времени своего существования. Но существуют неисправности с неопределенным значением, которое изменяется в течение некоторого времени. Примером являются неисправности аппаратных средств, которые приводят к возникновению колебательных процессов в схеме. В этом случае на линиях схемы логический  сигнал  может  изменяться  периодически  между  значениями 0 и 1.

          Рассмотрим основные распространенные модели неисправностей. Наиболее эффективной и простой является модель логической константной неисправности (stuck fault model). Ее определяют три допущения: 1) повреждение логического модуля эквивалентно по своему действию постоянной фиксации на его входах и выходах логических сигналов 0 или 1; такие фиксации называются соответственно «константа 0» (stuck–at–0) и «константа 1» (stuck–at–1); 2) логическая функция, реализуемая модулем, не изменяется в результате возникновения неисправности; 3) неисправность является постоянной.

          Первое допущение поясним на примере элемента ИЛИ-НЕ, показанного на рис. 4.3.

Рис.4.3. Пример логической константной неисправности

Обрыв резистора  в его схеме эквивалентен по своему действию постоянному соединению входа  с логическим 0 («землей»). Это допущение упрощает процессы анализа схем и генерации тестов, так как позволяет ограничиться рассмотрением только неисправностей линий схемы. В большинстве случае применения данной модели предполагается также наличие не более одной неисправности. Тогда в схеме, которая имеет   линий, возможно  одиночных неисправностей. Такое число неисправностей практические может быть исследовано, хотя для больших схем и эта оценка велика.