развертки находится за пределами стробирующего импульса. Микропроцессор выдает новое число в буферный регистр, при котором переключатель конденсаторов включает в схему генератора развертки еще один конденсатор, Увеличивая общую емкость настолько, что получается коэффициент развертки 100 нс/дел. Ему соответствует длительность стробирующего импульса t;ii=1100hc = = 1,1 мкс (рис. 6.10,в). В этом случае импульс 2 запуска генератора развертки, фор-мируемый в момент t% попадает в стробирующий импульс (рис. 6.10,а и в) и микропроцессор получает флаг запуска. Из изложенного видно, что требуемый коэффициент развертки больше 10 и меньше 100 нс/дел. Микропроцессор устанавливает поддиапазон 10 нс/дел и выдает данные в ЦАП, который, воздействуя через делитель напряжения на компоненты схемы генератора, осуществляет плавную регулировку значения коэффициента развертки в пределах 10... 99 нс/дел, пока снова не появится флаг запуска.

Принятая процедура позволяет быстро провести поиск высокочастотных сигналов, так как время ожидания флага запуска не превышает продолжительности двух, периодов исследуемого сигнала. Когда исследуется низкочастотный сигнал (например, синусоидальный сигнал частотой 50 Гц), то один за другим подключаются все новые и новые конденсаторы - общая емкость iC-це-чи интегратора увеличивается до тех пор, пока не получится требуемая длительность развертки (42 мс).

Окончательную установку параметров осциллографа микропроцессор производит на основе информации, полученной в результате поиска по горизонтали и по вертикали. Включается генератор основной развертки. Найденное значение коэффициента развертки умножается на 2, и, таким образом, осциллограмма содержит два периода исследуемого сигнала. Скорость задержанной развертки устанавливается в 10 раз выше скорости основной развертки. Тот канал (или каналы) вертикального отклонения, в котором обнаружен сигнал, остается включенным, а остальные каналы вертикального отклонения отключаются. В соответствии с информацией, получаемой из работающего канала, осуществляется смещение луча по вертикали. На шинах микропроцессорной системы устанавливаются потенциалы, при которых гарантируется (в случае нажатия соответствующей клавиши) работа системных модулей, расширяющих выполняемые осциллографом функции (см. рис.. 6.6). .

Осциллограф в сочетании с интерфейсом. Если рассматриваемый осциллограф подключить к системному интерфейсу, то помимо программного управления, задаваемого с передней панели, появляются дополнительные возможности. К ним относятся: передача системному контроллеру всей информации о положениях органов управления и состоянии каналов - их параметров; отображение на экране электронно-лучевой трубки текста с мерцанием и подчеркиванием, причем возможны две разновидности отображения: темные буквы на светлом фоне и наоборот; блоки-

ровка выполнения команд, выдаваемых с передней панели, с посылкой в контроллер информации о том, какие клавиши были нажаты; создание пользователю возможности доступа к программным средствам в режиме автоматического осциллографирования.

Введение микропроцессорного осциллографа в состав измерительной системы посредством интерфейса позволяет ускорить автоматические и полуавтоматические испытания различных устройств, существенно повысить производительность труда, расширить функциональные возможности осциллографа и измерительной системы.

Глава седьмая.

МЕТОДЫ ТЕСТИРОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

7.1. СПЕЦИФИКА КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ

Испыталие микропроцессоров и микропроцессорных систем называют тестированием. Его проводят для проверки качества функционирования системы, диагностики и отыскания неисправностей. Особенности структуры и работы микропроцессорных систем обусловливают сложность их тестирования, не позволяют отыскивать неисправности, опираясь только на широко известные (традиционные) измерительные приборы: осциллографы, анализаторы спектра, электронные вольтметры, обычные тестеры и т. д.

В современной электронной технике диагностические процедуры стали очень сложными. В одном из номеров журнала Elect-гопкз это положение отражено такой фразой: Иногда легче изготовить повое изделие, чем найти в нем причину неисправности . И далее подчеркивается, что сказанное особенно справедливо по отношению к системам на основе микропроцессоров, для которых контроль трудоемок, а производственные установки контроля очень сложны и требуют хорошо обученных операторов.

Если еще на стадии проектирования микропроцессорной системы не продуманы вопросы ее тестирования, то в процессе эксплуатации системы они могут вырасти в трудно разрешимую проблему. Поэтому, образно говоря, нужно следовать известному афоризму: Прежде, чем войти, подумай, как выйдешь!

Каковы же основные особенности устройства и работы микропроцессорной системы, влияющие на организацию ее контроля и диагностики, определяющие специфику требуемой для тестирования аппаратуры. Можно отметить (Шесть таких особенностей:

1. В микропроцессорных системах циркулируют потоки цифровых данных, представляющие собой разнообразные комбинации битов, слова различной длины, появление которых зачастую апе-

риодично. к тому же длительности цифровых сигналов могут изменяться в широких (Пределах.

2. Микропроцессоры - это устройства со сложной внутренней структурой и многочисленными внутренними .путями передачи информации, данных. Процедура, последовательность передачи информации внутри микропроцессора определяется программой. Ее успешное выполнение зависит от временных соотношений для различных входных и выходных сигналов.

3. Трудность описания схем, обусловленная принципиальным отличием микропроцессорной системы от многофункциональных приборов, построенных ino схемам с жесткой логикой. Если у последних изменение выполняемой функции осуществляется аппаратурным путем, т. е. соответствующим изменением схемы, то в микропроцессорных системах для перехода от одной функции к другой меняют программу, помещенную в ПЗУ, а работа этих систем скрыта в алгоритме программы. . ~

4. Высокая скорость процессов, протекающих в устройствах с микропроцессорами; элементарные сигналы существуют в течение очень малого интервала времени (часто - доли микросекунды) и кодовые комбинации, как правило, не повторяются, во всяком случае регулярно.

5. Наличие двунаправленных шин - шин, по которым цифровые сигналы передаются в обоих направлениях. Это затрудняет интерпретацию данных .и адресов. Значительные осложнения при отыскании неисправностей создает параллельная структура шин, к которым подключено сразу несколько устройств.

6. Большое число элементарных операций, за которыми должны следить контрольйо-йопытательные устройства. Так, например, в измерительных приборах с микропроцессорным управлением число шагов процессорных программ может достигать нескольких тысяч.

Неисправности, связанные с .микропроцессором и узлами, которые подключены к нему через интерфейсные схемы, очень сложно обнаруживать и еще труднее локализовать их источники. Применение традиционных приборов и методов контроля может не дать ощутимых результатов даже при многочасовой испытательной процедуре [26]. Поэтому расширение сферы применения микропроцессоров, построение разнообразных микропроцессорных систем вызвали необходимость разработки принципиально новых, эффективных методов контроля и диагностики этих систем.

Наибольшее распространение получили три метода тестирования: автодиагностики, логического анализа и сигнатурного анализа.

Автодиагностика, которую иногда на,зывают встроенной диагностикой, предполагает тестирование на основе использования внутренних диагностических- программ. Они бывают двух типов: самозапускаемые и -вызываемые по требованию пользователя системой. Полезной для тестирования ряда устройств является программа прослеживания основного алгоритма, согласно которой

испытуемая система проходит обычную последовательность состояний, работы, причем в ключевых точках индицируются мнемонические коды. Само собой разумеется, что возможность автодиагностики лредусматривают пр.и проектировании системы и указания по ее осуществлению отражают в соответствующих инструкциях.

В последующих параграфах данной главы рассматриваются два современных метода контроля и диагностики микропроцессорной системы, для проведения которых разработаны специальные приборы. Это методы логического и сигнатурного анализа.

7.2. логический анализ

Различают три вида приборов, с помощью которых осуществляют логический анализ: анализаторы логических состояний;анализаторы, логических временных диаграмм; генераторы логических синхросигналов.

Прежде чем излагать принципы построения приборов, раскроем понятия логические состояния и временные диаграммы цифровых устройств.

Логические состояния. Двоичные сигналы цифровых схем характеризуются двумя заметно различающимися уровнями напряжения называемыми логическим нулем и логической единицей. Их обозначают О и 1 соответственно. В реальных системах логический уровень обычно не задают строго конкретным значением напряжения: он может принимать какое-то значение в установленном интервале. Так, например, как указывалось а § 5.2, при ТТЛ логике построения БИС логическому нулю может-соответствовать любое значение напряжения, равное или меньшее 0,4 В, а логической единице - значение напряжения, равное или большее 2,4 В. Иначе говоря, логический нуль - это низкий уровень (иногда отрицательной полярности), а логическая единица- высокий уровень напряжения (положительной полярности).

Комбинация нулей и единиц на выходах цифровой схемы определяет ее логическое состояние. Простейшим примером может служить триггер, у которого возможны два логических состояния: нуль и единица.

Рассмотрим в качестве более сложного примера 4-разрядный двоичный счетчик, изображенный на рис. 7.1 (здесь 7i - триггер младшего разряда, Ti - триггер старшего разряда). В зависимо-

г.

ста от числа импульсов, поступ-ившцх на вход счетчика, он может иметь 16 логических состояний, определяемых логическими уровнями на выходах всех триггеров:

Очевидно, что если входными импульсами счетчика синхронизировать работу анализатора, фиксирующего логические состояния счетчика и отображающего их на дисплее, то можно установить, нормально ли функционирует счетчик.

Теперь еще немного усложним пример. Предположим, что интересующий нас о1бъект - В-разрядаый сдвигающий регистр (рис. 7.2). К его основному входу D подводится последовательность битов 10010110, а на вход С поступают тактовые (сдвигающие) импульсы. В исходном состоянии содержимое регистра, определяемое логическими состояниями триггеров Т\-Тъ, будет

00000000. С приходом первого тактового импульса в триггер Ti запишется единица. Логическое состояние регистра станет

00000001. Второй тактовый импульс продвинет единицу из триггера Ti в триггер Тч, а в триггер Т\ запишет следующий бит последовательности- нуль, что повлечет за собой изменение логического состояния регистра. Оно будет таким: 00000010. Третий тактовый импульс снова изменит состояния триггеров и т. д. В течение цикла, включающего восемь тактовых импульсов, сдвигающий регистр будет иметь восемь различных логических состояний. Контролируя их, можно сделать заключение о правильности работы регистра. Заметим, что максимальное число логических состояний 8-разрядного сдвигающего регистра (при различных входных последовательностях или одной, но очень длинной входной последовательности) равно 2.

Q J с

Q к

Q J с Q к*\\

с

Q К

Совокупность логических состояний отображается, в mt таблицы чисел.

В микропроцессорных системах передаваемые по щине данных слова (ИЛИ по адресной шине -адреса) рассматривают ,как последовательность логических состояний.

Логические временные диаграммы. При анализе работы системы, отыскания неисправностей в ней я локализации их источника .возможны ситуации, когда представление данных во временной области дает больше информации о работе системы и возникающих обоях, чем таблица логических состояний. Характерными примерами неисправностей в цифровой системе, аналоговых по своей сущности,.М017Т служить искажения фронта импульса, смещения моментов (переключения и т. п.

Рассмотрим для примера' сигналы на выходах Qi, Q2, Q3 и Qf 4-разрядного двоичного счетчика (см. рис. 7.4). Изменения напряжения этих сигналов> во цремени .и представляют логиче-. ские временные диаграммы. Они показаны на рис. 7.3.

Три формы отображения рез^ультатов анализа. Дисплей лрги- ческих анализаторов, выполненные на основе электронно-лучевой трубки, могут отображать лолучаемую при испытаниях цифровых схем информацию в форме таблиц чисел, временнйх диаграмм в ка,рты состояний.

. Табличный дисплей применяется в анализаторах логических состояний. Он отображает логические состояния в виде та1блид чисел, которые мргут быть /представлены в различных форматах (системах счисления): двоичном, восБмеричном, десятичном, шестнадцатиричном. Таие дисплеи иногда называют дисплеями для отображения информации в области данных. Картину, наблюдаемую на табличном* дисплее, иллюстрирует рис. 7.4.

По горизонтали расположены слова. Верти(кальную ось на- зывают осью со(бытий .Таким рбдазом табличный дисплей отображает информацию в координатах слово-событие . Примерам события может служить очередной импульс, поступающий на вход счетчика и изменяющий его логическое-состоя-

G. J~T jn r-T J-n J-

ft Г-I Г-1--J I--I L

Q.--J--T--J

Ось

времени-

0000

1001 1111

0000 0001 -1 0010-

1001-

1111-

Рис. 7.4

Рис. 7.6

Рис. 7.5

ние. Для удобства чтения слова, состоящие из 12 бит, разделены на части (слоги), содержащие ло 4 бит (для шестйадцатирлчио-го формата) или ло З.бит (для восьмеричного формата). .

Дисплей, отображающий логические временные диаграммы. подобен экрану многоканального осциллографа. Обычно имеется возможность одновременного наблюдения восьми вре1у1€нных диаграмм (в KQOp Д.ИН атах на пр я же нйе-время ), соответствующих восьмл (или меньшему числу) различным точкам схемы, например выходам триггеров двоичного счетчика. Пример отображения информа1ции во 1временн6й Области с помощью дибплея рассматриваемого вида приведен на рис. 7.5.

При представлении данных в виде каргь* состояний на экране дисплея вместо таблицы битов, воспроизводится матрица светящихся штрихов,-где каждый штрих соответствует определённому байту. Штрихи так взаимосвязаны, что по карте можно наблюдать последовательность обработки данных. ,

На рис. 7.6 показан лример карты, которая отображает со-

стояния десятичного счетчика, состоящего из двух счетных декад. Он считает числа им1пульсов от О до 99 (в десятичной системе счисления). Строки, образованные последовательностью штрихов, соответствуют состояниям декады старшего разряда (они могут изменяться от 0000 до 1001), а столбцы - состояниям декады младшего разряда (они такж-е могут изменяться от 0000 до 1001). В точке пересечения горизонтальной линии (строки) штрихов, соответствующей конкретному старшему разряду (например, 0010) и вертикальной линии (столбца), соответствующей данному младшему разряду (например, 1001), находится штрих, представляющий определенное слово (в нашем примере - слово О01О1001), Из рисунка видно, что штрих, расположенный в левом верхнем углу карты, отображает слово 00000000, а штрих, находящийся в нижнем цравом углу карты, - слово 10011001.

Если экран используется полностью, то штрихи, расположенные в угловых точках экрана, представляют такие слова: ОООООООО (левый верхний угол), 00001111 (правый верхний угол), ПИОООО (левый нижний угол), 11111111 (правый нижний угол). Следует заметить, что яркость изображения увеличивается по мере приближения луча к каждой новой точке. Это дает возможность узнать направление потока изменения состояний.

Карта состояний облегчает контроль -функционирования цифровой схемы, работающей циклически. Так, например, если на карте, изображенной на рис. 7.6, между шестой и седьмой строчками штрихов появился бы пробел (выпала строка), то это свидетельствовало бы о том, что счетчик перескочил из состояния 01011001 (число 59 в десятичной системе счисления) в состояние 01110000 (число 70) вместо состояния ОПООООО (число 60), в которое он должен перейти при нормальном функционировании.

Для обозначения, выделения опецифической точки на карте состояний используется указатель, называемый курсором. Он представляет собой светящийся кружок, который можно перемещать по экрану. Так, например, с помощью курсора отмечается расположение точки, отображающей сбой программы.

При контроле выполнения программы микропроцессорной системы логическим анализатором с описываемы.м дисплеем карта состояний принимает особую фррму. Если научиться распознавать формы, характерные для конкретных микропроцессорных систем, то можно относительно легко констатировать нормальный ход программы.

Анализатор логических состояний. Приборы этого типа, называемые часто синхронными анализатора1Ми, должны отвечать ряду требований. Основные из них сводятся к следующему:

1. Анализируемые данные должны отображаться в виде комбинаций битов. Дисплей анализатора должен позволять легко воспринимать и интерпретировать отображаемую информацию.

2. Наличие достаточно большого числа параллельных входов, позволяющих одновременно контролировать целое слово.

3. Управление данными, поступающими в анализатор и цир-

кулдрующими в испытуемом устройстве, должно производиться одними и теми же синхроимпульсами. Интервал времени, необходимый для фиксации данных в анализаторе, должен быть очень малым.

4. Подключение анализатора к испытуемой системе не долЖно окавывать влияния на ее параметры, а также диктовать необходимость изменения режима или программы работы системы.

5. Конструкция входного устройства анализатора должна обеспечивать рациональное подключение прибора к испытуемому устройству.

6. Дисплей анализатора должен позволять легко воспринимать й интерпретировать отображаемую информацию.

В соответствии с требованием 2 выпускаются 8-, 12-, 16- и 32-канальные анализаторы логических состояний.

На рис. 7.7 представлена структурная схема 16-канального анализатора. Работой прибора управляют синхронизирующие сигналы (тактовые импульсы), которые подаются на вход тактовых импульсов от испытуемого устройства (возможно и управление сигналами внутреннего тактового генератора).

После включения анализатора да входы 1 и 2 логического элемента Hi с выхода 2 формирователя управляющего сигнала и с выхода делителя частоты подается единица (разрешающий потенциал), в результате чего появляется разрешающий потенциал на входе 1 логического элемента Иг.

Клавиатура для ввода слова

Вход 0-й

Компаратор слов

Компаратор О

Вход 15-й

тактовых Импульсов

Компаратор 15

Компаратор тактовых импульсов

Источник порогового напряжения

Формирователь 1 управляющего сигнала

к осциллографу 1

Регистр

памяти О -р-

Делитель частоты 15

Регистр памяти 15

Схема выборки чисел из регистров

Схема преобразования

Дисплей

с помощью клавиатуры экспериментатор набирает заданное слово, соответствующее нормальному логическому состоянию испытуемой схемы. С ним необходимо сравнить слово, поступающее на входы анализатора. Биты набранного слова подводятся ко входам / компаратора слов.

Анализируемое слово подается в форме 16 параллельных битов на входы прибора (с 0-го по 15-й), которыми служат первые входы компараторов. Ко вторым входам компараторов подводится пороговое напряжение. Ето значение определяет порог, различающий логический нуль и логическую единицу, характерные для испытуемой схемы (в числовом примере, приведенно.м в начале параграфа, этот порог 2,4 В). С выходов 16 компараторов биты слова подаются на входы 2 компаратора слов, где сравниваются с набранным словом, а также на входы D регистров памяти (с 0-го по 15-й).

Если слово, поступившее на входы анализатора, не совпа-дает-со словом, набранным клавиатурой, то каждый новый тактовый импульс; проходящий через открытый логический элемент Иа на входы С резисторов памяти, записывает в каждый из них свой бит входного слова (в 16 регистрах памяти фиксируется слово в параллельной форме) и сдвигает бит, записанный предыдущим тактовым импульсом в соседнюю ячейку регистра. Такое положение будет повторяться при каждом новом тактовом импульсе до тех пор, пока не произойдет совпадение слов, подведенных ко входам I ш 2 компаратора слов.

Когда входное слово совпадает с набранным словом, на выходе компаратора слов появляется и.мпульс. Он запускает формцфо-ватель управляющего сигнала, вырабатывающий стробирующий имиульс, который с выхода 1 -формирователя подается на входы 1 логических элементов Из, И4. Это создает возможность прохождения тактовых импульсов через элемент Из на вход цифровой схемы регулируемой задержки, а также импульсов с ее выхода через элемент И4 в делитель частоты.

При выключенной схеме задержки по истечении 15 тактовых импульсов (с момента совпадения слов) на выходе делителя частоты (f: 15) появляется сигнал, запирающий логический элемент И), а следовательно, и логический элемент Иг, в результате чего прекращается запись чисел в регистры памяти. К этому моменту в регистрах записано слово, имеющееся в данный момент на входах прибора (оно расположено в последних от входа ячейках регистров), и еще 15 слов, записанных 15 тактовыми импульсами, поступавшими после момента возникновения им.нульса на выходе ко.мнаратора слов (момента совпадения слов). Если входное слово в течение 16 тактов не менялось, то во всех ячейках данного .регистра должен быть записан один и тот же бит, а во всей срвокунности (регистров- 16 одинаковых слов.

Запомненные в регистрах слова извлекаются схемой выборки чисел и передаются через схему преобразования, содержащую генератор символов, на дисплей. Последний отображает .кадр из