16 слов в виде таблицы битов. Для облегчения восприятия, б-лицы последовательности слов {логических состояний) столбцы группируются в блоки по три бита в строке (если требуется Щ)ед. ставление в восьмеричном формате) или по четыре бита в строке (когда желательно представление в шестнадцатеричном или jq. ично-десятичном формате) - см. рис. 7.4. Строки также обцчно разбивают на группы, т. ё. делают просветы между rpynng.j, строк. Это упрощает считывание битов данной строки.

Рассмотренный режим работы анализатора логических сосгоя-ний называют режимом НАЧАЛО. В этом режиме на дисг1лее отображается кадр из 16 слов, начинающийся с набранного ло-ва. Оно представлено верхней строкой таблицы, а р.асполокен-ные ниже строки соответствуют словам, записанным в регистрах после момента совпадения входного и н.абранного слов.

Во втором режиме анализа, называемом режимом КОНЕЦ, до момента совпадения входного слова с-набранным схема работает так же, как и в первом режиме. Когда на выходе компаратора слов появляется импульс, формирователь управляющего сигнала немедленно выдает с выхода 2 сигнал логического нуля, запирающий логический элемент Hi, л следовательно, и логический элемент Иг. Это создает запрет для ввода чисел в регистры памяти. Тогда в первых ячейках регистра оказывается записанным входное слово, совпавшее с набранным, а в последующих ячейках- 15 слов, появлявшихся в течение 15 тактов, предшествовавших моменту совпадения входного слова с набранным. Следовательно, набранное слово завершает последовательность из 16слов.

Таки.м образом, при втором режиме работы анализатора дисплей отображает кадр из 16 слов, заканчивающийся набрлнны.м словом. Подобный режим позволяет исследовать логические со-стонпия испытуемой системы до момента наступления ожидаемого события - совпадения входного и набранного слов.

Возможен и третий режим работы анализатора - при включенной цифровой схеме регулируемой задержки. И в это.м режиме дисплей отображает кадр, состоящий из 16 слов, но первое слово кадра задержано относительно момента совпадения входного и набранного слов на число тактов (число слов), которое задано положениями регуляторов цифровой схемы задержки (см. рис. 7.7).

До сих пор при описании работы анализатора предполагалось, что у него табличный дисплей. В равной мере может быть использована и карта состояний. При этом схема преобразования содержит два 8-разрядных ЦАП. На первый из них схе.ма выборки чисел из регистров подает число, которое представляет восемь младших разрядов слова, записанного в регистрах. Образующееся на выходе первого ЦАП напряжение, пропорциональное числу, подводится к горизонтально-отклоняющим пластинам электронно-лучевой трубки. Число, соответствующее восьми старшим разрядам слова, записанного в регистрах, поступает на второй ЦАП. Пропорциональное этому числу напряжение подается

с выхода второго ЦАП на вертикально отклоняющие пластины трубки. Переход от табличного отображения к карте состояний достигается изменением положения переключателя вида дисплея.

С помощью анализатора логических состояний можно анализировать ход программы микропроцессорной системы. Если подключить входы анализатора к выводам адресной шины (нанри-мер, микропроцессора КР580ИК80А) и применить для синхронизации ввода слов в анализатор первый тактовый импульс первого .машинного цикла, то на дисплее вида, карта .состояний будет отображен ход выполняемой программы. После обнаружения нарушения нормального хода программы (неправильного перехода) для более детального анализа используют табличную форму отображения информации [1].

При поверхностной оценке описанной процедуры может показаться, что тестировать ми,кро,процессорную систему анализатором логических состояний просто. Однако реальная процедура прослеживания последовательно меняющихся состояний сложна и продолжительна, а для интерпретации результатов анализа требуется снециалист высокой квалификации, хорошо знающий тестируемую систему. Поэтому логические анализаторы более эффективны для испытаний обычных цифровых устройств, чем для контроля и диагностики (особенно глубокой) микропроцессорных систем. Эти анализаторы применяют преимущественно в лабораторной практике, реже в производстве и совсем редко в условиях эксплуатации (см. табл. 2, с. 157).

Анализаторы логических временных диаграмм. Рассмотренные анализаторы логических состояний позволяют констатировать факт (а иногда и место) возникновения неисправности в тестируемой цифровой схеме. Однако после того, как установлено наличие ошибки, требуется определить ее характер и причину. Часто ошибки проявляются в виде кратковременных импульсных помех, неодновременного прихода сигналов, перемежающихся нарушений синхронизации, неправильных команд. В таких ситуациях эффективно применение анализатора логических временных диаграмм, называемого также асинхронным анализатором. Он удобен при контроле стандартных приборных интерфейсов для отображения последовательностей, посылае^мых по шине управления, данных, передаваемых через устройства ввода-вывода, сигналов согласования передачи (§ 3.4).

Так как при временном анализе приходится исследовать сигналы и процессы, ,длительность которых намного меньше длительности, занимаемой словом данных, то рабочая частота анализатора логических временных диаграмм должна быть значительно выше, чем у анализатора логических состояний для тех же самых полей данных.

У большинства анализаторов логических временных диаграмм предусмотрена возможность работы в ,двух основных, режимах: синхронном и асинхронном. Последний режим - высокоскоростной. Максимальное быстродействие определяется назначением ана-

лизатора. Выпускаются приборы, характеризуемые быстродействием 20, 50, 100 и 200 МГц.

Необходимость высокого быстродействия при тестировании микропроцессоров и микропроцессорных систем можно ощутить на примере тестирования микропроцессора типа КР580ИК80А (или 8080А). Хотя длительность такта составляет 500 не (частота 2 МГц), но информация состояния, передаваемая по восьмилинейной шине данных микропроцессора, доступна в течение малого интервала времени между системными циклами синхронизации, составляющего всего 50 не. За это время проходит слово состояния (8 бит) и изменяются логические уровни в двух линиях синхронизации. Для анализа временной диаграммы, соответствующей указанным сигналам, интервал в 50 не необходимо разделить на пять частей, т. е. лолучить интервалы по 10 не. Очевидно, что это возможно лишь тогда, когда частота дискретизации (быстродействие анализатора) будет не ниже 100 МГц. Только прн таких соотношениях удается зафиксировать неодновремен-ность прихода сигналов. К приведенному примеру можно добавить и то, что даже у микропроцессоров со сравнительно низким быстродействием (1-2 МГц) продолжительность хранения входных или выходных данных не превышает 10 не. Поэтому для анализа временных соотношений между сигналами микропроцессора и его периферийных микросхем необходимы анализаторы с высоким быстродействием.

Важным достоинством анализаторов логических временных диаграмм, которым не обладают анализаторы логических состояний, является возможность обнаружения ложных сигналов, представляющих собой импульсные помехи малой длительности. Их действие может нарушить нормальное функционирование системы, а в синхронном режиме их практически невозможно обнаружить. В р'яде анализаторов логических временных диаграмм предусмотрены специальные триггерные схемы, фиксирующие ложные импульсы (это позволит обнаружить их даже при длительности 5 не). Схема расширяет короткие импульсы почти до длительности, равной интервалу дискретизации, что гарантирует регистрацию ложных импульсов.

Для облегчения анализа временных диаграмм дисплей, отображающий их, снабжен специальным указателем (курсором). Он представляет собой вертикальную прямую линию. Ее можно перемещать вдоль экрана, устанавливая в характерные точки диаграммы. С помощью этого курсора удобно определять сдвиг по оси времени одной точки временной диаграммы относительно другой. У некоторых анализаторов имеются два таких курсора, что дает возможность измерять прямым путем (без вычислений) интервал времени, разделяющий точки, с которым совмещены курсоры.

Встречаются различные варианты конструкций логических анализаторов. Одни приборы выпускаются со встроенной электронно-лучевой трубкой, другие для воспроизведения временных диа-

грамм требуют применения осциллографа или отдельного блока с электронно-лучевой трубкой. Имеются логические анализаторы, позволяющие отображать данные как в виде

ИР!! таблиц логически.х состояний,

СуиГтД так и в виде временных ди-

, Измерительные пробники.

. Чк, ii Эти устройства, называемые

также зондами или щупами, р„Р yg выполняют важные функции

при логическом анализе. Их конструкции разнообразны.

Одну группу составляют индивадуальпые пробники, используемые как самостоятельные устройства для контроля логического уровня В одной точке испытуемой схемы. Такие пробники, называемые логическими пробниками, по своему внеш.чсму виду напоминают карандаш с наконечником, из которого выходит металлическая игла (рис. 7.8).

Логический про'бник служит для обнаружения и индикации логического уровня в точке схемы, к которой прижата игла наконечника. Для индикации уровня используется свечение наконечника, причем оно тусклое, пока иробник находится вне испытуемой схемы. Если потенциал точки, которой касается игла, высокий, т. е. логическая единица, то наблюдается яркое свечение наконечника (как на рис. 7.8). При логическом нуле (низкий потенциал) свечение отсутствует. В случае плохого уровня (значение потенциала выше значения, соответствующего верхней границе интервала логического нуля и ниже значения, обозначающего нижнее значение интервала логической единицы) свечение получается тусклым. Пульсирующий потенциал отображается .мерцанием, низкочастотными вспышками.

Логический пробник считают эффективным средством для обнаружения очень коротких, а также редко новторяющпхся импульсов, которые трудно наблюдать с помощью осциллографа. Он реагирует на импульсы положительной полярности длительностью большей или равной 10 не, а при импульсах отрицательной полярности сразу прекращается свечение. С помощью логического пробника удается отыскивать такую неисправность, как обрыв цепи (в этом случае наблюдается тусклое свечение наконечника).

В многоканальных логических анализаторах измерительные пробники служат для подключения к объекту тестирования. Возможны различные конструктивные решения. Например, у одних анализаторов пробники выведены с передней панели прибора каждый индивидуально. Для других анализаторов характерны переходные колодки, объединяющие зонды в группы, например 8-ка-нальные переходные колодки с ответвляющимися от них пробни-

ками. Встречаются и приборы, у которых входное устройство представляет собой (Комплект из четырех колодок: три ,колодки служат для подсоединения к 16 каналам данных и двум каналам признаков, а четвертая содержит пробник, предназначенный для подачи в прибор синхронизирующих сигналов. Для подключения пробников иногда попользуются крокодильчики , надеваемые на иглы пробников.

7.3. сигнатурный анализ

Вводные замечания. Как уже отмечалось, диагностика микропроцессорных систем и других цифровых устройств, содержащих микро-процессоры, представляет сложную задачу. Анализаторы логических состояний, рассмотренные в предыдущем параграфе, решают ее лишь частично. -Они цОхМогают прослеживать алгорит.м работы микропроцессора по последовательноспи его машинных состояний. После того, как специалист, проводящий диагностику, обнаружит первое неправильное состояние, он использует традиционные средства - осциллограф, вольтметр и т. п. Однако процедура отыскания и выяснения причины неисправности оказывается весьма продолжительной, и для ее выполнения требуются специалисты высокой квалификации. Не исключены ситуации, когда с помощью традиционных измерительных и испытательных приборов вообще не удается установить причину отказа (локализовать его), обусловленного микропроцессором или узлами схемы, связанными с ним через интерфейсы.

Одним из наиболее эффективных путей поиска неисправностей в устройствах, содержащих микропроцессоры, является применение сигнатурного анализа, методика проведения которого и соответствующие приборы, называемые сигнатурными анализаторами, разработаны сравнительно недавно [8, 26].

Что такое сигнатура? Название сигнатурный анализ происхо-.дит от слова сигнатура. Это слово знакомо не всем. Чтобы объяснить его - заглянем в словари. Словарный поиск приводит к заключению, что слово сигнатура имеет несколько значений. Так, краткий словарь иностранных слов сообщает что сигнатура (от лат. signare - назначать, указывать) - копия рецепта врача, прилагаемая к лекарству, изготовленному в аптеке. Подобная информация, очевидно, не проливает света на интересующий нас вопрос. В полиграфии - это число (порядковый номер) внизу первой и третьей страниц каждого печатного листа книги для руководства при брошдровочных работах. В картографии сигнатурами называются условные знаки для изображения различных элементов географического ландшафта. Если к этому добавить, что в музыке, точнее в нотном письме, под сигнатурами понимают ключевые знаки для обозначения созвучий, а также учесть приведенные в Большом англо-русском словаре такие значения, как признак, отличительная черта, то мы вплотную подойдем к определению слова сигнатура применительно к рассматриваемо--му методу контроля микропроцессоров и других цифровых схем.

Итак, сигнатура, используемая при отыскании неисправностей цифровых устройств, - это число, состоящее из четырех знаков (цифр или букв) шестнадцатеричного кода и условно, но однозначно характеризующее определенный узел контролируемого устройства.

Общее описание сущности анализа. Сигнатурный анализ сводится к сопоста1влению реальной сигнатуры конкретного узла, отображаемой дисплеем анализатора, с образцовой сигнатурой этого узла, указанной на схеме (рис. 7.9) или в таблице руководства по обслуживанию испытуемого устройства [8]. Несовиадение сигнатур свидетельствует о неисправности, ненормальном функционировании устройства. Например, если на дисплее анализатора высвечена сигнатура F865, а на схеме в точке, соответствующей выходу данного узла (к которой подключен анализатор), записана сигнатура А953, то наличие неисправности очевидно. Для выяснения причины появления неправильной сигнатуры прибор подключают с помощью пробника (щупа, зонда) к различным точкам схемы с обозна,ченными для них сигнатурами и фиксируют совпадения п несовпадения в каждой точке. Таким способом удается локализовать неисправный узел: на его выходе фактическая и образцовая сигнатуры различны, в то время как на выходе предшествующего узла, соединенного со входом данного узла, фактическая и образцовая сигнатуры одинаковы.

Процедура сигнатурного анализа внешне схожа с процедурой обнаружения неисправностей в аналоговых устройствах. На принципиальных схемах последних в характерных точках указаны эпюры напряжений сигналов и числовые значения напряжений. Сними сопоставляют осциллограммы, наблюдаемые на экране электронно-лучевого осциллографа, а также результаты измерения напряжений электронны--м вольтметром, и в итоге сопоставления делают заключение о нормальной работе или неисправности испытуемого устройства.

-1 f 95Я7

Действительный адрес памяти

со 12

0023

Адаптер периферийного интерфейса

Шина данных (8 бит)

68 г/О

а

а

Э

5019

2А7С

о

3813

1210

25BF

СЬШ

Для программируемых цифровых устройств система контроля, основанная на сопоставлении осциллограмм, к сожалению, не может быть использована, поскольку все двоичные последовательности на экране осциллографа практически неразличимы. Тем более она неосуществима по отношению к устройствам, содержащим микропроцессоры, по той причине, что нет однозначного соответствия между характеристиками устройства и его конкретными узлами. Поэтому для подобных устройств сигнатурный анализ является способом .контроля и диагностики, эффективность которого трудно переоценить.

Принцип формирования сигнатуры. Для проведения сигнатурного анализа цифровых систем с микропроцессорами необходим, испытательный сигнал, представляющий собой двоичную последовательность, т. е. последовательность коротких прямоугольных импульсов, амплитуды которых могут принимать только два, резко отличающихся одно от другого значения, записываемые в виде битов О и 1.

Последовательность нулей и единиц, называемую данными, вырабатывает по специальной программе м.икропроцессор, расположенный внутри испытуемого прибора (устройства). Из этой по-.следовательности формируется испытательный сигнал, называемый тест-последовательностью. Она имеет определенную длину, которая зависит от общего числа битов, заключенных в последовательности. Так как биту соответствует импульс .строго фиксированной дл.ительности, то требуемую длину последовательности устанавливают с помощью стробирующего импульса (временных ворот), варьируя его длительность.

Принцип получения сигнатуры из тест-последовательности с по.мощью .сигнатурного анализатора поясняет рис. 7.10. Сигнатура формируется в схеме (аналогичной приведенной в [8]), которая содержит 16-разрЯдиый сдвигающий регистр (16 триггеров), четыре последовательно включенных сумматора по модулю 2 и цепи обратной связи, соединяющие вторые (нижние по схеме) входы первого, второго, третьего и четвертого сумматоров (нумерация-справа налево) с выходами седьмого, девято.го, двенадцатого и шестнадцатого триггеров соответственно. У сдвигающего регистра два входа: через основной вход, обозначенный буквойD (от англ. Data - данные), в регистр вводятся биты двоичной последовательности; на второй вход, который отмечен буквой С (от англ. clock - тактиров.ание), поступают тактовые (синхронизирующие) импульсы, продвигающие биты по регистру.

Первый вход первого сумматора по модулю 2 служит входом схемы, на который подается двоичная тест-последовательность. Она может быть любой длины, но в конце цикла обработки анализируется только шестиадцатибитовое число, зафиксированное в регистре. Это число, выраженное в шестнадцатеричном коде, и представляет сигнатуру данной тест-последовательности. Так как число знаков сигнатуры намного .меньше числа бит тест-последо-

Дисплей

импульсы Сумматоры

£

a s 2

Ш Ч

x>

.X

00 0000000 0 0 000 0.0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0

0 0 1

0 1 0

1 0 0 0 0 1 ООО oil

0 110

F ! 5

Двоичный i код сигнатуры

Н

1111 110 1111110 0 111110 0 1

11110 0 10

1 110 0 10 0

1 10 0 1 ООО

1 о о 1 о о о D

0 0 1 0 0 0 0 1

0 1 0 0 0 0 1 1

1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1

10 110

1° 1° 1°

1 0

о 1 о

0 I о

1 10 о 0

о jo о о о I о

1 1 о 1 1 о

1°

о о о

о

о

о

о

о о

Сигнатура

I Биты на вторых входах сумматоров

! i

Вход

Порядковый номер бита входной последовательности

2 3 4 5 8

7* 8 9 Ю 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

о

О

о о о 1 1 1 о 1 о 1 о

Рис. 7.10

.вательнасти, то говорят, что сигнатурный анализатор осуществляет сжатие информации.

Следует подчеркнуть, что шестнадцатеричный код применяемый в сигнатурных анализаторах, частично видоизменен по сравнению с обычным кодом 0123456789ABCDEF и записывается так: 0123456789ACFHPU. Легко заметить что изменение коснулось только буквенной части: все буквы, кроме А либо заменены другими, либо расположены в ином порядке В сигнатурном шестнадцатернчном коде буквы С и F соответствуют числам 11 и 12 (десятичной системы счисления), а числа 13 14 и 15 обозначены буквами Н, Р и U. Такой выбор знаков шестнадца--150

теричного кода связан с применением индикаторов, отображающих цифру или букву в виде набора отрезков линий - сегментов. Наибольшее число сегментов - седмь, и поэтому эти индикаторы называют сем.исегментнымн. Видоизмененный код облегчает считывание сигнатуры, позволяет избежать ошибок. Если бы ис-пользо(вались буквенные знаки обычного кода, то при отображении их семисегментными индикаторами трудно было бы различать букву В н цифру 8 (см. сигнатуру на дисплее рис. 7.10), букву D :И цифру О и т. д.

Формируется сигнатура в анализаторе следующим образом. На вход схемы, изображенной на рис. 7.10, поступает двоичная тест-последовательность определенной длины, например 20 бит-(рис. 7.11). Ее биты передаются на вход D регистра через цепочку сумматоров по модулю 2. В первом сумматоре каждый бит тест-последователшости суммируется по модулю 2 с битом 7-го разряда регистр-а, выходной бит первого сумматора суммируется по модулю 2 во втором сумматоре с битом 9-го разряда регистра и т. д. При этом имеет .место следующая закономерность: если на вторых входах всех четырех сумматоров бит О или у четного числа сумматоров бит 1, то бит, поданный на вход схемы, передается на вход D регистра без изменения; когда бит 1 имеется на вторых входах нечетного числа сумматоров, то на входе D регистра получается бит, противоположный входному биту (напомним, что на выходе сумматора по модулю 2 получается 1, когда на его входах разные биты; при одинаковых битах на обоих входах выходной бит 0).

До начала работы все триггеры регистра находятся в состоянии 0. Первый тактовый (синхронизирующий) импульс, поступающий на вход С регистра, вводит в триггер Ti первый бит последовательности, подаваемой на вход D. Второй тактовый импульс сдвигает первый бит на одну ячейку влево - из триггера Ti в триггер Гг и ВВОДИТ в триггер Ti второй бит последовательности. Каждый очередной тактовый импульс сдвигает содержимое регистра влево еще на одну ячейку и вводит в триггер Ti очередной бит последовательности. Эта процедура заканчивается тогда, когда в триггер fi регистра войдет 20-й (длярассматриваемого примера) бит тест-последовательности, прошедший через цепочку сумматоров по Модулю 2. Оставшийся в регистре код, представленный в шестнадцатеричном формате, дает сигнатуру обработанной двоичной после-

Вид бита 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0.0 1 1 1 0 1 0 1 0

Номер бита 12 3...

т-г~г

I i I i I I I I 1 i-lj.

. . . 181920

довательности (в нашем примере F86H). Ее отображает дисплей сигнатурного анализатора (см. рис. 7.10).

Достоверность сигнатурного анализа. Как бы ни был привле- кателен метод контроля и диагностики, судить о его применимости можно только после оценки достоверности. По отношению к сигнатурному анализу в этом плане необходимо получить ответы на следующие вопросы: может ли фактическая сигнатура точно соответствовать образцовой, если в тестчпоследовательнасти появились ошибки? Позволяет ли сигнатурный а нализ обнаружить ошибку ,в 1 бит? В какой мере зависит достоверность анализа от длины тестнпоследовательности и какова вероятность обнаружения ошибки в ней сигнатурным анализатором?

Чтобы ответить на поставленные вопросы, проведем следующие рассуждения.

Допустим, что исходная тест-носледовательность имеет вид, изображенный на рис. 7.11, т. е. может быть записана в виде 11111101000011101010. Такая последовательность подается в сигнатурный анализатор с выхода исправного узла. Она представляет собой неискаженную последовательность. Будем обозначать, как это принято, безошибочно переданные биты нулем, а биты ошибки - единицей. Так как в нашем примере все биты переданы без ошибок, то последовательность ошибок будет состоять из одних нулей. Ее сигнатура выражается четырьмя нулями.

Теперь предположим, что четвертый (от левого конца) бит nef-редан с ошибкой. Тогда интересующие нас три последовательности будут иметь вид:

искаженная 11101101000011101010

исходная 11 llilOlOOOOll101010

ошибок 00010000000000000000.

Видно, что искаженную последовательность можно интерпретировать как сумму по модулю 2 исходной последовательности и последовательности ошибок.

Несложно показать, что сигнатура искаженной последовательности (в рассмотренном примере FAU8) представляет собой результат -поразрядного суммирования по модулю 2 сигнатуры исходной последовательности (F86H) с сигнатурой последовательности ошибок (0295). Последняя при отсутствии ошибок получается нулевой. Следовательно, ошибка обнаруживается в том случае, если при ее наличии сигнатура искаженной последовательности отличается от сигнатуры .исходной последовательности, т. е. когда сигнатура последовательности ошибок состоит не из одних нулей.

Выясним, может ли получаться нулевая сигнатура при наличии единицы в последовательности ошибок.

Если в сигнатурном анализаторе применен 16-разрядный сдвигающий регистр, то сигнатура не может быть нулевой для после-