Elementy cyfrowe i układy logiczne Wykład 10 Legenda Testowanie układów logicznych Potrzeba testowania Uszkodzenia i modele błędów Generowanie wektorów testowych dla układów kombinacyjnych 2 1
Potrzeba testowania Gdy układ logiczny lub system cyfrowy został wyprodukowany, wówczas jest niezbędne jego sprawdzenie w celu wykrycia wad (uszkodzeń), które mogły powstać podczas jego wytwarzania lub później podczas transportu i użytkowania. (Zakładamy, że opis logiczny układu był poprawny, co stwierdzono przez sprawdzenie za pomocą symulatora logicznego). 3 Potrzeba testowania cd. Testowanie układów jest bardzo ważne i powinno być zaplanowane już w początkowym etapie projektowania, ponieważ procesy stosowane podczas wytwarzania układów nie są doskonałe. Celem testowania jest wykrycie wad, tak aby uszkodzony układ mógł być zidentyfikowany. Wyniki testowania mogą być zwrotnie wykorzystane na linii produkcyjnej w celu poprawienia procesu produkcji. 4 2
Potrzeba testowania cd. Co może spowodować defekt układu? Układ może mieć fizyczne defekty powstające podczas wytwarzania. Defekty te mogą zmienić działanie układu. Układ może zostać uszkodzony podczas transportu. 5 Potrzeba testowania cd. Testowanie - poważne wyzwanie intelektualne dla konstruktorów (duża liczba możliwych uszkodzeń układu). Jednym sposobem sprawdzenia działania obudowanych elementów jest zastosowanie sygnałów testowych doprowadzonych do zewnętrznych wejść obudowanego elementu i obserwowanie sygnałów na jego wyjściach. Jeżeli sygnały wyjściowe różnią się od oczekiwanych, to przyjmujemy, że w układzie występuje jakieś uszkodzenie lub wystąpił błąd logiczny w projekcie układu. 6 3
Potrzeba testowania cd. Błąd w projekcie może być wykryty za pomocą symulatora po zastosowaniu odpowiednich wektorów testowych. Wektory testowe są tworzone na podstawie funkcji jaką ma realizować układ. W celu przeanalizowania występujących błędów stosuje się odpowiednie wektory testowe do rozpoznania poszczególnych błędów w układzie. Często nie trzeba lokalizować miejsca uszkodzenia, wystarczy tylko stwierdzenie, że w układzie występuje usterka (chyba że celem badania są jakieś szczególne aspekty procesu wytwarzania). 7 Uszkodzenia i modele błędów Istnieje wiele możliwych rodzajów uszkodzeń fizycznych wpływających na działanie układu. Uszkodzenia mogą być modelowane z uwzględnieniem wpływu, jaki mają na działanie układu. Modele błędów Modele błędów spowodowanych uszkodzeniami prowadzącymi do błędów logicznych Modele błędów spowodowanych uszkodzeniami parametrycznymi 8 4
Błędy logiczne i parametryczne Modele błędów logicznych dotyczą uszkodzeń, które wpływają na funkcję logiczną układu (działanie funkcjonalne układu). Modele błędów parametrycznych dotyczą uszkodzeń, które wpływają na wartości parametrów układu, takich jak napięcie, prąd, próg przełączania i opóźnienie. 9 Błąd stałej wartości logicznej Wiele błędów można modelować jako powodujące występowanie na ścieżce sygnałowej (na wejściu lub wyjściu bramki) ustalonej wartości logicznej 1 lub ustalonej wartości 0. Błąd logiczny sklejenia z 1 - uszkodzenie prowadzące do ustalonej wartości 1 na ścieżce sygnałowej (błąd stałej 1 : stuck-at-1, skrótowe oznaczenie s-a-1). Błąd logiczny sklejenia z 0 - uszkodzenie powodujące ustaloną wartość 0 (błąd stałego 0 : stuck-at-0, skrótowe oznaczenie s-a-0 ). 10 5
Inne rodzaje błędów Czasami wewnętrzne zwarcie lub rozwarcie może powodować występowanie ustalonej wartości logicznej 0 lub ustalonej wartości 1 na wyjściu, ale częściej na wyjściu może wystąpić napięcie o nieokreślonej wartości pośredniej. 11 Inne rodzaje błędów cd. Uszkodzenia występujące w układach logicznych CMOS, które nie mogą być opisane modelem sklejenia z...", są uszkodzeniami prowadzącymi do błędów rozwarcia (błędy stuck open"). Przy uszkodzeniu powodującym ten błąd, tranzystor zachowuje się jak obwód trwale rozwarty (duża impedancja). To może powodować, że na wyjściu przez krótki okres (zwykle kilka milisekund) występuje poprzednia wartość, gdy oba tranzystory wyjściowe (push-down,ściągający i pull-up, podciągający) są wyłączane. 12 6
Inne rodzaje błędów cd. Uszkodzenie zmostkowania - zwarcie między dwoma elementami układu. Jego rzeczywisty wpływ na działanie bramki zależy od technologii bramki i umiejscowienia zwarcia. Może ono zmienić funkcję logiczną i spowodować zachowanie się bramki jak przy błędach typu sklejenie z..." (stuck-al-fault). Mogą także wystąpić inne efekty, np. zmostkowanie wejścia z wyjściem w kombinacyjnym układzie logicznym może spowodować, że zostanie utworzony układ sekwencyjny. Jeżeli dwa wyjścia są zmostkowane, to wypadkowe napięcie na połączonych razem liniach będzie zależało od wydajności prądowej bramek wysterowujących te linie, gdy na jednej bramce jest wysoki poziom napięcia, a na drugiej niski. 13 Model pojedynczego błędu sklejenia Model błędu typu stuck-at jest najbardziej popularny z powodu swojej prostoty. Jest on używany jako model błędów w większości symulatorów. Rzeczywiste uszkodzenie powodujące błąd prawdopodobnie znajduje się wewnątrz bramki. Model sklejania (stuck-at) opisuje skutki występowania uszkodzeń fizycznych na wejściach lub wyjściach układu. 14 7
Model pojedynczego błędu - cd. Dla dwuwejściowej bramki AND możliwych jest sześć pojedynczych błędów sklejenia (stuck-at), czyli jeden z dwóch możliwych błędów na każdej z trzech linii. Ogólnie, przy k liniach sygnałowych występuje 2k różnych kombinacji pojedynczych błędów. 15 Model pojedynczego błędu - cd. Przy wielokrotnych błędach występujących jednocześnie, każda linia sygnałowa może być: wolna od błędów, sklejona z 0 (stuck-at-0) sklejona z 1 (stuck-at-l). Dla danych k różnych linii występuje 3 k możliwych kombinacji trzech stanów każdej linii. Jednym z nich jest kombinacja braku w ogóle błędów na liniach układu. W związku z tym jest 3 k -1 różnych kombinacji stanów określających występowanie przynajmniej jednego błędu na k liniach. 16 8
Model pojedynczego błędu - cd. To uszkodzenie może być skutkiem błędu na wyjściu bramki AND ale może być też odrębnym uszkodzeniem Lokalizacja błędów w prostym układzie logicznym (5 możliwych przypadków wystąpienia błędów: s-a-0 lub s-a-1, czyli 10 możliwych pojedynczych błędów sklejenia) Lokalizacja błędów w układzie z bramką AND obciążoną dwiema innymi bramkami) 17 Generowanie wektorów testowych dla układów kombinacyjnych 18 9
Generowanie wektorów testujących Tylko bardzo prosty układ mógłby być testowany przez zastosowanie wszystkich kombinacji wartości sygnałów wejściowych i porównanie otrzymywanych wartości sygnałów wyjściowych z tablicą wartości definiującej funkcję układu. Na przykład, dwuwejściowa bramka AND mogłaby być w pełni przetestowana po podaniu na wejścia kombinacji wartości sygnałów: 00, 01, 10 i 11 i stwierdzeniu, iż na wyjściu wystąpią odpowiednio wartości: 0, 0, 0 i 1. Jeżeli wartości odpowiedzi różnią się w którymś przypadku, to z całą pewnością wiemy, że w układzie wystąpiło uszkodzenie powodujące ten błąd. 19 Generowanie wektorów testujących Wektor testowy - właściwe kombinacje wartości sygnałów wejściowych zastosowane do wykrycia błędu. Zbiór testów - grupa wektorów testowych używanych do sprawdzenia układu. Ponieważ, wraz ze wzrostem złożoności układu zwiększa się liczba jego wejść, więc wykorzystywanie do testowania wszystkich kombinacji wartości sygnałów wejściowych staje się niepraktyczne. Podstawowym problemem jest więc wybranie najmniejszej liczby wektorów testowych do wykrycia błędów. 20 10
Metody tablicowe i algebraiczne Jeżeli znana jest funkcja boolowska układu, to przez proste porównania funkcji bez uwzględniania występowania uszkodzeń i z uwzględnieniem występowania uszkodzeń można wyprowadzić wyrażenia boolowskie opisujące wektory testowe. Można to zrobić na podstawie tablicy prawdy przez zestawienie wartości sygnałów wyjściowych z uwzględnieniem i bez uwzględnienia uszkodzeń. Można także wykonywać pewne przekształcenia algebraiczne funkcji boolowskich, które mogą prowadzić do zbioru odpowiednich testów (jak np. w boolowskiej metodzie różnicowej). Metody te można stosować dla bardzo małych układów. 21 Metoda pobudzenia ścieżki Metoda pobudzenia (uaktywnienia) ścieżki (path sensitization method) jest metodą odpowiednią dla bardziej złożonych układów kombinacyjnych. W tej metodzie stwierdza się, czy jakiś błąd występuje w danym miejscu dzięki zastosowaniu przeciwnej wartości logicznej do powodującej błąd w tym miejscu. Jeżeli test jest dla błędu sklejenia z 1 (s-a-1), to stosujemy wartość 0. Jeżeli test ma wykryć błąd sklejenia z 0 (s-a-0), to stosujemy wartość 1. Przez zastosowanie odpowiedniej wartości sygnału wejściowego włącza się ścieżkę, którą dany układ przenosi błąd uszkodzenia z miejsca jego występowania na wyjście, gdzie może być obserwowany. 22 11
Metoda pobudzania... - przykład Należy wykryć błąd typu s-a-0 na wyjściu bramki AND. Wskazane miejsce błędu należy wysterować do wartości 1 (poziom przeciwny do poziomu uszkodzenia). Można to zrealizować podając wartość 1 na wejścia branki AND. Następnie musimy spowodować propagację tego błędu do wyjścia, co można zrealizować podając wartość 0 na wejście bramki OR. Wartość logiczna na wyjściu bramki AND (tj. 0 - jeżeli jest uszkodzenie, 1 - gdy nie ma uszkodzenia) pojawi się na wyjściu bramki OR. 23 D Metoda pobudzania... cd. W niektórych układach poziom logiczny może być odwrócony - na przykład, przy użyciu bramek NOR zamiast bramek OR. Dla ułatwienia opisu odpowiedzi układu zastosowano literę D do wskazania, że sygnał wyjściowy przy niewystępowaniu błędu ma wartość l, a przy wystąpieniu błędu w wartość 0. Podobnie, D wskazuje, że sygnał wyjściowy ma wartość 0 przy niewystępowaniu uszkodzenia, natomiast wartość 1 przy występowaniu uszkodzenia. Symbole D i D pierwotnie były użyte w D-algorytmie (algorytmicznym sposobie otrzymywania wektorów testowych metodą pobudzenia ścieżki), opracowanym przez Roth a w 1967 roku. 24 12
Wymuszanie wartości... Rysunek obrazuje wartości sygnałów wejściowych wymagane, aby wymusić na wyjściu każdej z podstawowych bramek wartość logiczną 0 lub l. X - wartość nieokreślona (don't care), czyli może wówczas występować 0 albo 1. Podstawowe bramki mają nierozróżnialne wejścia, a więc można je zamieniać nie powodując zmiany wartości funkcji. 25 Wymuszanie odpowiednich wartości Rysunek pokazuje wymagane wartości sygnałów dla podstawowych bramek, aby nastąpiła propagacja błędów z wejścia bramki na wyjście. Bramki Ex-OR i Ex-NOR mają użyteczną cechę, która powoduje, że błąd z wejścia jest propagowany przez bramkę do wyjścia, niezależnie od wartości logicznej na pozostałym wejściu (oczywiście, musimy wiedzieć, czy poszukiwana wartość odpowiedzi to D czy D). 26 13
Pobudzanie ścieżki Każda bramka na ścieżce do zewnętrznego wyjścia powinna być pobudzona. Dla bramek podstawowych są potrzebne te same wartości sygnałów wejściowych, lecz w tym przypadku będzie następowało propagowanie D lub D. Pobudzanie (włączanie) ścieżek jest realizowane przez zastosowanie wartości logicznej l na wejściach bramek AND i NAND, lub przez podanie wartości 0 na wejścia bramek OR i NOR (wyłączając oczywiście wejście z występującym błędem). Dowolna wartość może być natomiast zastosowana na wejściach bramek exclusive-or i exclusive-nor. 27 Pobudzanie ścieżki cd. 28 14
Pobudzanie ścieżki przykład 1 Sygnałem x 0 =0 usiłujemy wymusić w miejscu występowania błędu wartość logiczną 0. Sygnały na pozostałych wejściach zewnętrznych układu powodują pobudzenie ścieżki do zewnętrznego wyjścia. Jeżeli na wyjściu jest wartość l, to wiemy,że błąd nie występuje, a gdy jest 0, oznacza to,że w układzie występuje błąd. 29 Pobudzanie ścieżki przykład 2 Stwierdzenie błędu sklejenia s-a-0 Należy zapewnić: x 0 = 1 lub x 1 = 1 lub na obu wejściach x 0 =1 i x 1 =1. Sygnał D na wyjściu bramki NAND wystąpi wówczas, gdy punkt a=1, czyli x 2 =x 3 =1. Aby D zostało przekazane dalej na wyjście f, należy spowodować, aby: b=0 i c=0, czyli x 4 = 1 i x 5 =0. Stąd, wejściowy wektor testowy x 0,x 1,x 2,x 3,x 4,x 5 może mieć postać: 011110 lub 101110 lub 111110. 30 15
Równoważne błędy w bramce Błędy równoważne, to takie błędy, które są wykrywane przez te same wektory testowe. Błędy nie są równoważne, jeżeli istnieje co najmniej jeden wektor testowy, który będzie wykrywał jeden z błędów, lecz nie będzie wykrywał pozostałych. 31 Równoważne błędy - przykład Przykład: Testowana jest trójwejściowa bramka AND w celu wykrycia błędów typu s-a-0 na wejściu. Odpowiednim wektorem testującym jest 111, niezależnie od wejścia, które jest sprawdzane na występowanie błędu. Właśnie pod tym względem wszystkie błędy typu s-a-0 na wejściach bramki AND są równoważne. Ten sam wektor testowy 111 umożliwia także wykrycie błędu typu s-a-0 na wyjściu. Prowadzi to do sytuacji, w której wszystkie uszkodzenia typu s-a-0 na wejściach lub wyjściach bramki AND są równoważne i możemy tylko stwierdzić jedno z nich. Takim wektorem testowym nie można rozróżnić tych czterech błędów. 32 16
Testowanie układów sekwencyjnych i złożonych systemów 33 Potrzeba testowania Dotychczas rozpatrywane były proste kombinacyjne układy logiczne. Układy sekwencyjne i złożone systemy cyfrowe stawiają większe wymagania testowaniu. Testowanie układów sekwencyjnych składa się zasadniczo z dwóch etapów: 1. Układ sekwencyjny musi być przełączony do znanego stanu. 2. Następnie układ z tego stanu musi być przełączony do innego znanego stanu, po zastosowaniu odpowiednich sygnałów wejściowych. Wymaga to sterowalności układu. Obydwa stany: stan bieżący i następny muszą być możliwe do obserwowania. 34 17
Metoda ścieżki testującej Stosując metodę ścieżki testującej (skanującej) dodajemy specjalne elementy do badanego układu, aby umożliwić ustawianie i przełączanie przerzutników w sposób szeregowy. Możliwe do wyboru ścieżki tworzy się między sąsiednimi przerzutnikami tak, aby powstał szeregowy rejestr przesuwający. Ścieżki szeregowego wejścia i wyjścia są poprzez multipleksery dołączane do przerzutników (tworząc z nich rejestr szeregowy) w celu ich szeregowego zapisywania i odczytywania. 35 Metoda ścieżki testującej cd. 36 18
Wbudowane samotestowanie W metodzie samotestowania wykorzystuje się dodatkowe bloki logiczne wbudowane w strukturę układów, aby skonfigurować układ do trybu testowania, wytworzyć sekwencje testujące i umożliwić porównanie generowanych dla nich odpowiedzi z sekwencją sygnałów wyjściowych. Przykład: Układ ze ścieżką testującą może być rozwinięty w układ samotestujący poprzez wbudowanie do niego generatora sekwencji dołączonego do wejścia i komparatorów dołączonych do wyjścia skanowania. Zamiast generatora określonej sekwencji można zastosować generator sekwencji pseudolosowej. 37 Testowanie krawędziowe Metoda testowania (skanowania) krawędziowego jest rozszerzeniem metody ścieżki testującej na złożone systemy realizowane w postaci układów cyfrowych. Każdy układ scalony (chip) wykonuje się z wejściem i wyjściem układu testowania krawędziowego, gdzie przerzutniki przejmują informację z normalnych wyprowadzeń wejść i wyjść oraz tworzą rejestr przesuwający. Wyjście układu testowania krawędziowego jednego układu scalonego może być dołączane do wejścia testowania krawędziowego następnego układu scalonego, aby utworzyć jeden długi rejestr przesuwający. 38 19
Koniec 39 20