Full Text

Введение. Надежность [1] является одним из важнейших показателей качества объектов. Для её обеспечения широко используют контроль и диагностику [2]. Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) [3] широко используются в цифровой аппаратуре, в том числе в высоконадёжной [4, 5]. В настоящее время количество логических элементов и адаптивных логических модулей в ПЛИС достигает нескольких миллионов, например, в таких микросхемах фирмы «Интел», как Agilex, Stratix [6, 7]. Стоимость некоторых подобных «самых продвинутых» ПЛИС достигает десятков тысяч долларов, хотя имеются и ПЛИС среднего и «эконом» класса (тысячи логических элементов) за несколько десятков долларов. Можно сказать, что стоимость ПЛИС в каком-то смысле пропорциональна количеству логических элементов. По мере сокращение технологических норм, а они приближаются к единицам нанометра, с увеличением сложности и размерности логических элементов (в настоящее время реализуются любые логические функции шести переменных и некоторые функции семи и даже восьми переменных), когда общее количество транзисторов составляет уже несколько миллиардов на одном кристалле, возрастают масштаб и сложность диагностирования и контроля. Стандарт IEEE P1500 предполагает разработку ПЛИС со встроенными средствами диагностирования [8, 9, 10]. В то же время актуальные задачи импортозамещения электронной компонентной базы требуют разработки микросхем, которые не уступают мировым аналогам и могут быть использованы в специальных областях. Таковы, например, ПЛИС серии 5578, выпускаемые Воронежским ОА КТЦ-«Электроника», которые не являются прямыми аналогами зарубежных ПЛИС, а микросхемы 5578XC14T и 24Т имеют свою архитектуру и свою среду конфигурирования [11]. Поэтому задачи совершенствования логики отечественных ПЛИС, в том числе путем аппаратно-программных средств диагностирования, являются крайне актуальными. 1. Анализ существующих методов и средств диагностирования логики ПЛИС. Тенденция разработки объектов, в том числе интегральных микросхем со встроенными средствами диагностического обеспечения [12], зародилась ещё в середине 80-х гг. ХХ в., когда были разработаны только первые поколения ПЛИС (программируемые логические матрицы ПЛМ, программируемая матрица логики ПМЛ и другие универсальные логические модули уже использовались с 70-х гг.). Техническое диагностирование (Technical diagnosis) позволяет определить техническое состояние объекта. При этом возможны следующие ответы: работоспособен/неработоспособен (это в узком смысле иногда называют контролем) либо указываются место и тип неисправности (это в узком смысле диагностика). Различают рабочее (ранее называвшееся функциональным, английского эквивалента нет в ГОСТ, можно сказать образно - онлайн-диагностирование) и тестовое техническое диагностирование (Testing) [2]. При рабочем диагностировании объект применяется по назначению (находится в рабочем состоянии [1]), а дополнительные технические средства, работая параллельно, оценивают его состояние [2]. Такое диагностирование наиболее затратное, но оно оправданно для систем критического применения, которые не могут быть остановлены для тестирования в процессе применения. При тестовом диагностировании объект по назначению не применяется (например, в процессе технического обслуживания или после фиксации неисправности с помощью некоторых дополнительных средств рабочего контроля), отключается от штатных входов-выходов, и специальные тестовые средства оценивают его состояние [2]. Для диагностики используется модель отказов (неисправностей). При этом отказ - событие, вызывающее состояние неисправности [1]. Одним из важнейших показателей является достоверность диагностирования (контроля) как степень объективного соответствия результатов диагностирования (контроля) действительному техническому состоянию объекта [2, 12]. Стандарт IEEE 1149.1, аппаратуру, вводимую которым, часто называют по рабочей группе, его разработавшей, JTAG (the Joint Test Action Group) [13], предполагает специальный последовательный интерфейс для ввода диагностических воздействий (тестов) и вывода тестовых реакций из микросхемы. Общая структура тестового диагностирования логики ПЛИС может быть описана в терминах стандарта IEEE 1500 [8], который предполагает Infrastructure Intellectual Property (I-IP) и уже начал применяться для систем на кристалле (SOPC). Предполагается также парадигма тестопригодного проектирования Design For Test - DFT. Если стандарт IEEE 1149.1 предполагает тестирование «извне», то стандарт IEEE 1500 вводит тестирование «внутри» на основе встроенных генераторов тестовых воздействий Automatic Test Pattern Generation ATPG [9, 10] (рис. 1). Рис. 1. Тестирование «внутри» по стандарту IEEE 1500 Таким образом, с помощью средства Fault Simulator моделируются (симулируются) неисправности, подаются тестовые наборы, получают ответы в виде таблицы Fault Detection Table. По таблице получают сигнатуры неисправностей. Если такие ответы будут получены без моделирования неисправностей, это будет свидетельствовать о соответствующем техническом состоянии инфраструктуры. Есть все основания ожидать в ближайшее время введения подобных средств и в ПЛИС. Основой логики ПЛИС типа FPGA (Field-Programmable Gate Array, по-русски ППВМ, программируемая пользователем вентильная матрица) являются так называемые LUT (Luck up Tables). LUT - это универсальный логический модуль, мультиплексор с настраиваемыми входами данных. Например, 1-LUT (на одну переменную) реализует любую функцию одной переменной : (1) где - настройка функции z(x), т.е. соответствующие значения из таблицы истинности функции z(x) . На рис. 2 изображён такой 1-LUT. Рис. 2. 1-LUT, реализующий любую логическую функцию одной переменной по настройке (конфигурации) Обозначим передающие транзисторы (pass transistors) дерева . Инверторы на рис. 2 предназначены в основном для усиления сигналов, передаваемым по ветвям дерева и по матрице коммутаций (x - из других элементов, блоков или с внешних выводов; - из конфигурационной памяти SRAM - static random access memory, это по-русски оперативное запоминающее устройство ОЗУ), не указанной на рис. 2. Кроме того, инвертор обеспечивает собственно инверсию сигнала переменной . Поэтому функцию (1) представим в развернутом виде: (2) где - переменные работоспособности 1-LUT, влияющие на результат вычислений. Полный (тривиальный) тест заключается в переборе значений и оценке значения z(x). Но он позволяет зафиксировать только факт неисправности. Для определения места неисправности необходим перебор всех переменных в соответствии с моделью отказов (неисправностей) Fault Model [14]. Это могут быть константные неисправности на уровне логического элемента - константа 0, константа 1 (stuck-at faults at faults: stuck-at-0, stuck-at-1) . Например, замыкание на шину питания или шину «Ноль вольт». Это могут быть неисправности на транзисторном уровне - постоянно открыт или постоянно закрыт (stuck on, stuck-closed; stuck-off, stuck-open) . Это могут быть замыкания линий связи (мостящие неисправности - bridging faults), с учетом «проводных» логических операций И, ИЛИ + доминирование одних линий над другими (wired-AND, wired-OR, dominant) [14]. Кроме этих «логических» неисправностей есть ещё и параметрические, например, изменение временных задержек или других параметров элементов и схем. Безусловно, для такого простого элемента, как 1-LUT, нет смысла искать место неисправности. Как говорится, «отказал, так отказал!». Но при большем числе переменных можно в ряде случаев использовать хотя бы половину элемента [15]. С точки же зрения надёжности все переменные работоспособности соединены последовательно, и любая их неисправность приведёт к неисправности LUT. Можно ограничиться учетом только транзисторов (не учитывая надёжность линий связи), поэтому, принимая распределение, например Вейбулла [16], получим вероятность безотказной работы 1-LUT: (3) 12 - суммарное количество транзисторов, - коэффициент распределения Вейбулла, l - интенсивность отказов одного транзистора, t - время. На самом деле, конечно, не каждая неисправность элементов на конкретном наборе приведет к неисправности z(x) на выходе. Если необходимо учитывать внешние связи, надо включить в формулу (3) соответствующие интенсивности отказов, например, так: (4) При отсутствии диагностики достоверность функционирования устройства равна вероятности безотказной работы. Обычно принимается допущение о том, что в объекте не более одного отказа, что позволяет снизить размерность задачи, но, однако, не всегда верно в случаях массированного воздействия негативных факторов. Существующие методы диагностирования логики ПЛИС основаны, как правило, на внешнем тестировании в соответствии со стандартом IEEE 1149.1 (JTAG) [13], либо предлагаются варианты введения элементов стандарта IEEE P1500 [8]. В ряде случаев это требует загрузки нескольких конфигураций ПЛИС. Хороший обзор методов диагностирования логики дан в работе [17], в которой предложена новая встроенная аппаратура (Built-in Self-Test - BIST), обнаруживающая любые единичные неисправности в LUT каждого конфигурируемого логического блока CLB путём перекрестного сравнения результатов вычислений четырех LUT. При этом дополнительные затраты площади кристалла CLB оцениваются авторами в 19 %, а увеличение потребляемой мощности - на 25 %. При этом сами логические элементы LUT остаются низменными. Используется также подход генетических алгоритмов в работах Ю.А. Скобцова [18, 19], Д.Е. Иванова. Такой подход, но с использованием новых элементов LUT, обеспечивающих как рабочее диагностирование [20], так и тестовое [21], исследован в диссертационной работе А.Ю. Городилова [22]. Однако в полной мере особенности и возможности новых элементов относительно их диагностики, включая [23-26], исследованы не были. 2. Новые логические элементы ПЛИС. Один из предложенных ранее логических элементов [23] использует ДНФ представление логической функции (реализуется система логических функций в ДНФ), который может конфигурироваться так же, как LUT. Показано, что использовать их целесообразно при большом количестве переменных n. Обозначим множество таких элементов . Следующий новый элемент основан на реализации дешифратора [24], что позволяет реализовывать систему m логических функций в СДНФ. Обозначим множество таких элементов DC-LUT . Предложен также LUT, реализующий сразу две функции от одних и тех же аргументов [25], множество таких элементов . Анализ всех этих элементов представлен в [26]. С целью повышения контролепригодности разработан LUT с самоконтролем [20], назовём такие элементы , а также LUT с одновременной реверсной проверкой всех ветвей дерева транзисторов [21], назовём такие элементы Введение самоконтроля [20] возможно и для остальных LUT-подобных элементов: . Рассмотрим реверсное тестирование [21] (рис. 3). Рис. 3. Реверсное диагностирование (Test=1) С целью усовершенствования реверсного тестирования предлагается введение средств выбора ветви (ранее все ветви активировались одновременно) (рис. 4, а) и с управлением отдельными адресными линиями (рис. 4, б). Обозначим такие модификации: . а б Рис. 4. Обратное диагностирование: а - (Test 1=1, Test 1=1) с возможностью выбора ветви дерева (Test 1=1, Test 1=0 ); б - с управлением отдельными адресными сигналами (Test 2,3,4) 3. Постановка задачи. Для диагностирования логики ПЛИС, включающих новые элементы, используем встроенные средства, обеспечивающие генетические алгоритмы GA определения технического состояния логики. В связи с этим возникает задача, с одной стороны, допустимого (DOP) снижения точности и/или быстродействия , увеличения объёма оборудования при максимизации достоверности диагностирования (t - общее время работы оборудования) с учетом увеличения интенсивности отказов (сбоев) за счет дополнительного вводимого оборудования. Таким образом, дано множество логических элементов М: (5) Требуется для встроенной аппаратуры разработать генетический алгоритм диагностирования М на основе заданной модели отказов (6) так, чтобы Выводы. Таким образом, существующий научно-методический аппарат диагностирования логики ПЛИС основан на тестировании традиционных элементов без учета возможностей рабочего самотестирования и реверсного тестирования сразу всех ветвей дерева передающих транзисторов, что позволяет ускорить поиск неисправностей. Кроме того, недостаточно проработаны вопросы диагностики элементов на основе ДНФ представлений систем логический функций и элементов с реализацией систем функций на основе СДНФ. Поставлена задач совершенствования генетических алгоритмов встроенного тестирования логики, включающей новые логические элементы с самоконтролем и реверсным тестированием.

About the authors

E. Yu Danilova

Perm State National Research University

References

Statistics

Views

Abstract - 312

PDF (Russian) - 15

Refbacks

• There are currently no refbacks.