CC BY
98
УДК 681.326.32
Радиотехника и связь
РАЗРАБОТКА АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МЕТОДОВ ТЕСТИРОВАНИЯ И ОТЛАДКИ ЦИФРОВЫХ СХЕМ
О.Ю. Мартынов, Е.Д. Алперин
В статье отражены результаты исследования: выполнено моделирование, проведено тестирование и отладка работы микроконтроллера, проведена синхронизация генератора логических последовательностей и логического анализатора, созданы текстовые файлы логических последовательностей для генератора логических последовательностей, произведено сравнение результатов моделирования с реальной работой микроконтроллера
Ключевые слова: тестирование, отладка, генератор логических последовательностей, логический анализатор, микроконтроллеры
Постановка задачи. Современные системы управления невозможно представить без систем реального времени [1], строящихся на базе микроконтроллеров (МК) и микропроцессоров (МП). Основными задачами таких систем являются контроль состояния управляемых объектов, сбор и обработка данных, формирование управляющих воздействий. Необходимость реализации сложных алгоритмов управления, использование большого количества входных аналоговых и цифровых сигналов осложняют тестирование и отладку работы микроконтроллера в процессе его разработки. Поэтому для проведения тестовых испытаний необходимо использовать специальные аппаратно-программные средства, учитывающие конструктивные особенности испытательных имитирующих и моделирующих установок, и конкретные условия проведения испытаний.
В настоящее время мировой рынок контрольно-измерительного оборудования и приборов предоставляет потребителю широкий набор современных инструментов для функционального и параметрического контроля интегральных схем. Лидеры отрасли, например, американская компания Teradyne, японская фирма Advantest и др., производят автоматические комплексы тестирования интегральных микросхем любой степени интеграции, обеспечивают контроль функционирования и электрических параметров кристаллов на пластинах всех размеров. Отличительными особенностями измерительной техники данных компаний является высокая скорость и точность измерений, многофункциональность, гибкость, универсальность, поддержка парал-
Мартынов Олег Юрьевич - ОАО «НИИЭТ», инженер, тел. 8 (908) 133-34-43
Алперин Евгений Данилович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 243-77-65
лельного тестирования и др. Измерительная платформа комплексов позволяет расширять и наращивать измерительные возможности, видоизменять их при появлении новых требований пользователя к контролю компонентов.
Однако наряду с неоспоримыми достоинствами у подобного контрольно-измерительного оборудования имеются существенные недостатки. Основными недостатками являются очень высокая стоимость оборудования, его большие габариты, высокий уровень шума, высокое энергопотребление, необходимость обслуживающего персонала, необходимость обеспечения доступа к специальным средам для работы. Окупаемость оборудования достигается при использовании его для производственных нужд, серийных поставок.
По указанным причинам встает вопрос о поиске альтернативных методов измерения интегральных компонентов. Основными критериями поиска являются доступность оборудования, его низкая стоимость и возможность проведения тестирования и отладки в кратчайшие сроки.
Одним из доступных способов отладки и тестирования микроконтроллеров является использование логического анализатора (ЛА), задача которого сводится к фиксации цифровых последовательностей сигналов, их визуализации и анализа, и генератора логических последовательностей (ГЛП) для контроля тестовых команд и внешних воздействий на микроконтроллер.
ЛА характеризуются частотой внутреннего и внешнего тактирования, емкостью памяти на канал, числом каналов, способами синхронизации и запуска, формой представления данных.
Для определения значений сигналов в ЛА используют компараторы, с помощью которых
выясняется, выше или ниже входной сигнал заданного порогового уровня. Если сигнал превышает порог, его уровень определяется как высокий, если ниже порога, то низкий.
ЛА позволяет произвести измерения с разными методами запуска, синхронизации и обнаружения помех.
Современные анализаторы цифровых систем имеют возможность работы в синхронном и асинхронном режимах. Асинхронный режим позволяет отследить временные сдвиги сигналов, а также ликвидирует задержки в линии передачи тактирующего сигнала. Как следствие, ЛА позволяет произвести измерения и отладку цифровых систем с высокой частотой измерений. При использовании синхронного режима работы возможна синхронизация генератора и анализатора для дальнейшего сравнения листингов моделирования и реального тестирования микроконтроллера.
ГЛП имеют различные варианты синхронизации (внешним и внутренним тактовым сигналом), передачи сигналов (по событиям, сигналам, времени), а также возможности временного сдвига сигналов на каналах относительно друг друга.
Проблемы, возникающие при тестировании МК с помощью ЛА и ГЛП. Современные микроконтроллеры являются высокоскоростными сложными устройствами, таким образом, это приводит к сложности их тестирования и измерения их ключевых параметров. Поэтому необходимо выделить проблемы, которые могут возникнуть при тестировании МК, и описать возможные методы их решения.
Несогласованность логического анализатора и генератора логических последовательностей приводит к возникновению временных задержек по линиям передачи. Это может привести к разности результатов реальной работы контроллера и моделирования.
При использовании в микроконтроллерах и микропроцессорах квазидвунаправленных портов возникает возможность короткого замыкания при подаче на выводы данных и одновременной выдаче данных по этим выводам. Поэтому необходимо отслеживать моменты переключения работы портов и переводить выводы измерительного комплекса в состояние высокого импеданса.
На высоких частотах время отклика микроконтроллера на входное воздействие очень мало, поэтому использование высокочастотного измерительного оборудования (частота которого в разы больше максимальной частоты микроконтроллера) позволит с высокой точностью определить событие и минимизирует возможный пропуск какого-либо сигнала. Для получения объективных результатов необходимо иметь синхронизированные во времени результаты работы микроконтроллера и его модели, чтобы была возможность сверить значения на выводах микроконтроллера и в случае ошибки видеть, в каком именно векторе произошел сбой работы, что важно для дальнейшей отладки всей системы. Отсюда возникает необходимость иметь специальное программное обеспечение для данных операций.
Проведение тестирования и отладки микроконтроллера с помощью ЛА. В данной статье было проведено исследование возможности и точности тестирования микроконтроллера 1874ВЕ7Т [1] производства ОАО «НИИ-ЭТ» (на базе Intel MCS-96) при помощи оборудования фирмы Tektronix - логического анализатора TLA 7000 [2] серии и ГЛП PG3A [3], а также произведена отладка измерительных тестов.
Первоначальным этапом проведения тестирования микроконтроллера стала симуляция работы его RTL-модели, написанной на языке Verilog HDL. Для данной задачи использовалось программное обеспечение САПР Cadence. Проведенное тестирование показало правильность работы системы команд ядра микроконтроллера.
После отладки тестов и получения временных диаграмм возникает задача создания текстового файла с входными последовательностями для ГЛП и проверочного файла с зарегистрированными состояниями всех выводов микроконтроллера. Для этого была разработана блок-схема кода Verilog HDL, реализующего данную задачу (рис. 2).
Рис. 2. Блок-схема программы-скрипта
Основной функцией данной программы является фиксация состояния всех выводов RTL-модели микроконтроллера 1874ВЕ7Т с учетом направленности сигналов - если вывод работает как выход, то его состояния записываются как «H» - уровень логической «1» и «L» - уровень логического «0». Если вывод работает как вход, то его состояние в последовательности записывается как «1» и «0» соответственно.
Данная программа была написана и отлажена с помощью инструментов САПР Cadence на языке программирования Verilog [4], [5]. Были учтены особенности работы микроконтроллера и ГЛП, формирование и форматирование текстового документа с логическими последовательностями проведено таким образом, чтобы ГЛП воспринимал данные зна-
чения, а также переводил свои выходные линии в высокоимпедансное состояние в случае работы вывода микроконтроллера на выход. Для выполнения данной задачи использовались функциональные возможности ГЛП, а именно - функция «Inhibits», позволяющая производить программный или аппаратный перевод выходов ГЛП в высокоимпедансное состояние (Z-состояние). То есть, все состояния выводов микроконтроллера 1874ВЕ7Т записывались с помощью «1» и «0», а направленность сигналов (входные или выходные) определяется с помощью дополнительной функции Inhibits. Таким образом, когда Inhibits определенного вывода был равен «1», ГЛП автоматически переводил в Z-состояние свои выводы, подключенные к выводам микроконтроллера, а микроконтроллер, в свою очередь, по соответствующим выводам производил передачу данных. Данная особенность формируемой логической последовательности позволяет программно избежать короткого замыкания на выводах измерительного оборудования.
Для предотвращения временных задержек на линии передачи была использована витая пара для подключения измерительного оборудования к микроконтроллеру, а также вводились временные задержки на каналах генератора логических последовательностей для того, чтобы получить результаты реального тестирования, аналогичные моделированию. Временные задержки позволяют сдвигать логические последовательности в диапазоне от нескольких наносекунд до сотен наносекунд, в зависимости от частоты входного тактового сигнала микроконтроллера.
KR,RD( Р2 [5] RST IN SYGN P4 P3 Inhibits Strobe
Vector Binary Hex Binary Binary Binary Binary Hex
58957 ZZZZZZZZ 01 00010111 00100001 10111010 0000000011110001 0
58958 ZZZZZZZZ 01 01010111 11111101 11001101 0000000011110001 1
58959 ZZZZZZZZ 01 00010111 11111101 11001101 0000000011110001 0
Рис. 3. Логические последовательности ГЛП с учетом функции «Inhibits» (Z - высокоимпедансное состояние выводов)
На рис. 3 показан фрагмент логической последовательности векторов для ГЛП. Слева указывается порядковый номер вектора, затем по столбцам - состояния определенных выводов микроконтроллера (задаются только входы или квазидвунаправленные порты). В данной таблице «1» обозначает высокий уровень сигнала - 2,5 В (при напряжении питания микроконтроллера 1874ВЕ7Т 3,3 В), «0» - низкий
уровень сигнала - 1,5 В. говорит о том, что вывод ГЛП находится в высокоимпеданс-ном состоянии, а соответствующий вывод микроконтроллера работает как выход.
Следует учесть, что ГЛП используется для формирования внешнего тактового сигнала для микроконтроллера 1874ВЕ7Т, то есть необходимо частоту формирования последовательностей увеличивать в 2 раза по сравнению
с внешней тактовой частотой, используемой при моделировании работы микроконтроллера.
Таким образом, создается система микроконтроллера и ГЛП, в которой ГЛП играет роль внешней памяти и внешних воздействий и сигналов (например, тактового сигнала и сигнала сброса), а ввод задержек генератором логических последовательностей и использование витой пары приводят к достижению результатов работы контроллера, аналогичных симуляции его RTL-модели. Доказательство данного факта являлось следующим этапом данной работы.
Контроль состояния выводов микроконтроллера осуществлялся с помощью логического анализатора TLA 7000 фирмы Tektronix. При подаче последовательности сигналов на входы микроконтроллера происходит определенный отклик на воздействия. Логический анализатор с частотой до 1,4 ГГц в асинхронном режиме и с частотой до 300 МГц в синхронном режиме [6] (частота ГЛП) производит сравнение входных и выходных сигналов микроконтроллера с помощью внутренних компараторов. Результатом является схематичное отображение входных и выходных воздействий микроконтроллера и текстовый файл с временными последовательностями работы микроконтроллера.
В синхронном режиме работы ЛА и ГЛП возможно сравнение текстовых файлов с временными последовательностями, полученных при симуляции RTL-модели микроконтроллера и полученных при тестировании с помощью ЛА и ГЛП. Для сравнения этих текстовых файлов была написана программа, сравнивающая строки и столбцы текстовых файлов и при этом игнорирующая пробелы и знаки табуляции. Сравнение текстовых файлов показало, что результаты совпадают.
Заключение. Тестирование и отладка являются одними из трудоемких и ответственных стадий производственного цикла микроконтроллеров. При высокой стоимости измерительного оборудования остро встаёт вопрос
о нахождении более дешевых альтернатив при практически неурезанных функциональных возможностях. Проведенное исследование показало, что использование современных логических анализаторов и генераторов логических последовательностей позволит совершать тестирование, отладку, контроль над состояниями микроконтроллеров на высоких рабочих частотах с достаточно высокой точностью, и при этом цена логического анализатора на порядок ниже специализированных измерительных комплексов. Данный метод является абсолютно безопасным как для выводов микроконтроллера, так и для измерительного комплекса благодаря использованию программной возможности отключения выводов ГЛП, что исключает возникновение короткого замыкания.
Также результатом работы является получение программы-скрипта, которая позволяет создать текстовый файл с последовательностью логических отсчетов, соответствующих действующим значениям при работе микроконтроллера. Использование всех возможностей программы-скрипта позволяет провести сравнение результатов моделирования и реальной работы микроконтроллера, а также ввести программные задержки для полной синхронизации. Но данная программа не является универсальной, для корректной работы с другим семейством микроконтроллеров необходимо произвести незначительные доработки.
Литература
1. Микросхема интегральная 1874ВЕ7Т. Техническое описание. ОАО «НИИЭТ», 2013.
2. Семейство логических анализаторов Tektronix. Краткое руководство по эксплуатации. Tektronix. Inc, 2013.
3. PG3A. User's Manual. Tektronix. Inc, 2012.
4. Cadence Nclaunch Tutorial. Electrical and computer enginnering department, university of Cyprus, 2010.
5. Verilog HDL A guide to Digital Design and Synthesis. Самир Палниткар, 1996.
6. TLA7000 Logic Analyzer [Электронный ресурс]: Режим доступа: World Wide Web. URL: http://www.tek.com/logic-analyzer/tla7000.
Научно-исследовательский институт электронной техники, г. Воронеж Воронежский государственный технический университет
DEVELOPMENT OF ALTERNATIVE METHODS OF TESTING AND DEBUGGING
OF DIGITAL CIRCUITS
O.Y. Martynov, E.D. Alperin
The article presents the results of research: modeling, conducted testing and debugging of the microcontroller has synchronized oscillator coherent and logic analyzer, create a text file logical sequence generator for a logical sequence, a comparison of simulation results and the real work of the microcontroller
Key words: testing, debugging, logical sequence generator, logic analyzer, microcontrollers
