Розробка математичних моделей та програмних засобів оцінки показників функціональної надійності цифрових пристроїв

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

УДК 621.382

Розробка математичних моделей та програмних засобів оцінки показників функціональної надійності цифрових пристроїв

Спеціальність 05.13.12 - Системи автоматизації проектування

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Васильцов Ігор Володимирович

ЛЬВІВ 1999

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Державному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти України.

Захист відбудеться “3”березня 1999 року о 14 год. на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д35.052.05 при Державному університеті “Львівська політехніка” за адресою : 290000, Україна, м. Львів, вул. Ст.Бандери,12.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного університету “Львівська політехніка”.

Автореферат розісланий “29”_січня 1999 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент Ткаченко С.П.

АНОТАЦІЯ

Васильцов І.В. Розробка математичних моделей та програмних засобів оцінки показників функціональної надійності цифрових пристроїв. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.12 - системи автоматизації проектування. - Державний університет “Львівська політехніка”, Львів, 1998.

Дисертацію присвячено питанням надійнісного аспекту проектування мікроелектронних цифрових пристроїв. В дисертації показано, що базуючись на розрахунковому підході можна побудувати методику та програмні засоби оцінки показників функціональної надійності мікроелектронних цифрових пристроїв. Запропоновано математичні моделі розрахунку надійнісних параметрів базових логічних елементів та вузлів цифрової техніки. Розроблено архітектуру та створено прикладне програмне забезпечення для надійнісного проектування на етапі функціонально-логічного проектування мікроелектронних цифрових пристроїв. Розроблене програмне забезпечення дозволяє розробнику здійснити зважений вибір оптимальної структури проектованого пристрою.

Ключові слова: математичне моделювання, функціональна надійність, цифрові пристрої, архітектура, алгоритмічне забезпечення.

АННОТАЦИЯ

Васильцов И.В. Розроботка математических моделей и програмных средств оценки показателей функциональной надежности цифровых устройств.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой ступени кандидата технических наук по специальности 05.13.12 - системы автоматизации проектирования.- Государственный университет “Львовская политехника”, Львов, 1998.

Диссертация посвящена вопросам надежностного аспекта проектирования микроэлектронных цифровых устройств. В диссертации обосновано использование расчетного подхода для построения математических моделей (ММ) сбоев в микроэлектронных компонентах цифровых устройств (ЦУ) на схемотехническом уровне. Такой подход позволяет учитывать характерные особенности сбоев: существенную зависимость интенсивности сбоев от математического смысла реализованых алгоритмов и от быстродействия выполнения операций. Основными причинами появления сбоев являются состязания сигналов и внутренние помехи в кристаллах микросхем. Использование расчетного подхода вместе с функциональными возможностями современных программ схемотехнического и логического моделирования ЦУ позволяет создать эффективные методы и средства оценки показателей функциональной надежности ЦУ.

Ключевым вопросом при использовании расчетного подхода является построение модели сбоя логического элемента (ЛЭ), позволяющей оценить вероятность правильного (или неправильногоо) однократного переключения ЛЭ. Для построения упомянутой модели следует решить следующие задачи: а) определить показатели помехоустойчивости ЛЭ; б) построить модели, а также оценить параметры внутренних помех, которые возникают при переключении ЛЭ; в) построить модель сбоя при однократном переключении ЛЭ и оценить вероятность его возникновения.

Для оценки помехоустойчивости ЛЭ в диссертационной работе предложена аппроксимация амплитудной передаточной характеристики (АПХ), которая получена на основании анализа результатов экспериментальных исследований АПХ ЛЭ ТТЛ-типа и учитывает влияние температуры внешней среды, нестабильности напряжения питания, коэфициента нагрузки, а также технологический разброс параметров АПХ. При построении ММ внутренних помех принято, что источником таковых являются ЛЭ, которые переключаются и воздействуют на соседние ЛЭ через шины питания (заземления) и линии связи. Для оценки статистических параметров внутренних помех построены эквивалентные расчетные схемы для моделирования кондуктивной, индуктивной импульсной и перекрестной емкостной помех, которые учитывают конструктивно-технологические параметры микросхем. Для исследования распределений значений напряжения импульсов помех проведено иммитационный эксперимент, анализ результатов которого показал, что за критерием Пирсона с вероятностью 95% можно принять гипотезу о нормальном законе распределения напряжений всех помех. Таким образом суммарная помеха также распределена по нормальному закону, что позволяет вычислять ее дисперисю как сумму дисперсий отдельных составных. Построение модели сбоя базируется на оценке интеграла вероятности Ф(m), для некоторого аргумента m, который равен отношению запаса помехоустойчивости ЛЭ к сумарной помехе m = Uзап/. Полученые оценки вероятности сбоя принимаются как базовые параметры функциональной надежности элементной базы и используются при оценке вероятности правильной реализации конкретной логической функции, которая может проводится паралельно с логическим моделированием. Для реализации предложеной методики автоматизованого построения ММ сбоя ЛЭ разработана оригинальная структура програмного модуля.

В диссертации разработана автоматизированая процедура выявления критических переходов и вырабатывания рекомендаций по устранению риска сбоя, вызваного состязаниями сигналов. Для последовательностных ЦУ в работе разработана оригинальная методика устранения состязаний сигналов на этапе кодирования внутренних состяний цифрового автомата (ЦА), которая разделяет задачу синтеза на две более простые задачи: привидения структуры ЦА к таковой, в которой можно осуществить соседнее кодирование и, собственно, процедуры соседнего кодирования.

Разработана архитектура и построено прикладное программное обеспечение для надежностного проектирования на этапе функционально-логического проектирования микроэлектронных ЦУ в виде подсистемы надежностного проектирования ЦУ “FunNad-2”. Разработанное програмное обеспечение позволяет разработчику осуществить взвешенный выбор оптимальной структуры проектируемого ЦУ.

Ключевые слова: математическое моделирование, функциональная надежность, цифровые устройства, архитектура, алгоритмическое обеспечение.

SUMMARY

Vasiltsov I.V. Elaboration of the mathematical models and software for evaluation of digital devices functional reliability parameters.- Manuscript.

Thesis for a candidate degree by speciality 05.13.12 - Systems of designing automatization. - State university “Lvivska polytechnika”, Lviv, 1998.

The dissertation is devoted to reliability design of microelectronics digital devices. It is shown in the dissertation, that on the basis of calculation approach it is possible to obtain the methods and software for evaluation parameters of the microelectronics digital devices functional reliability. The mathematical models for calculating the reliability parameters of the basic logic gates and digital circuits are proposed. For reliability design on the functional and logical level of microelectronics digital devices designing the architecture has been elaborated and software has been developed. The designed software allow the user to make the consistent choice of the optimal structure of the designed device.

Keywords: mathematical modeling, functional reliability, digital devices, architecture, algorithm software.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Сучасні мікроелектронні цифрові пристрої (ЦП) застосовуються практично в усіх галузях науки та техніки. Саме тому проблема забезпечення високого рівня надійності таких пристроїв стає дедалі актуальнішою. Особливість ЦП, як об'єкта надійнісного аспекту проектування полягає у тому, що він розглядається як система, поведінка якої описується моделлю структури та моделлю алгоритму. Об'єкти такого роду прийнято характеризувати поняттям архітектури, під якою розуміють сукупність структури та алгоритму функціонування. Важливою надійнісною характеристикою таких об'єктів є безвідмовність, кількісним показником якої служить імовірність безпомилкової та своєчасної реалізації алгоритмів. При цьому слід враховувати наявність не тільки раптових стабільних відмов, але й нестійких самоусувних відмов - збоїв. Відомо, що задачі надійнісного аспекту проектування структур та оцінки їх безвідмовності стосовно стабільних відмов досліджені достатньо детально, значною мірою автоматизовані та доведені до рівня інженерних методів завдяки наявності адекватних моделей раптових і поступових відмов компонентів сучасної елементної бази радіоелектроніки.

Внаслідок принципової відмінності між стабільними відмовами та збоями, методи забезпечення надійності стосовно стабільних відмов є малопридатними для забезпечення та оцінювання показників надійності стосовно збоїв. Показником надійності, який характеризує імовірність беззбійної роботи ЦП є функціональна надійність, під якою розуміємо імовірність коректної реалізації заданого алгоритму за певний час, яка визначається безпомилковістю, завершеністю, точністю та своєчасністю за умови, що ЦП перебуває у працездатному стані, тобто за умови відсутності стабільних відмов. В даний час відсутній єдиний обгрунтований підхід до оцінки показників функціональної надійності ЦП. Це пояснюється передусім відсутністю достатньо розроблених математичних моделей (ММ) збоїв, які слугують вихідними даними для надійнісного аналізу. Тому розробка ММ та програмних засобів для оцінки показників функціональної надійності ЦП є актуальною та перспективною задачею, розв'язанню якої присвячена дана дисертація.

Робота виконана в рамках пріоритетного напряму галузевої програми “Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації, системи зв'язку ” згідно з планом науково-дослідних робіт кафедри “Теоретична радіотехніка і радіовимірювання” Державного університету “Львівська політехніка” на 1992-1998рр.

Метою дисертаційної роботи є розробка математичного забезпечення та програмних засобів, призначених для реалізації процедур автоматизованої оцінки та забезпечення показників функціональної надійності мікроелектронних ЦП на підставі розрахункового підходу до побудови моделі збою та аналізу алгебраїчних рівнянь цифрових схем.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі задачі:

На підставі аналізу та узагальнення опублікованих даних про відомі підходи до оцінки функціональної надійності ЦП розробити методологічні основи побудови математичних моделей функціональних відмов та оцінки показників функціональної надійності ЦП.

Розробити математичні моделі функціональних відмов мікроелектронних ЦП, які відображають на схемотехнічному рівні механізми впливу основних дестабілізуючих факторів з урахуванням конструктивно-технологічних параметрів мікросхем.

Розробити методику оцінки показників функціональної надійності логічних елементів (ЛЕ) та типових функціональних вузлів ЦП, які утворюють інформаційну базу даних для оцінки показників функціональної надійності алгоритмічного забезпечення ЦП;

Розробити формалізовані алгоритми оцінки показників функціональної надійності ЛЕ і типових функціональних вузлів ЦП, а також алгоритми виявлення ризику збою ЦП;

Розробити архітектуру програмної підсистеми автоматизованого надійнісного проектування мікроелектронних ЦП;

Розробити програмне, лінгвістичне та методичне забезпечення підсистеми автоматизованого надійнісного проектування ЦП згідно з вимогами сучасних платформ САПР.

Методи дослідження. При виконанні роботи використовувались методи та математичний апарат теорії ймовірностей, теорії множин, теорії графів, теорії цифрових автоматів, алгебри логіки, методи системного аналізу.

Наукова новизна роботи полягає у наступних теоретичних та практичних результатах:

Розвинуто розрахунковий підхід до оцінки показників функціональної надійності ЦП, який на відміну від відомих підходів дозволяє пов'язати кількісні показники функціональної надійності із змістом реалізованих логічних функцій і надійнісними характеристиками логічних елементів та уникнути проведення довготривалих і дорогих експериментів.

Запропоновано нові математичні моделі функціональних відмов логічних елементів інтегральних мікросхем, які на відміну від існуючих враховують залежність показників функціональної надійності від властивостей амплітудних передавальних характеристик логічних елементів, параметрів інформаційних сигналів та конструктивно-технологічних параметрів мікросхем.

Розроблена формалізована методика оцінки показників функціональної надійності логічних елементів інтегральних мікросхем та типових функціональних вузлів ЦП, яка базується на використанні запропонованих математичних моделей функціональних відмов і дозволяє створити ієрархічну базу надійнісних моделей елементів алгоритмічного забезпечення ЦП.

Розроблено формалізовані алгоритми, які покладено в основу автоматизованих проектних процедур, призначених для розв'язання наступних задач надійнісного проектування ЦП: а)виявлення змагань сигналів у комбінаційних схемах на підставі аналізу алгебраїчних форм логічних рівнянь; б) побудови комбінаційних схем, стійких до змагань сигналів, на підставі виявлення та усунення впливу тих переходів вхідних змінних, котрі призводять до появи змагань; в) побудови послідовнісних схем, стійких до змагань елементів пам'яті, на підставі запропонованої методики сусіднього кодування внутрішніх станів цифрового автомата.

Розроблена нова архітектура програмної підсистеми надійнісного проектування мікроелектронних ЦП, яка розширює функціональні можливості існуючих САПР стосовно оцінки показників функціональної надійності ЦП та аргументованого вибору оптимальної структури проектованого пристрою із множини альтернативних варіантів.

Практичне значення отриманих результатів.

В результаті проведених теоретичних досліджень в дисертаційній роботі розв'язана практична задача розробки методів та програмних засобів реалізації автоматизованих процедур надійнісного аспекту проектування ЦП: оцінки показників функціональної надійності та побудови структурних схем із заданими показниками надійності.

Реалізація науково-технічних результатів. Результати дисертації використані в навчальному процесі та при виконанні науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт:

в Державному університеті “Львівська політехніка” в навчальному курсі “Надійнісне схемотехнічне проектування радіоелектронної апаратури”;

у Львівському науково-дослідному радіотехнічному інституті при виконанні теми “Сніг-2”;

на НВП РЕМА при виконанні теми “Розробка аналізатора показників кровообігу АПК-01” (м.Львів);

в лабораторії НДЛ-51 Державного університету “Львівська політехніка” при виконанні держбюджетних НДР:

ДБ/51.РЕЗ “Розробка математичного і програмного забезпечення для автоматизованого проектування відмовостійких радіоелектронних засобів”, № держ.реєстр.: 0191U040379

ДБ/51.РЕЗ.94 “Методи і засоби автоматизації схемотехнічного проектування високонадійних цифрових пристроїв”, №держ.реєстр.: 0194U029602

ДБ/Комплекс “Розробка математичного забезпечення автоматизованих процедур системотехнічного та схемотехнічного надійнісного проектування радіоелектронних пристроїв та систем”, №держ.реєстр.: 0196U000186

ДБ/Синтез “Розробка математичного забезпечення процедур оптимального синтезу самоконтрольованих відмовостійких та живучих радіоелектронних засобів”, № держ.реєстр.: 0198U002382

Достовірність результатів забезпечується коректним використанням методів математичного моделювання, обгрунтованістю прийнятих положень, їх підтвердженням результатами експериментів та даними науково - технічної літератури,

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що положення, які складають суть дисертаційної роботи були cформульовані та вирішені ним самостійно:

проведено аналіз сучасного стану ефективності засобів проектування мікроелектронних ЦП на різних ієрархічних рівнях стосовно задач оцінки показників функціональної надійності [1, 6, 7, 8, 17];

розроблено нові математичні моделі та методи оцінки показників функціональної надійності мікроелектронних ЦП, котрі дозволяють підвищити ефективність процесу проектування [3-5, 9-11, 13, 14, 16, 18] ;

розроблена архітектура підсистеми надійнісного проектування мікроелектронних ЦП [6, 7, 8];

розроблено програмне, математичне та лінгвістичне забезпечення, а також рекомендації стосовно застосування створених інструментальних засобів оцінки показників функціональної надійності [1, 2, 12, 15].

Апробація роботи. Основні положення і результати роботи доповідались та обговорювались на:

Науково-технічних конференціях Державного університету “Львівська політехніка”(1991-1998рр.);

Міжнародній науково-технічній конференції “Машинное моделирование и обеспечение надежности электронных устройств” (м.Бердянськ, 6-10 вересня 1993р.);

Міжнародних науково-технічних конференціях “Сучасні проблеми автоматизованої розробки і виробництва радіоелектронних засобів та підготовки інженерних кадрів” (м.Львів, 1994, 1996, 1998 рр..);

Міжнародних науково-технічних конференціях “Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР мікроелектроніки” (м.Львів, 1995, 1997р.);

Міжнародній науково-технічній конференції “1-st International modeling school AUTUMN'96” (Крим, м.Алушта, 12-17 вересня 1996р.);

Міжнародній науково-технічній конференції “2-nd International modeling school AUTUMN'97” (Крим, м.Алушта, вересень 1997р.);

Міжнародній науково-технічній конференції “3-rd International Conference on Telecommunications in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Services TELSIKS'97” (Югославія, м.Ніш, 8-10 жовтня 1997р.);

Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці та електроенергетиці” (м.Львів, 23-26 вересня 1997р.);

Міжнародному науково-технічному симпозіумі “14-th International Wroclaw Symposium and Exhibition on Electromagnetic Compatibility EMC-98” (Польша, м. Вроцлав, 23-25 червня 1998р. );

Міжнародному науково-технічному симпозіумі “XV Symposium Electromagnetic Phenomena in Nonlinear Circuits” (Бельгія, м.Льєж, 22-24 вересня 1998р).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи висвітлений у 18 публікаціях, з них: 5 у фахових виданнях, 2 у зарубіжних науково-технічних журналах, 11 у матеріалах міжнародних конференцій .

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів з висновками, загальних висновків, списку використаної літератури із 120 найменувань і 7 додатків. Робота викладена на 126 сторінках, містить 50 рисунків, 2 таблиці. В додатках наведено документи про впровадження результатів роботи, дані експериментальних досліджень, ММ кондуктивно-індуктивної завади з врахуванням технологічного розкиду параметрів, приклади опису вхідних файлів, структура файлової системи розробленого програмного забезпечення та приклади використання підсистеми надійнісного проектування “FunNad-2”.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладено загальну характеристику роботи, сформульовано мету та основні завдання досліджень, обгрунтовано актуальність і наукову новизну проблеми, та положення, що виносяться на захист, наведено відомості про апробацію роботи.

У першому розділі показано, що результуючий показник надійності ЦП є комплексним і містить в собі складові, які характеризують, з одного боку, його технічний стан з погляду працездатності і з другого боку - з погляду правильності функціонування (функціональний стан) за умови забезпечення працездатності:

, (1)

де КГ(t0) - коефіцієнт готовності у довільний момент часу t0; PБ(tз) - імовірність безвідмовної роботи протягом часу tз розв'язання обчислювальної задачі; PФ(tз) - імовірність беззбійної роботи за час tз. Показники КГ(t0) та PБ(tз) залежать від показників безвідмовності елементної бази стосовно стабільних відмов, а також від властивостей структурної схеми надійності і характеризують надійність структури ЦП. Показник PФ(tз) характеризує імовірність правильного функціонування (функціональну надійність) ЦП і залежить від показників надійності елементної бази стосовно збоїв та від змісту реалізованих алгоритмів.

Відомо, що інтенсивність збоїв ЦП на кілька порядків вища за інтенсивність стабільних відмов, тому основною причиною неправильного функціонування цифрової апаратури вважають функціональні відмови (збої). Аналіз показав, що питання побудови ММ збоїв в інтегральних компонентах ЦП висвітлено в літературі недостатньо. В багатьох випадках при надійнісному аналізі вважають апріорно заданими інтенсивності збоїв, чи задаються імовірностями правильного виконання певних операторів алгоритму, або ж пропонується отримати в лабораторних умовах експериментальні дані про збої, і основну увагу приділяють питанням надійнісного аспекту проектування на функціонально-логічному та системному рівнях. У дисертаційній роботі прийнято за основу розрахунковий підхід до побудови ММ збоїв в мікроелектронних компонентах ЦП на схемотехнічному рівні, який дозволяє з високою достовірністю врахувати вплив на імовірність появи збою електричних параметрів та режимів роботи вибраної елементної бази, характеристик інформаційних сигналів, параметрів завад та умов експлуатації. Цей підхід дозволяє врахувати характерні властивості збоїв, підтверджені досвідом експлуатації цифрових систем: суттєву залежність інтенсивності збоїв від математичного змісту реалізованих алгоритмів; зростання інтенсивності збійних похибок з підвищенням швидкодії виконання операцій. Основними причинами порушення процесу правильного функціонування мікроелектронних ЦП є два фактори: а) змагання сигналів, спричиненні розкидом затримок виконання операцій в ЛЕ та в лініях зв'язку між ЛЕ; б) внутрішні завади у кристалах мікросхем, які проявляються у вигляді паразитних імпульсних сигналів, що діють на входах ЛЕ. Поєднання розрахункового підходу з функціональними можливостями сучасних програм схемотехнічного та логічного моделювання цифрових схем дозволяє створити ефективні методи та засоби оцінки показників функціональної надійності ЦП та розв'язання задач надійнісного аспекту проектування ЦП.

Другий розділ присвячений побудові ММ збоїв ЛЕ мікроелектронних ЦП, зумовлених внутрішніми імпульсними завадами (кондуктивною, індуктивною, перехресною ємнісною та дробовими і тепловими шумами). Запропонована методика побудови ММ збою ЛЕ передбачає розв'язання наступних задач: а) визначення показників завадостійкості ЛЕ; б) побудова моделей та оцінка параметрів внутрішніх завад, що виникають при перемиканнях ЛЕ; в) побудова моделі збою при одноразовому перемиканні ЛЕ та оцінка імовірності його виникнення.

Для оцінки завадостійкості ЛЕ запропонована апроксимація амплітудної передавальної характеристики (АПХ):

, (2)

де U1вих , U0вих - напруги логічної одиниці та логічного нуля,

Uср.вх - середнє значення вхідної напруги ЛЕ, що відповідає вихідній напрузі

U.вих.ср.= (U1ном + U0ном)/2;

A - параметр, що характеризує крутість АПХ.

Параметри U1вих , U0вих, та A враховують вплив температури навколишнього середовища, нестабільності напруги живлення, коефіцієнта навантаження та технологічного розкиду АПХ. Верифікацію параметрів впливу проведено на підставі експериментальних досліджень АПХ ЛЕ типу ТТЛ. Для проведення експериментів розроблено оригінальний макет, керований ЕОМ, яка проводила аналіз та обробку результатів вимірювань з допомогою розробленого програмного забезпечення.

Для визначення параметрів завадостійкості ЛЕ слід знайти корені рівняння:

, (3)

де та - відповідно верхня і нижня границі АПХ ЛЕ, що зумовлені технологічним розкидом параметрів.

Для знаходження коренів рівняння (3) та визначення параметрів завадостійкості ЛЕ з урахування технологічного розкиду АПХ та впливу дестабілізуючих факторів розроблено формалізований алгоритм та програмний модуль.

При побудові ММ внутрішніх завад в кристалах мікросхем прийнято припущення, що основним джерелом внутрішніх завад є ЛЕ, котрі перемикаються і спричиняють перехідні процеси, створюючи завади для сусідніх ЛЕ. Оцінка статистичних параметрів внутрішніх завад передбачає побудову еквівалентних схем для моделювання кондуктивної, індуктивної імпульсної та перехресної ємнісної завад. Параметри елементів еквівалентних схем можуть бути ідентифіковані через конструктивно-технологічні параметри мікросхем, оцінку значень яких можна отримати на підставі моделі компонувального простору, котра являє собою ієрархічну модель Доната з базовим співвідношенням Рента, що використовується в теорії матричних ВІС та НВІС.

Апроксимуючи інформаційні імпульси напруги та струму трапецеподібними імпульсами з тривалістю фронту Ф і амплітудами U та I відповідно, можна оцінити математичні сподівання та середньоквадратичні значення кондуктивної R, індуктивної імпульсної L та перехресної ємнісної C завад. Для прикладу на рис.1. наведено залежності параметрів R, L , C від кількості ЛЕ на кристалі для значень параметрів базового матричного кристалу (БМК) И-300.

Проведене на ЕОМ моделювання усіх можливих комбінацій перемикань ЛЕ, під'єднаних до спільної шини живлення (заземлення) і взаємозв'язаних паразитними ємнісними зв'язками дозволило визначити розподіли значень напруг імпульсів завад та оцінити параметри цих розподілів.



Рис. 1 Залежність параметрів внутрішніх завад від кількості ЛЕ на кристалі

Аналіз результатів моделювання показав, що за критерієм Пірсона можна з імовірністю 95% прийняти гіпотезу про нормальний закон розподілу напруг усіх завад, за умови, що до шини живлення під'єднано не менше 5-8 ЛЕ і якщо кількість ліній, між якими існує паразитний ємнісний зв'язок, не менша 5. Тоді середньо-квадратичне значення напруги сумарної завади визначається через середньоквадратичні значення окремих складових:

(4)

де Т, Д - середньоквадратичні значення теплового та дробового шуму.



Рис. 2 Залежності імовірностей q0, q1 від конструктивно-технологічних параметрів БМК И-300

Побудова моделі збою при перемиканні ЛЕ базується на оцінці інтегралу імовірності Ф(m) для деякого аргумента m, який дорівнює відношенню запасу завадостійкості ЛЕ до сумарної завади: m= Uзап/. Так, при однократному перемиканні ЛЕ внаслідок дії вхідного переходу типу 10 імовірність появи збою визначається співвідношенням m0=U0зап/ і дорівнює q0=1 - Ф(m0), а внаслідок дії вхідного переходу типу 01 імовірність появи збою визначається співвідношенням m1=U1зап/ і рівна q1=1-Ф(m1). На рис.2. для прикладу наведено залежність імовірностей q0, q1 від кількості ЛЕ для різних значень площі кристалу при значеннях параметрів БМК И-300. Отримані оцінки імовірності збою приймаються як базові па-

раметри функціональної надійності елементної бази і використовуються подалі при оцінці імовірності правильної реалізації конкретної логічної функції, мікрооперації, чи команди. Інформацію про те які ЛЕ, та в якій послідовності перемикаються під дією вхідного переходу, присутня на етапі логічного моделювання ВІС та НВІС, тому оцінка показників функціональної надійності може бути виконана паралельно із логічним моделюванням.

Для реалізації запропонованої методики автоматизованої побудови ММ збою ЛЕ розроблена оригінальна структура програмного модуля.

Рис. 3 Структура програмного модуля синтезу комбінаційних схем, стійких до змагань сигналів

Третій розділ присвячений розробці математичного та програмного забезпечення, призначеного для виявлення та усунення ризику збою, спричиненого змаганнями сигналів в цифрових схемах. На підставі порівняльного аналізу відомих теоретичних методів виявлення змагань сигналів в цифрових пристроях обгрунтовано вибір методу виявлення логічних змагань сигналів у комбінаційних схемах на основі алгебраїчних рівнянь, що описують реалізовану структуру. Теоретичною базою для вибраного методу слугує відома ідея Мак-Класкі, котра полягає в тому, що протягом перехідного процесу інверсія довільної двійкової змінної може бути рівною самій цій змінній. Щоб застосовувати ідею Мак-Класкі необхідно аналізувати функції перехідного режиму у формі КНФ та ДНФ, використовуючи відповідні теореми, приведені в літературі. На підставі аналізу визначаються вхідні переходи, при яких існує ризик збою. В дисертації розроблена автоматизована процедура виявлення критичних переходів та вироблення рекомендацій стосовно усунення ризику збою, спричиненого змаганнями сигналів. Для реалізації процедури розроблено формалізовані алгоритми та програмний модуль, структура якого зображена на рис.3.

Стосовно послідовнісних ЦП в даній роботі розроблено оригінальну методику усунення змагань сигналів на етапі кодування внутрішніх станів цифрового автомата (ЦА). Дана методика передбачає виконання наступних процедур: 1) Компіляція вхідної інформації про ЦА; 2) Побудова остова графа ЦА; 3) Побудова матриці фундаментальних циклів ЦА; 4) Розщеплення ребер у фундаментальних циклах з непарною вагою; 5) Сусіднє кодування внутрішніх станів ЦА. Методика відрізняється від відомих розділенням складної задачі синтезу на дві простіші підзадачі: а) приведення структури автомата до придатної для застосування сусіднього кодування; б) кодування внутрішніх станів ЦА. Такий підхід забезпечує підвищення ефективності розв'язання задачі сусіднього кодування. Для реалізації запропонованої методики розроблено ефективний алгоритм та програмний модуль сусіднього кодування внутрішніх станів послідовнісних ЦП.

Четвертий розділ присвячений питанням розробки структури, архітектури, та програмної реалізації підсистеми надійнісного проектування “FunNad-2”. Розглянуті особливості взаємодії проектних та обслуговуючих модулів, а також інтерфейс роботи з користувачем. На рис.4 приведена архітектура програмного забезпечення.

З допомогою стандартного графічного редактора PC-CAPS (блок 1) системи проектування PCAD, розробник створює проектний варіант ЦП, який за допомогою блоку 2 транслюється у формати підсистеми надійнісного проектування “FunNad-2”. Ця інформація компілюється (блок 3) у внутрішні формати програми логічного моделювання ЛОГАН. Блок 6 формує алгебраїчні рівняння аналізованої структури у випадку аналізу комбінаційної схеми стосовно виникнення ризику збою внаслідок змагань сигналів. На основі отриманих рівнянь формується функція перехідного режиму комбінаційної схеми (блок 11). Відтак блок 15 проводить аналіз синтезованої структури стосовно появи ризику збою. Виявленні критичні переходи аналізуються, і блок 18 здійснює вироблення рекомендацій про необхідні корекції схеми. Дані про умови експлуатації обробляються в блоці 4, котрий взаємодіє з бібліотекою математичних моделей АПХ ЛЕ (блок 7) і розраховує значення запасу завадостійкості для завад додатної та від'ємної полярностей. Блок 5 обробляє інформацію про конструктивно-технологічні параметри мікросхем та про електричні параметри інформаційних сигналів, взаємодіючи із бібліотекою ММ еквівалентних розрахункових схем завад (блок 8), та з бібліотекою ММ компонувального простору (блок 9). В результаті розраховуються параметри сумарної завади, що діє на ЛЕ. Блок 13 на основі даних, отриманих від блоків 4 та 5, оцінює імовірності появи збоїв q1 та q0 при однократному перемиканні ЛЕ і передає цю інформацію у модуль ЛОГАН (блок 16). Останній реалізує процедуру логічного моделювання проектованого ЦП при дії вхідних сигналів та одночасно розраховує показники функціональної надійності, взаємодіючи з бібліотекою ММ розрахунку функціональної надійності використовуваних ЛЕ (блок 17). Блок 12 здійснює процедуру аналізу існуючих ММ, що дає розробнику можливість дослідити характеристики математичних моделей залежно від наборів вхідних параметрів, а також накопичує дані для проведення статистичної обробки результатів імітаційного експерименту.



Рис. 4 Архітектура програмного забезпечення

Блок 19 виводить результати роботи модулів: а) у вигляді епюр часових діаграм сигналів у заданих вузлах схеми, а також розраховані показники ФН проектованого ЦП; б) графіки та таблиці значень параметрів аналізованих ММ у випадку проведення імітаційного експерименту; в) набори вхідних переходів, котрі приводять до появи збою, а також рекомендації щодо структурних змін комбінаційної схеми; г) коди внутрішніх станів ЦА при синтезі послідовнісного ЦП, стійкого до змагань сигналів на етапі кодування внутрішніх станів.

Підсистема надійнісного проектування “FunNad-2” розроблена в середовищі візуального проектування Borland DELPHI Client/Server Suite версії 3.0 (5.53), фірми Borland International та дозволяє аналізувати ЦП, що містять до 5000 ЛЕ, 8000 вузлів, 20000 виводів.

Реалізоване програмне забезпечення дозволяє оцінити надійнісні характеристики різних варіантів синтезу одного й того ж завдання. Як приклад, в табл.1. приведено розраховані імовірності збою схем, що реалізують у різних логічних базисах функцію:

.

Таблиця 1 Імовірність збою пристрою

Логічний базис	q0=q1=110-6	q0=110-6 q1=210-6	q0=210-6 q1=110-6
І,АБО,НЕ	3.3610-4	5.3910-4	4.7110-4
І-НЕ	2.8610-4	4.2710-4	4.3110-4
АБО-НЕ	3.1110-4	4.6610-4	4.6710-4

В додатках наведено документи про впровадження результатів дисертаційної роботи, дані експериментальних досліджень, ММ кондуктивно-індуктивної завади з врахуванням технологічного розкиду параметрів, приклади опису вхідних файлів, структура файлової системи розробленого програмного забезпечення, приклади використання підсистеми надійнісного проектування “FunNad-2”.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі на основі проведених досліджень отримані такі нові наукові результати, які в сукупності дозволили вирішити завдання розробки математичного забезпечення та програмних засобів, призначених для реалізації процедур автоматизованої оцінки та забезпечення показників функціональної надійності мікроелектронних цифрових пристроїв, що в результаті дозволяє підвищити ефективність та скоротити терміни процесу проектування РЕА:

На підставі аналізу відомих підходів до оцінки надійності цифрових пристроїв розроблено методологічні основи розрахункового підходу до побудови математичних моделей функціональних відмов цифрових пристроїв та їх застосування для оцінки показників функціональної надійності ЦП.

Побудована математична модель збою при однократному перемиканні ЛЕ, яка базується на співставленні параметрів завадостійкості ЛЕ та нормально розподіленої внутрішньої завади і на відміну від відомих моделей дає можливість оцінити імовірність появи збою з урахуванням впливу зовнішніх факторів та конструктивно-технологічних параметрів мікросхем. Підставою для побудови згаданої моделі послужили запропонована нова апроксимація АПХ, результати побудови моделей та дослідження розподілів внутрішніх завад, методика оцінки завадостійкості ЛЕ.

Розроблено методику автоматизованого виявлення ризику збою у комбінаційних схемах на підставі аналізу алгебраїчних рівнянь. Для реалізації методики розроблено формалізований алгоритм, який дозволяє виявити критичні переходи на входах ЦП, що приводять до виникнення ризику збою внаслідок дії змагань сигналів. Програмно реалізовано процедуру вироблення рекомендацій, стосовно усунення логічних змагань сигналів в комбінаційних схемах, шляхом введення надлишкових ЛЕ.

Розроблено оригінальну методику усунення змагань сигналів у послідовнісних цифрових автоматах на етапі кодування внутрішніх станів, яка відрізняється від відомих розділенням складної задачі синтезу на дві простіші підзадачі, що забезпечує підвищення ефективності розв'язання задачі сусіднього кодування внутрішніх станів цифрового автомата. Для реалізації запропонованої методики розроблено ефективний алгоритм сусіднього кодування внутрішніх станів ЦП.

Розроблена оригінальна структура програмного модуля, який реалізує процедуру автоматизованої побудови моделі збою та оцінки імовірності його появи при перемиканні ЛЕ. Для побудови модуля розроблено формалізовані алгоритми: а) визначення параметрів завадостійкості ЛЕ з урахуванням їх залежностей від зовнішніх дестабілізуючих факторів, а також впливу технологічного розкиду параметрів АПХ; б) оцінки параметрів сумарної завади внутрішньої завади, який дозволяє враховувати вплив параметрів інформаційних сигналів та конструктивно-технологічних параметрів мікросхем.

Програмно реалізовано підсистему надійнісного проектування мікроелектронних ЦП “FunNad-2”, яка дозволяє проводити оцінку показників функціональної надійності проектованих ЦП стосовно ризику появи збою внаслідок дії внутрішніх завад, зовнішніх дестабілізуючих факторів та змагань сигналів.

математичний мікроелектронний цифровий архітектура

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Васильцов Ігор. Про сусіднє кодування внутрішніх станів цифрових автоматів // Вісник ДУ “Львівська політехніка”, Теорія і проектування напівпровідникових та радіоелектронних пристроїв. №326, 1997 рік, с.58-61

2. Васильцов І.В. Автоматизація процедури виявлення ризику збою, спричиненого змаганнями сигналів. // Вісник ДУ “Львівська політехніка”, Комп'ютерні системи проектування. Теорія і практика. №327, 1998 рік, с.187-196

3. Мандзій Б.А., Желяк Р.І., Васильцов І.В. Статистичні характеристики кондуктивної завади в кристалах цифрових інтегральних мікросхем // Вісник ДУ “Львівська політехніка”, Теорія і проектування напівпровідникових та радіоелектронних пристроїв. №289, 1995 рік, с.58-61

4. Мандзій Богдан, Васильцов Ігор. Оцінка завадостійкості логічних елементів за умов впливу температури, напруги живлення та коефіцієнта навантаження // Вісник ДУ “Львівська політехніка”, Теорія і проектування напівпровідникових та радіоелектронних пристроїв. №302, 1996 рік, с.81-83

5. Мандзій Б.А., Бєляєв В.П., Васильцов І.В., Івчук С.С. До питання про оцінку параметрів внутрішньої кондуктивної завади в базових матричних кристалах. // Вісник ДУ “Львівська політехніка”, Комп'ютерні системи проектування. Теорія і практика. №327, 1998 рік, с.210-214

6. Мандзий Б.А., Желяк Р.И., Капустій Б.Е., Васильцов И.В. “Методика функциональной надежности цифровых устройств” // Межотраслевой научно-технический сборник ”Автоматизация проектирования”, № 2-3, Москва, 1994. (ВИМИ), ст. 86-92.

7. Мандзий Б.А., Желяк Р.И., Васильцов И.В. “Оценка показателей функциональной надежности цифровых устройств систем обработки данных” // “ЭЛЕКТРОСВЯЗЬ” Ежемесячный научно-технический журнал по проводной и радиосвязи, телевидению, радиовещанию №2/1997, cт. 12-15.

8. Мандзий Б.А., Желяк Р.И., Васильцов И.В. “Автоматизация процедур оценки показателей ФН микроэлектронных ЦУ” // Тезисы докладов международной научно-технической конференции, г.Бердянськ, 6-10 сентября 1993г.

9. Мандзій Б.А., Желяк Р.І., Васильцов І.В. Дослідження характеристик внутрішніх завад в кристалах мікросхем // Матеріали доповідей міжнародної науково-технічної конференції “Сучасні проблеми автоматизованої розробки і виробництва радіоелектронних засобів та підготовки інженерних кадрів”, м.Львів, 21-27 лютого 1994 року, частина, ст. 58-60.

10. Мандзій Б.А., Желяк Р.І., Васильцов І.В. Модель збою логічного елемента // Тези доповідей міжнародної науково-технічної конференції ”Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР мікроелектроніки”, м.Львів, 20-26 лютого 1995 року, ст. 91-92.

11. Мандзій Б.А., Капустій Б.О., Васильцов І.В. Автоматизація процедур аналізу та синтезу ЦП в умовах розкиду часових затримок // Тези доповідей міжнародної науково-технічної конференції ”Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР мікроелектроніки”, м.Львів, 20-26 лютого 1995 року, ст. 98.

12. Мандзій Б.А., Желяк Р.І., Васильцов І.В. Пакет програм для оцінки показників функціональної надійності цифрових пристроїв // Матеріали міжнародної науково-технічної конференції “Сучасні проблеми автоматизованої розробки і виробництва радіоелектронних засобів та підготовки інженерних кадрів”, м.Львів, 27 лютого - 3 березня 1996 року, ст.153-154.

13. Капустій Б.О., Васильцов І.В. Статична завадостійкість базових логічних елементів на біполярних транзисторах // Матеріали міжнародної науково-технічної конференції “Сучасні проблеми автоматизованої розробки і виробництва радіоелектронних засобів та підготовки інженерних кадрів”, м.Львів, 27 лютого - 3 березня 1996 року, ст.166-167.

14. Мандзій Б.А., Желяк Р.І., Васильцов І.В. Моделювання внутрішніх завад в кристалах мікросхем // Тези доповідей науково-технічної конференції, 1-st INTERNATIONAL MODELLING SCHOOL. - Krym Autumn '96, September 12-17, 1996, Alushta, Ukraine , 49 ст.

15. Мандзій Б.А., Васильцов І.В. Програмна реалізація процедури аналізу комбінаційних схем на ризик виникнення збою // Тези доповідей науково-технічної конференції “Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР мікроелектроніки” м.Львів, 18-23 лютого 1997 року, cт. 110-111.

16. Богдан Мандзій, Роман Желяк, Ігор Васильцов. Експериментальне дослідження залежності АПХ ЛЕ від зовнішніх дестабілізуючих факторів. Матеріали міжнародної науково-технічної конференції TCSET'98, 23-28 лютого 1998, Львів с.24.

17. Bogdan A. Mandziy, Igor V. Vasiltsov. Problem of Reliability at Designing of Signals Processing Digital Devices. In Proc. of Intern. Conference TELSIKS'97, 8-10 October, 1997, Nis, Yugoslavia, pp.245-248

18. Bogdan Mandzij, Igor Vasiltsov. Simulation of Simultaneous Switching Noise of Logic Gates in VLSI. In Proc. of XV Symposium on Electromagnetic Phenomena in Nonlinear Circuits., 22-24 September, 1998, Liege, Belgium, pp.224-226.

Размещено на Allbest.ru

...