Методы и аппаратно-программные средства функционального тестирования СБИС микроконтроллеров при проведении радиационных испытаний на дозовые воздействия

Циклограмма реализации ТП9 показана на рис. 5, где представлен вариант тестирования переходов (ветвлений) при определенных значениях признаков в регистре SR. Последовательность данных data.1a, …data,na поступает на вход тестового модуля при выполнении условий переходов, последовательность data.1b, …data.nb - при невыполнении условий. Адреса переходов addr n задаются в прямой или относительной форме в соответствии со способом адресации, который реализуется процессором.

Рис. 5. Циклограмма тестирования условных переходов программой ТП9

аппаратный микроконтроллер радиационный

Тестирование блока вызова подпрограмм и организации стека (ФБ3) предлагается проводить в два этапа - сначала проверить функционирование стека (функция Ф1), а затем протестировать реализацию вызова подпрограмм с возможностями возврата к текущей программе (функция Ф2). Программа тестирования стека ТП10-S производит загрузку в указатель стека SP начального адреса вершины стека addr.top, затем с помощью команд PUSH reg, или PUSH addr загружает в стек содержимое регистра или адресуемой ячейки памяти, которые содержат заданные константы data. При этом изменение содержимого SP (уменьшение или увеличение на 1) контролируется с помощью команд MOV addr.port, SP, выводящих содержимое SP на тестовый порт. Правильность данных, загружаемых в стек, контролируется путем их чтения из ячейки ОЗУ с адресом addr.top в промежуточный регистр и последующего вывода на тестовый порт командой MOVE addr_port, reg. Затем с помощью команд POP reg или POP addr данные, извлеченные из стека, пересылаются в регистр или ячейку памяти ОЗУ. При этом с помощью команд MOVE addr_port, SP, контролируется обратное изменение содержимого SP. Извлеченные из стека данные выводятся из регистра или ячейки памяти на тестовый порт, их правильность проверяется тестовым модулем. Циклограмма выполнения данной процедуры при загрузке в стек и извлечении из него содержимого регистра reg показана на рис. 6. Операции загрузки в регистр SP адреса вершины стека и вывода в тестовый порт его содержимого, представленные в данной циклограмме мнемокодами MOVE SP, addr.top и MOVE addr.port, SP, на практике реализуются в зависимости от архитектуры тестируемого процессора. Например, в микроконтроллерах семейства AVR, имеющих 16-разрядный указатель стека, необходимо организовать его побайтное заполнение с помощью команд загрузки LDI и побайтный вывод с помощью команд сохранения ST, используя регистры Rn для промежуточного хранения данных.

Рис. 6. Циклограмма тестирования стека программой ТП10-S

Программа тестирования вызова подпрограмм ТП10-С реализует циклическую последовательность процедур, которые с помощью команды CALL addr.n производят вызов подпрограммы, выполняющей чтение содержимого вершины стека (старое содержимое PC) в регистр reg и последующий вывод его на тестовый порт для проверки корректности. Затем с помощью команды RET осуществляется возврат к основной тестовой программе, выполняющей следующий вариант команды CALL add.n+1 с реализацией различных способов формирования адреса подпрограммы: прямого, относительного и других. Контроль корректности выполнения ТП10-С осуществляется тестовым модулем, который проверяет правильность выбираемых из стека значений содержимого PC, поступающих на тестовый порт микроконтроллера. Циклограмма реализации программы ТП10-С приведена на рис. 7, где мнемокодами CALLx, CALLy, CALLz обозначены команды с различными вариантами формирования адреса вызываемой подпрограммы. Подпрограммы тестирования выводят в порт записанное в стек содержимое PC через промежуточный регистр reg. Так как разрядность PC в МК составляет два и более байтов, то для вывода его содержимого на тестовый порт требуется две или более команд MOV reg, addr.top, MOV addr.port, reg.

Рис. 7. Циклограмма тестирования вызова подпрограмм программой ТП10-C

В некоторых RISC-процессорах (например, семейства ARM, PowerPC) содержимое PC сохраняется в регистре связи LR. В этом случае тестирование осуществляется с помощью программы ТП10-С, в которой подпрограмма тестирования осуществляет вывод в тестовый порт содержимого регистра LR.

Процедура тестирования блока реализации прерываний (ФБ4) реализуется тестовым модулем путем подачи на вход МК необходимых сигналов запроса прерывания. Тестовая программа ТП11 контролирует переход к обработчику прерывания при поступлении внешнего запроса (сигнал на входе IRQ) с сохранением в стеке текущего содержимого PC. Программа ТП11 формирует фоновую последовательность кодов data.p, которая циклически выдается на тестовый порт при отсутствии запроса IRQ. После приема этой последовательности тестовый модуль выдает сигнал запроса прерывания IRQ. При поступлении этого запроса МК переходит к программе обработки, которая выдает на тестовый порт код прерывания data.irq, затем содержимое вершины стека для контроля правильности сохраняемого содержимого PC. Перед выходом из программы обработки в регистре SR устанавливаются признаки, разрешающие выход из цикла тестирования по команде BRсc. Заключительная команда обработчика RETI обеспечивает возврат к исходной программе (формирование фоновой последовательности кодов) с последующим прекращением процедуры тестирования. Реализация программы ТП11 иллюстрируется циклограммой на рис. 8.

Рис. 8. Циклограмма программы тестирования блока реализации прерываний

Программа ТП11 запускается при запрещенном обслуживании прерываний (установка соответствующего бита в регистре SR или в регистре разрешения прерываний) - тогда на выходе тестового порта будет формироваться фоновая последовательность при любых сигналах на входе IRQ. После ее приема разрешается обслуживание прерываний - тогда тестовый порт при поступлении сигнала IRQ будет выдавать код прерывания.

В табл. 4 отмечено участие различных ФБ в реализации набора тестовых программ ТП1 - ТП11. Данная таблица определяет состав ВФС для каждой ТПi - в соответствующий ВФС входят ФБ, участие которых в выполнении данной ТПi отмечено знаком «+». Как следует из этой таблицы, предлагаемый тестовый набор обеспечивает тестирование всех основных ФБ микроконтроллера. Поскольку в данных тестовых программах выполняется весь набор команд МК с различными способами адресации, то предлагаемая методика позволяет производить полное функциональное тестирование процессорного ядра и внутренней памяти данных.

Таблица 4. Тестирование различных ФБ с использованием ТП1-ТП11

С использованием данной методики разработаны наборы тестовых программ для широко применяемых типов МК:

- 8-разрядный микроконтроллер с CISC-архитектурой семейства AT89S52 (процессорное ядро MCS-51, компания Atmel);

- 8-разрядный микроконтроллер с RISC-архитектурой семейства ATmega (процессорное ядро AVR, компания Atmel);

- 32-разрядный микроконтроллер с RISC-архитектурой семейства LPC2000 (процессорное ядро ARM, компания NXP Semiconductor).

В четвертой главе представлены результаты исследований радиационной стойкости указанных выше типов МК на дозовые воздействия с помощью предложенных методов и разработанных наборов тестовых программ. Испытания проводились в ЭНПО СПЭЛС с использованием рентгеновского имитатора РЕИМ-2 и специализированного тестового модуля, работающего под управлением персонального компьютера.

Для проведения испытаний разработан специализированный тестовый модуль и комплекс программных средств которые позволяют осуществлять функциональное тестирование МК и контролировать электрические параметры: ток питания, выходные уровни «0» и «1». Тестовый модуль, подключаемый к COM-порту компьютера, имеет следующие характеристики:

· изменяемая частота тактирования до 100 МГц,

· три фиксированных источника питания +5 В, +3.3 В, +1,5 В,

· два регулируемых источника напряжения от +1,25В до +7,0В,

· оперативная память емкостью 512К*16 бит,

· FLASH - память емкостью 512К*16 бит,

· 16-разрядный АЦП и 12-разрядный ЦАП для контроля уровней сигналов,

· 56 линий ввода-вывода данных для подключения микроконтроллера.

Сервисное программное обеспечение (СПО) устанавливается на компьютер и обеспечивает взаимодействие тестового модуля с оператором. Оно позволяет управлять процессом тестирования, изменять напряжение питания, тактовую частоту МК, измерять ток потребления, фиксировать результаты выполнения тестов. С его помощью можно в автоматизированном режиме определять минимальное рабочее напряжение функционирования МК и максимальную рабочую частоту. СПО является универсальным и используется для тестирования различных типов МК.

Результаты исследований показали, что для всех испытанных образцов МК функциональный отказ возникает при уровнях накопленной дозы 12 - 15 Крад, то-есть значительно раньше, чем достигается превышение допустимого значения тока потребления (около 50 Крад для семейств AtMega и LPC, около 20 Крад для семейства AT89S) или происходит выход за нормативные пределы уровней логических «0» и «1». Для испытанных образцов МК функциональный отказ возникает при уровне дозы, при которой начинается заметный рост динамического тока потребления. Однако значение этого тока при данной дозе остается в нормативных пределах, заданными техническими условиями. Таким образом контроль функционирования МК является наиболее важным этапом для определения их стойкости к дозовым воздействиям.

Разработанная методика функционального контроля позволила выявить наиболее критические функциональные блоки, определяющие стойкость МК к накопленной дозе:

- арифметико-логическое устройство для МК семейства AT89S;

- энергонезависимая память EEPROM для МК семейства AtMega;

- блок выборки и дешифрации команд для МК семейства LPC2000.

Исследования показали, что основные затраты времени при функциональном контроле связаны с тестированием 16- и 32-разрядных таймеров. При этом время тестирования процессорного ядра и внутренней памяти данных занимает около 1 с, что обеспечивает достаточно высокую точность определения дозы, при которой возникает их отказ: менее 1% при использованной методике испытаний.

С помощью разработанных средств функционального тестирования проводилось прогнозирование дозовой стойкости МК ATmega128 методом экстраполяции изменения критериальных параметров при низкоинтенсивном облучении в пределах малых доз. Критериальным параметром, по которому определялась близость к отказу, являлось минимальное напряжение питания, при котором сохраняется функционирование. Соответствующие исследования были выполнены в МИФИ по заказу НИИ Космического приборостроения. Контроллеры облучались в ИРТ МИФИ при мощности дозы ионизирующего излучения 0,1 рад/с в пределах «безопасной» дозы в пассивном электрическом режиме. Испытания производились в сеансовом режиме, после каждого сеанса облучения производилось тестирование образцов с помощью описанных выше аппаратно-программных средств с использованием разработанного набора тестовых программ. Таким образом обеспечивается неразрушающее определение индивидуальных характеристик дозовой стойкости образцов МК из выбранной партии и прогнозируется ожидаемое значение предельно допустимой дозы для каждого образца. Это методика дает возможность отбраковывать образцы, имеющие аномально низкую радиационную стойкость, или отбирать образцы, обладающие повышенной радиационной стойкостью.

Полученные при испытаниях данные использовались для оценки эффективности принудительного переключения электрического режима МК ATmega128 с целью увеличения времени безотказного функционирования при воздействии ионизирующего излучения. При количестве циклов «активный электрический режим с последующим пассивным» N_ц=140 и одинаковом времени нахождения образца в активном и пассивном электрическом режиме ДТ=99 часов увеличение срока службы при использовании принудительно переключаемого резерва для испытанных МК составляет 32%.

Заключение

аппаратный микроконтроллер радиационный

1. Для реализации программного тестирования МК предложено использовать тестовую функциональную модель (ТФМ), которая обеспечивает возможность контроля работоспособности основных функциональных блоков по результатам выполнения определенного набора тестовых программ. Предложен базовый вариант ТФМ, который содержит набор функциональных блоков, обеспечивающий выполнение основных групп команд МК. С учетом архитектурных особенностей тестируемых МК базовая модель может быть трансформирована путем анализа маршрутов выполнения команд.

2. Предложен метод формирования тестовых наборов команд с помощью таблицы покрытия, которая указывает участие функциональных блоков в выполнении каждой команды, входящей в состав формируемых тестовых программ. Таблица покрытия позволяет определить, насколько полно разработанный набор тестовых программ обеспечивает тестирование основных функциональных блоков тестируемого МК. Для однозначного определения состава функциональных блоков, участвующих в выполнении тестовых программ, они должны быть написана на языке Ассемблера.

3. Предложенный метод формирования заданных циклических последовательностей позволяет зафиксировать результаты выполнения тестовых программ, анализируя состояние портов ввода-вывода. Данные об их состоянии считываются аппаратурой тестового модуля и корректность выполнения тестовых программ контролируется путем сравнения данных с эталонами, полученными в процессе разработки программ.

4. Для выявления отказавших функциональных блоков предложено использовать метод наложения виртуальных функциональных сегментов (ВФС), в состав которых включатся группы функциональных блоков, участвующих в выполнении соответствующей тестовой программы. Отрицательный результат выполнения теста указывает на неисправность одного или нескольких блоков, входящих в состав соответствующего ВФС. Для выделения блоков, являющихся наиболее вероятными источниками отказов, используется матрица результатов, которая указывает корректность выполнения каждой тестовой программы.

5. Предложенная в диссертации общая методика создания набора тестовых программ для функционального тестирования МК позволяет провести подготовку необходимого тестового программного обеспечения и тестирование в процессе выполнения радиационных испытаний с помощью разработанных программ и специализированных аппаратных средств. Предложены алгоритмы тестирования основных функциональных блоков, входящих в состав МК. Алгоритмы представлены в виде циклограмм, использование которых упрощает разработку необходимых тестовых программ на языке Ассемблера. Методика обеспечивает выполнение программного тестирования МК и выявление отказавших функциональных блоков.

6. На базе предложенной общей методики разработаны частные методики функционального тестирования и необходимые тестовые программы для проведения испытаний на дозовые воздействия трех широко применяемых МК:

- 8-разрядный микроконтроллер с CISC-архитектурой типа AT89S52;

- 8-разрядный микроконтроллер с RISC-архитектурой типа ATmega128L;

- 32-разрядный микроконтроллер с RISC-архитектурой типа LPC2114FBD64.

Разработанный комплект аппаратно-программных средств (тестовый модуль и сервисное программное обеспечение) позволяет выполнять функциональный контроль МК в непрерывном режиме облучения с помощью имитирующих установок, а также в сеансовом режиме. Комплект испытан при проведении ряда исследований, выполнявшихся в ЭНПО СПЭЛС и в МИФИ на кафедре микро- и наноэлектроники и ИРТ. Результаты показали, что для всех исследованных образцов МК функциональный отказ возникает при уровнях накопленной дозы 12 - 15 крад, то-есть раньше, чем достигается превышение допустимого значения тока потребления или происходит выход за нормативные пределы уровней логических «0» и «1». Таким образом контроль функционирования МК является наиболее важным этапом определения их стойкости к дозовым воздействиям. С помощью разработанных методов и средств функционального контроля в составе исследованных МК выявлены наиболее критические функциональные блоки, определяющие стойкость к дозовым эффектам.

Возможность выявления функциональных блоков, наиболее критичных к дозовым воздействиям, может быть использована в ряде практических приложений. Если в приложениях не требуется применение этих блоков, то соответствующая аппаратура может эксплуатироваться при более высоких уровнях дозового воздействия, которые определяются уровнем безотказного функционирования других, более стойких блоков.

Разработанные методы функционального контроля, аппаратные и программные средства для проведения радиационных испытаний позволяют определить предельную дозу нормального функционирования МК и выявить в их структуре функциональные блоки, наиболее критичные к величине поглощенной дозы. Время тестирования процессорного ядра и внутренней памяти данных для исследованных МК занимает около 1 с, что обеспечивает достаточно высокую точность определения дозы, при которой возникает их отказ: менее 1% при использованной методике испытаний.

Эти методы и аппаратно-программные средства могут быть использованы для решения ряда других задач, например при прогнозировании радиационной стойкости МК в процессе низкоинтенсивного облучения, при оценке возможностей повышения срока их безотказной работы с помощью переменного режима функционирования (чередование активного и пассивного режима). Показано, что использованная методика испытаний позволяет прогнозировать дозовую стойкость отдельных образцов и отбирать для последующего применения образцы с необходимым уровнем стойкости. Оценка эффективности применения переменного режима функционирования показала для испытанных МК типа ATmega128L возможности повышения срока безотказной работы на 32 %.

Литература

1.Лебедев А.В., Кириллов М.А., Шагурин И.И. Испытание на радиационную стойкость опытных образцов микроконтроллера 1830ВЕ01У. // Научная сессия МИФИ - 2005. Сборник научных трудов, т.1. -М.: МИФИ, 2005, с.126-127.

2.Лебедев А.В., Кириллов М.А., Шагурин И.И. Методика испытания на радиационную стойкость микроконтроллеров с архитектурой MCS-51 при импульсном и дозовом воздействии. // Научная сессия МИФИ - 2005. Сборник научных трудов, т.1. -М.: МИФИ, 2005, с.128-129.

3.Лебедев А.В., Кириллов М.А., Шагурин И.И. Тестовый модуль для испытания радиационной стойкости СБИС микроконтроллеров. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2005, вып.3-4.

4.Шагурин И.И., Лебедев А.В., Кириллов М.А. Функциональный контроль микроконтроллера 1830ВЕ01У при проведении радиационных испытаний. // Радиационная стойкость электронных систем - Стойкость - 2005. Научно-технический сборник. -М.: МИФИ, 2005, с.197-198.

5.Шагурин И.И., Лебедев А.В., Кириллов М.А. Испытание на радиационную стойкость серийных образцов микроконтроллера ATTINY12-8. // Научная сессия МИФИ - 2006. Сборник научных трудов, т.1. -М.: МИФИ, 2006, с.128-129.

6.Лебедев А.В., Шалтырев В.А. Процессорный модуль на основе микроконтроллера AT91RM92000. // Научная сессия МИФИ - 2006. Сборник научных трудов, т.1. -М.: МИФИ, 2006, с.122-123.

7.Лебедев А.В., Кириллов М.А., Некрасов П.В., Калашников О.А., Тихомиров С.Н. Результаты исследований радиационных отказов микроконтроллеров 1880ВЕ71У. // Радиационная стойкость электронных систем - Стойкость - 2006. Научно-технический сборник. -М.: МИФИ, 2006, с.81-82.

8.Анашин В.С, Лебедев А.В., Попов В.Д., Скородумова А.В., Чубунов П.А., Шагурин И.И. Определение индивидуальных характеристик дозовой стойкости микроконтроллеров Atmega128 экстраполяцией изменения критериальных параметров при низкоинтенсивном облучении в пределах малых доз. // Радиационная стойкость электронных систем - Стойкость - 2008. Научно-технический сборник. -М.: МИФИ, 2008, с.73-74.

9.Анашин В.С, Лебедев А.В., Попов В.Д., Скородумова А.В., Чубунов П.А., Шагурин И.И. Повышение срока функционирования резервированной аппаратуры на базе микроконтроллеров Atmega-128 путем оптимизации режима переключения. // Радиационная стойкость электронных систем - Стойкость - 2008. Научно-технический сборник. -М.: МИФИ, 2008, с.75-76.

10.Лебедев А.В., Шагурин И.И. Методика функционального тестирования СБИС микроконтроллеров и микропроцессоров при проведении радиационных испытаний. // Инженерная физика, 2008, №2, с. 49-55.

Размещено на Allbest.ru