Микропроцессорный матричный коммутатор для сопряжения средств диагностирования и цифровых систем на одном кристалле

Размещено на http://www.allbest.ru/

Микропроцессорный матричный коммутатор для сопряжения средств диагностирования и цифровых систем на одном кристалле

Рябцев В.Г., Евдокимов А.П.

Волгоградский государственный аграрный университет Волгоград, Россия e-mail: аkim.onoke@mail.ru

Альмади М.К.

доктор философии по компьютерной технике,

Канталк Инк.

Монреаль, Канада

mudarinfo@yahoo.com

Аннотация

Решается проблема мобильного сопряжения автоматизированных средств тестового диагностирования и цифровых систем, конфигурируемых на кристалле. Предложена структура мультипроцессорного векторного преобразователя, обладающего высоким быстродействием и обеспечивающего выполнение операций произвольного сдвига разрядов тестовых воздействий или ответных реакций за один период сигнала синхронизации.

Ключевые слова -- мобильное сопряжение, тестовое диагностирование, цифровая система, конфигурируемая на кристалле.

автоматизированный цифровой кристалл мультипроцессорный

Microprocessor Matrix Switcher for Diagnosing Digital Systems on a Single Crystal

Ryabtsev V.G., Evdokimov A.P.

Department of Electrical Engineering

Volgograd Agricultural State University

Volgograd, Russia

e-mail: аkim.onoke@mail.ru

Mudar Almadi

Ph.D. in computer engineering,

Cantalk. Inc

Montreal, Canada

e-mail: mudarinfo@yahoo.com

Abstract - The problem of automated diagnostic tools and digital systems on crystal portable interface is being examined. The suggested high-performance multiprocessor vector converter structure allows to do certain test or respond signal bitshift operation during one timing cycle.

Keywords - portable interface, testing, digital system on chip.

Для тестового диагностирования систем на кристалле (System-On-Chip, SoC) применяют алгоритмические генераторы, формирователи детерминированных и псевдослучайных тестов, которые формируют тестовые воздействия, упорядоченные в виде векторов, в которых отдельные разряды расположены в строго определенной последовательности и в таком же виде они должны быть поданы на краевые контакты объекта диагностирования. Однако из-за конструктивных особенностей SoC физическое расположение контактов шин не упорядочено, и они располагаются на краевых контактах в произвольном порядке [5, 7-14]. Считанные реакции с выходов SoC необходимо также преобразовать в упорядоченную последовательность для обеспечения сравнения их с заранее подготовленными эталонными значениями.

Например, семейства чипов Bay Trail и Braswell для недорогих ноутбуков и планшетов имеет одинаковые типы корпусов, но у них сигналы входов и выхода поступают на разные контакты.

Для сопряжения диагностируемых SoC и автоматизированных средств тестового диагностирования обычно применяются дополнительные коммутирующие средства, что сокращает частоту диагностирования, а при большом количестве типов выпускаемых SoC увеличивается номенклатура таких средств. Кроме того, коммутирующие средства имеют позолоченные или палладиевые контакты, что увеличивает их стоимость и цену выпускаемых изделий [15-20].

В настоящее время для настройки микросхем FPGA применяется модуль LabVIEW FPGA. Данный модуль имеет разъемы для подключения ПЛИС и предоставляет прямой и непосредственный контроль над всеми входами/выходами, однако, распределение сигналов на контакты отлаживаемого изделия осуществляется программным способом, что снижает частоту диагностирования и увеличивает продолжительность отладки.

Постановка задачи

Цель работы: разработка микропроцессорного матричного коммутатора, обеспечивающего мобильное сопряжение автоматизированных средств тестового диагностирования и цифровых систем, конфигурируемых на кристалле. Для достижения данной цели надо решить следующие задачи:

сформулировать и обосновать математические операции преобразования координат векторов;

разработать структуру и выполнить верификацию VHDL-проекта высокопроизводительного микропроцессорного матричного коммутатора;

выбрать тип ПЛИС и имплементировать коммутатор в кристалл.

Решение проблемной задачи

Введем основные определения, поясняющие выполненную методику исследования [2].

Логическое сечение - это такое представление SoC, когда его выводы упорядочены по функциональному назначению.

Физическое сечение - это представление SoC на уровне его краевых контактов.

Идентификация логического физического сечений - это нахождение соответствия между данными сечениями.

В работе [1] сформулирована и доказана теорема:

где - вектор-столбец воздействия на выводах SoC;

где - мономиальная матрица n-го порядка, которая применяется для преобразования векторов из одного пространства в другое,

D - вектор-столбец воздействий на выходах системы диагностирования;

- матрица, обратная матрице ;

координаты вектор-столбца воздействий на выводах SoC;

- координаты вектор-столбца воздействий на выходах системы диагностирования.

Для каждого типа диагностируемой SoC формируется мономиальная матрица М, количество строк и столбцов которой равно количеству контактов SoC. В i-м столбце данной матрицы j-й элемент равен 1, что соответствует передаче i-го сигнала на j-ый контакт SoC. Мономиальная матрица учитывает конструктивные особенности тестируемой SoC.

Для получения вектора воздействий, который подается на контакты SoC, осуществляется умножение вектора тестового набора, поступающего от средств тестового диагностирования, на мономиальную матрицу [4, 6]. Пример формирования 8-ми разрядного вектора тестовых воздействий приведен ниже.

.

Для упорядочения выходных реакций цифрового устройства применяется матрица М-1 обратная мономиальной матрице. Упорядоченные координаты вектора реакций получаются в результате произведения матрицы М-1 на вектор реакций диагностируемой SoC. Пример преобразований с применением обратной матрицы приведен ниже.

.

Данные преобразования выполняются микропроцессорным матричным коммутатором, в котором содержатся векторные преобразователи, количество которых равно числу контактов диагностируемой SoC [2, 4].

Следствие 1. После выполнения поразрядного сравнения ответных реакций SoC и эталонных значений полученные результаты диагностирования в векторном пространстве Lm можно преобразовать в векторное пространство Ln и в упорядоченном виде передать в компьютер или на экран монитора в удобной для восприятия форме для последующей обработки.

Следствие 2. Векторы воздействий, искаженные неисправностями константного типа, возникшими на входных контактах SoC (замыкания контактов на общую шину или шину питания), можно зафиксировать в векторном пространстве Lm , преобразовать в векторное пространство Ln и использовать для формирования соответствующих диагностических сообщений.

Следствие 1 определяет правила для формирования ответных реакций в виде, удобном для поразрядного сравнения с предварительно сформированными эталонными значениями.

Структура микропроцессорного матричного коммутатора

Структурная схема 8-ми разрядного векторного преобразователя, который входит в состав микропроцессорного матричного коммутатора, приведена на рис. 1. Коды матрицы М, учитывающие особенности распределения краевых контактов SoC, хранятся регистрах сдвига, заполнение которых осуществляется при помощи внешнего микропрограммного устройства. При записи кодов в регистры сдвига на соответствующие входы векторного преобразователя подаются сигнал разрешения сдвига VE_shift, тактовый импульс C_sh и входные данные Siftin.

На входы векторного преобразователя подаются коды вектора воздействий B[7:0], а на выходах получается конвертированный код О[7:0], соответствующий кодам мономинальной матрицы М. Высокое быстродействие обработки векторов достигается за счет одновременного выполнения операций несколькими операционными процессорами за один период сигнала синхронизации.

Для имплементации проекта в кристалл ПЛИС произведено распределение входов и выходов преобразователей на краевые контакты и выполнено программирование с помощью загрузчика USB-Blaster [3]. Опытный образец векторного преобразователя изготовлен на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) Cyclone III фирмы «Altera» при помощи среды проектирования Quartus II [3, 15].

Для уменьшения трудоемкости подготовительных операций при смене типа диагностируемой SoC разработано микропрограммное устройство. Информация для записи в сдвиговые регистры векторного преобразователя набирается в текстовом формате на компьютере и представляет собой двоичный код. Для передачи данной информации с компьютера в микроконтроллер (МК) используется приложение HyperTerminal, позволяющее эмулировать работу терминала при взаимодействии с удалёнными устройствами.

Рис. 1. Структурная схема 8-ми разрядного векторного преобразователя

Схема подключения матричного коммутатора к ПК приведена на рис. 2.

Рис. 2. Подключение матричного коммутатора к ПК

Внешний вид микропрограммного устройства приведен на рис. 3.

Рис. 3. Внешний вид микропрограммного устройства

Микропрограммное устройство содержит: микроконтроллер (1), память EEPROM (2), сдвиговый регистр (3), стабилизатор напряжения (4), индикатор состояний сдвигового регистра (5), индикатор процесса обмена информацией между микропроцессором и другими блоками устройства (6), разъем для подключения устройства к преобразователю уровней (7), разъем для подключения управляющих сигналов к векторному преобразователю (8).

Схема подключения векторных преобразователей при формировании тестов генератором детерминированных тестов приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема сопряжения векторных преобразователей и генератора детерминированных тестов

При выполнении тестового диагностирования SoC необходимо применять два векторного преобразователя, один преобразовывает тестовые воздействия, второй - ответные реакции.

Матричный коммутатор позволяет записывать в память каналов тестовые воздействия от различных источников в сформированном виде, предназначенном для передачи непосредственно на контакты объекта диагностирования. Пример объединения тестовых воздействий детерминированного и алгоритмического генераторов показан на рис. 5.

Рис. 5. Объединение тестовых воздействий от двух генераторов тестов

Коды результатов сравнения считанных реакций с эталонными значениями также в упорядоченном виде можно на экран монитора ПК для их дальнейшего анализа, что упрощает процесс локализации неисправностей диагностируемой SoC.

Разработана программа “Monomat” для формирования кодов мономиальных матриц М, задающих соответствие логических и физических сечений объектов диагностирования, реализованных в виде SoC. По программе формируются коды, определяющие все возможные варианты распределения контактов SoC, что сокращает трудоемкость подготовительных операций.

Для SoC, содержащей только 8 контактов, можно сформировать 8!=1*2*3*4*5*6*7*8=40320 мономиальных матриц. Примеры таких матриц приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Мономиальные матрицы для SoC с 8-ю контактами

По программе задается размерность матриц, которая соответствует количеству контактов ввода/вывода. Выбранные матрицы, соответствующие расположению краевых контактов SoC, запоминаются в текстовом файле, имя которого соответствует наименованию изделия. Затем, используя приложение HyperTerminal, коды матрицы, соответствующие диагностируемой SoC, заносятся в сдвиговые регистры векторного преобразователя.

Для конвертирования вектора реакций диагностируемой SoC в упорядоченную последовательность разработана программа “Orderseq”. Для сортировки массива, определяющего распределение кодов вектора реакций, в данной программе используется алгоритм Гаусса-Жордана, обеспечивающий построение матрицы М -1, обратной мономиальной матрице. По аналогии с процессом загрузки матрицы М, осуществляется загрузка во второй векторный преобразователь кодов матрицы М -1. После выполнения приведенных выше операций процесс инициализации матричного коммутатора завершается и начинается тестирование SoC.

Заключение

Новое техническое решение позволяет подавать тестовые воздействия на входы SoC без дополнительных коммутационных устройств. При этом уменьшается время инициализации матричного коммутатора, реализованного на ПЛИС, за счет сокращения времени преобразования кодов, изменяющих режимы его работы. Ответные реакции, обработанные микроконтроллером, подаются в компьютер в виде, удобном для поразрядного сравнения.

Операции адаптации коммутатора при смене типа диагностируемой SoC выполняются изменением кодов матриц, которые являются оригинальными для каждого вида SoC и записываются в регистры сдвига. Сведения о расположении выводов и их разводке хранятся в виде файлов в памяти компьютера. Перед выполнением тестирования определяется тип корпуса SoC и соответствующее ему назначение выводов выполняется автоматически. При большой номенклатуре выпускаемых SoC не требуются дополнительные коммутирующие средства, которые применяются в существующих диагностических системах.

Поддержка

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (проект 16-08-00393).

Литература

1. Рябцев В.Г. Метод мобильной коммутации средств диагностирования к дискретным системам, конфигурируемым на кристаллах / В.Г. Рябцев, А.А. Шубович // Фундаментальные исследования, № 3 (часть 2). - 2016. - С. 288-292.

2. Матричный коммутатор / В.Г. Рябцев, С.В. Волобуев, А.А. Шубович, А.П. Евдокимов // Патент на полезную модель РФ № 173731. Бюл. № 25. - 2017.

3. Рябцев В.Г. Проектирование и моделирование энергоэффективных цифровых систем в среде QUARTUS II / В.Г. Рябцев, Р.В. Панжин, А.А. Шубович // Материалы международной научно-практической конференции «Эколого-мелиоративные аспекты рационального природопользования». 31 января - 3 февраля. Волгоград, Волгоградский ГАУ, 2017. Том 3. - С. 146-151.

4. Kolpakov I.A., Ryabtsev V.G. Operations of transformation of vectors influences coordinates at diagnosing modern digital system // Proceedings of East-West Design & Test Workshop. Yalta, Alushta, Crimea, Ukraine, September 23-26, 2004. Kharkov: Kharkov National University of Radioelectronics, 2004. - P. 217-219.

5. Иванов А. Инструменты для периферийного сканирования: тестирование плат и отладка функциональных узлов // Компоненты и технологии, № 9, 2010. - C. 162-166.

6. Основы векторного и тензорного анализа для физиков. Малышев А.И., Максимова Г.М. Электронное учебно-методическое пособие. - Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2012. - 101 с.

7. Проектирование и тестирование цифровых систем на кристаллах / В.И. Хаханов, Е.И. Литвинова, О.А. Гузь. Харьков: ХНУРЭ. 2009. - 484 с.

8. Хаханов В.И. Сервисное обслуживание современных цифровых систем на кристаллах/ В.И. Хаханов, Е.И. Литвинова, Ngene Christopher Umerah // Радіоелектронні і комп'ютерні системи, № 7 (41), 2009. - C. 319-323.

9. Хаханов В.И., Хаханова И.В., Литвинова Е.И., Гузь О.А. Проектирование и верификация цифровых систем на кристаллах. Verilog & System Verilog/ Харьков: Новое слово, 2010. - 528 с.

10. Ярмолик В.Н., Иванюк А.А. Тестовое диагностирование аппаратного и программного обеспечения вычислительных систем / Доклады БГУИР, № 2(80), 2014. - С. 127-142.

11. Legat U. On line self recovery of embedded multiprocessor SoC on FPGA using dynamic partial reconfiguration / Uros Legat, Anton Biasizzo, Franc Novak // Information Technology and Control. 2012. Vol. 41. № 2. - P. 116-124.

12. Ryabtsev V., Almadi M. New Technology for Memory Tests Design // International Journal of Modern Trends in Engineering and Research (IJMTER), Volume 02, Issue 06, 2015 - Р. 520-526.

13. Tsu-Wei Tseng. A Shared Parallel Built-In Self-Repair Scheme for Random Access Memories in SoCs / Tsu-Wei Tseng, Jin-Fu Li // Test Conference.ITC 2008. Oct. 2008. - P.1-9.

14. Zorian Y., Shoukourian S. Embedded-Memory Test and Repair: Infrastructure IP for SoC Yield, IEEE Design and Test of Computers, Num. 3, Vol. 20, 2003. - Р. 58-66.

15. https://www.altera.com/en_US/pdfs/literature/hb/qts/ qts-qps-handbook.pdf (дата обращения 20.12.2017).

16. Utkina T.Yu. Architecture of Built-In Self-Test and Recovery Memory Chips / T.Yu. Utkina, V.A. Andrienko, Diaa Moamar, V.G. Ryabtsev // Proceedings of East-West Design & Test Workshop (EWDTW'2012). (Kharkov, Ukraine, 14-17 Sep. 2012). - Kharkov: KHNURE, 2012. - Р. 307-310.

17. Almadi М.К. Automatic Operability Restoration of Semiconductor Memory's Modules during Multiple Faults / М.К. Almadi, V.G. Ryabtsev, T.Yu. Utkina // European Journal of Engineering and Technology. - 2015. - vol. 3, is. 5. - Р. 72-79.

18. Almadi M.K. Features of Decision Support's Program at Choice of Tests Optimized Sequence for Semiconductors Memory Diagnosing / M.K. Almadi, V.G. Ryabtsev // Radio electronics&informatics. - 2008. - is. 1. - P. 84-87.

19. Almadi M. New Methods and Tools for Design of Tests Memory / M. Al Madi, D. Moamar, V. Ryabtsev // Proceedings of East-West Design & Test Workshop (EWDTW'10). (Sevastopol, 9-12 Sep. 2011). - Kharkiv: KHNURE, 2011. - Р. 319-325.

20. Almadi M.K. New Infrastructure for Memory Tests Design / M.K. Almadi, V.G. Ryabtsev // Proceedings of the International Workshop Critical Infrastructure Safety and Security (CrISS-DESSERT 2011). (Kirovograd, 11-13 May 2011). - P. 434-440.

Размещено на Allbest.ru