Реферат: Проектирование сигнатурного анализатора
Данный полином можно сократить до выражения:
A(X)=X7 +X6 + X0 = X7 + X6 + 1.
Для понимания принципа циклического избыточного контроля (ЦИК) предположим, что имеются двоичный поток B(X) и порождающий полином G(X). Если разделить полином B(X) на G(X), получится частное Q(X) и остаток R(X):
B(X)=G(X)*Q(X)+R(X).
Прибавляя –R(X) к обеим частям уравнения, получим :
B(X) - R(X) = G(X)*Q(X).
При способе ЦИК передаваемый двоичный поток делится на порождающий полином и получающийся остаток добавляется в передаваемый двоичный поток. В приемнике входной двоичный поток и остаток делятся на тот же самый полином, что и в передатчике, с образованием остатка. В результате деления на приемной стороне линии связи остаток должен быть равным нулю, так как B(X) + R(X) точно делится на G(X). При получении нулевого остатка на приемной стороне обнаруживаемых ошибок при передачи не возникло.
При способе ЦИК наиболее широко применяется 16-битный полином вида:
ЦИК-16 = X16 + X15 + X2 + 1
Для реализации циклического избыточного контроля применяется 16-битный регистр сдвига, на вход которого подается контролируемый двоичный набор B(X), а из соответствующих разрядов регистра сдвига берутся сигналы обратной связи. Входной сигнал и все сигналы обратной связи суммируются по mod 2 (операция исключающего ИЛИ), в результате чего получается линейная последовательностная схема, так как сумматор по mod 2 придает один и тот же вес каждому входному биту. Полином называется характеристическим полиномом генератора, а фактические точки отводов обратной связи находятся из его инверсии. Инверсное (или обратное ) выражение находится путем вычитания каждого члена в характеристическом полиноме из X16 в случае кода ЦИК-16, что дает выражение обратной связи X16 + X14 + X1 + 1. Следовательно, в элемент исключающего ИЛИ подаются входной сигнал и отводы от первого, четырнадцатого и шестнадцатого разрядов регистра сдвига (рис. 1).
Рис. 1. Регистр сдвига с линейной обратной связью
Регистр сдвига синхронизируется специальными сигналами, и входной поток данных делится на характеристический полином X16 + X15 + X2 + 1. По окончании двоичного потока остаток выдвигается из регистра и добавляется к передаваемому потоку данных. Ранее было показано, что остаток вычитается из двоичного потока [B(X) – R(X)], но в арифметике по mod 2 операции сложения и вычитания дают одинаковые результаты, поэтому передача B(X) + R(X) производит то же самое действие.
Порождающий полином ЦИК-16 имеет четное число членов, и представим в виде ЦИК-16 = (X+1)*(X15 + X + 1). Множитель(X+1) включен намеренно, чтобы все необнаруживаемые ошибки имели четный паритет. Чтобы скрыть ошибку, должно возникнуть четное число ошибочных бит, которые обычно группируются. Однако циклический избыточный контроль всегда обнаруживает однобитные ошибки во входном потоке. Таким образом, коды ЦИК представляют собой способ обнаружения в потоке данных всех однобитных ошибок и высокий процент обнаружения всех многобитных ошибок. В связи с этим они широко применяются в схемах быстродействующих цифровых передач, в которых передаются не отдельные символы, а целые блоки данных.
Сигнатурный анализ.
В циклическом избыточном контроле входной двоичный набор подается в линейную последовательностную схему, которая осуществляет деление двоичного потока на некоторый характеристический полином, и в регистре сдвига образуется остаток от деления. Обычно остаток добавляется к передаваемому двоичному потоку в качестве кода, обнаруживающего ошибки. Если же вместо добавления остатка к двоичному потоку вывести его на индикацию, это значение будет уникальным для входного двоичного набора. Имея запоминающие элементы, схема учитывает все прошлые и текущие события и может обрабатывать очень длинные потоки данных. Уникальный остаток для конкретного входа служит как бы “отпечатками пальцев” этого набора и может использоваться для его идентификации. Зависимость остатка от входного двоичного потока привела к термину “сигнатура” (т.е. подпись). Опираясь на принцип “временного окна” и используя импульсы пуска и останова и сигналы синхронизации от проверяемой системы, в узел логической схемы можно подать периодический набор. Этот набор подается на вход линейной последовательностной схемы, и при восприятии сигнала останова в регистре сдвига окажется “сигнатура” данного узла и конкретного тест-набора. Фактическое значение сигнатуры несущественно, но оно должно быть одним и тем же для данного узла, он стимулируется одним и тем же тест-набором и когда применяется те же самые сигналы пуска, останова и синхронизации.
Для получения наилучших результатов при применении способа регистра сдвига требуется последовательность максимальной длины что приводит к широкому классу схем, называемых генераторами псевдослучайной последовательности . В 16-разрядном регистре сдвига имеется 2048 способов реализации отводов обратной связи, удовлетворяющих данному критерию. В полиноме ЦИК-16 применяется четное число входов, что приводит к группированию ошибок, а при тестировании узлов предпочтителен метод, который максимально распределяет ошибки. По этой же причине отводы не рекомендуется делать через 4 или 8 разрядов, так как они соответствуют наиболее вероятным размерам слов в микропроцессорах.Фирма Hewlett-Packard остановилась на нечетном числе входов, применив неприводимое выражение обратной связи X16 + X12 + X 9 + X7 + 1, которое соответствует характеристическому полиному X16 + X9 + X7 + X4 + 1. Напомним, что мы хотим получить прибор широкого назначения для тестирования цифровых систем; имеются и другие характеристические выражения, которые удовлетворяют критерию, но было выбрано именно это.
По существу, получается портативный прибор, содержащий 16-разрядный регистр сдвига с сумматором по mod 2 на входе. С помощью сигналов пуска и останова входной сигнал подается в схему, а сигнал синхронизации от проверяемой системы сдвигает данные в регистре. По окончании интервала измерения осуществляется индикация содержимого регистра как характеристической сигнатуры проверяемого узла.
Входной двоичный поток от проверяемого узла с помощью сигналов пуска и останова подается в регистр, который синхронизируется сигналом от проверяемой системы. После прекращения двоичного потока остаток, находящийся в регистре, выводится на индикаторы в виде четырех 16-ричных символов, которые и представляют собой “сигнатуру” проверяемого узла.
Возможна замена стандартного набора 16-ричных символов. Фирма Hewlett-Packard заменила стандартный набор 16-ричных символов, чтобы избежать путаницы между цифрой 6 и буквой b , и приняла следующие символы:
| ДВОИЧНЫЙ КОД | ИНДИКАЦИЯ | 16-РИЧНЫЙ СИМВОЛ |
| 0000 | 0 | 0 |
| 0001 | 1 | 1 |
| 0010 | 2 | 2 |
| 0011 | 3 | 3 |
| 0100 | 4 | 4 |
| 0101 | 5 | 5 |
| 0110 | 6 | 6 |
| 0111 | 7 | 7 |
| 1000 | 8 | 8 |
| 1001 | 9 | 9 |
| 1010 | A | A |
| 1011 | C | B |
| 1100 | F | C |
| 1101 | H | D |
| 1110 | P | E |
| 1111 | U | F |
Большинство изготовителей сигнатурных анализаторов пользуются таким же кодированием индицируемых данных, что и фирма Hewlett-Packard.
Такое понятие, как почти правильная сигнатура, не имеет смысла; индицируемый код 006А совершенно не связан с кодом 006С. Сигнатура может быть только правильной или не правильной.
Какие изделия пригодны для испытания методом сигнатурного анализа.
Как правило, в изделия, при эксплуатации которых предполагается использовать сигнатурный анализ, в процессе разработки вносят определенные средства, позволяющие производить этот анализ наиболее простыми и дешевыми приборами и повысить эффективность контроля. Прежде всего это средства, позволяющие разрывать в режиме контроля цепи обратной связи в контролируемой схеме. Когда выходит из строя один из элементов, входящих в контур с обратной связью, локализовать неисправности внутри этого контура с помощью сигнатурного анализа не удается.
Поясним это на примере схемы, изображенной на рис. 2. Допустим, что нисправная ИМС 2. Это приводит к появлению неправильной сигнатуры на выходе схемы Т, причем на всех входах схемы сигнатуры правильные, а в точках A, B, C и D – неправильные. Указать, какой из четырех элементов схемы вышел из строя, невозможно, так как нет ни одного элемента, у которого при неправильной выходной сигнатуре были бы правильные все входные. Если снабдить схему переключателем П1 , который в режиме тестирования размыкает цепь обратной связи, сигнатура в точке E перестает зависить от сигнатуры в точке D, и в этом случае неисправность ИМС 2 легко обнаруживается.
Рис. 2. Пример цифровой схемы с обратной связью
На практике, как правило, не требуется разрывать контуры с обратной связью, включающие в себе всего несколько простейших логических элементов, подобные схеме, изображенной на рис. 2, так как локализация сигнатурным анализом неисправности с точностью до такого контура позволяет быстро выявить неисправность конкретного элемента другими методами. Что же касается МПС в целом, то она целиком охвачена обратной связью по контуру программного управления.
Поэтому для применения сигнатурного анализа необходимо иметь возможность разрывать цепи обратной связи в режиме тестирования МПС. Для однокристального микропроцессора это условие реализуется отключением шины данных от входа МП. Разрыв обратной связи по шине данных можно реализовать с помощью механических переключателей или электронных ключей.
Вторым важным условием пригодности МПС для испытаний с помощью сигнатурного анализа является наличие схем, вырабатывающих сигналы Пуск и Стоп , необходимые сигнатурному анализатору для выработки измерительного “окна”, т.е. интервала времени, в течении которого накапливается сигнатура.
Третьим требованием является наличие в составе МПС ПЗУ, в которм содержится тестовая программа. В качестве тестовой может выступать как специально разработанная, так и определенная рабочая программа, если она, по мнению разработчика, в достаточной мере использует все устройства МПС.
Увеличение объема аппаратуры и стоимости разработки МПС с учетом требований применимости сигнатурного анализа по сравнению с объемом и стоимостью обычной МПС не превышает в среднем 1%.
Простой сигнатурный анализатор.
Дешевый сигнатурный анализатор можно собрать из стандартных логических ИС. Основу его составляет 16-ти разрядный регистр сдвига с элементом исключающего ИЛИ в цепи обратной связи. Первоначально регистр переводится в нулевое состояние, которое является запрещенным состоянием для автономного ГПСП(Генератор ПсевдоСлучайной Последовательности), но из которого его можно вывести любым битом с логической 1 во входном потоке данных. Сигналы пуска, останова и синхронизации подаются из проверяемой системы вместе с сигналом от проверяемого узла. Сигнал пуска разрешает прохождение сигналов синхронизации в регистр сдвига, поэтому данные можно синхронно сдвигать в регистре. Сигналом пуска можно также клапанировать входной поток данных. Сигнал останова прекращает синхронизацию регистра сдвига и блокирует входные данные. Сигналом останова остаток из регистра сдвига передается на индикаторы.
Структурная схема простого сигнатурного анализатора.
Структурная схема простого сигнатурного анализатора приведена на рис. 3.
Схема иллюстрирует несколько интересных особенностей. 16-разрядный регистр сдвига реализован на двух микросхемах КР1533ИР8, а цепь обратной связи построена на двухвходовых элементах исключающего ИЛИ 1533ЛП5. Входной поток данных для улучшения формы сигналов подается на триггер Шмитта.