Верификация рисков сбоя в цифровых устройствах на основе K-значного моделирования

УДК 681.3

B.Д. ДМИТРИЕНКО, д-р техн. наук, НТУ "ХПИ" (г. Харьков),

C.Ю. ЛЕОНОВ, канд. техн. наук,

Т.В. ГЛАДКИХ, канд. техн. наук

ВЕРИФИКАЦИЯ РИСКОВ СБОЯ В ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВАХ

НА ОСНОВЕ Я-ЗНАЧНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

У статті показано застосування нової системи верифікації цифрових пристроїв на основі А-значного моделювання. За допомогою цієї системи є можливість виконувати проектування сучасних складних та швидкодіючих пристроїв з урахуванням кількісних та якісних характеристик ризиків збоїв. Це дає нові перспективи по проектуванню з застосуванням А-значного моделювання.

In article it is shown applications of new system of verification digital devices on the basis of А-Value modelling. With its help it is possible to carry out designing of modern complex and high-speed devices in view of quantitative and qualitative characteristics of failures risks that gives new prospects on designing with use of А-Value modelling.

Введение. В настоящее время компьютерное моделирование поведения цифровых устройств является неотъемлемой частью систем автоматизации их проектирования и верификации. С помощью моделирования в системах автоматизированного проектирования электронных устройств решаются такие задачи как определение сигналов цепей установки цифровых устройств и их последующего логического функционирования, оптимизации параметров цепей синхронизации и временных характеристик переключения, анализа состязаний сигналов, определения времени распространения сигналов и их задержек, построения проверяющих тестов и проверки их полноты [1 - 3]. При этом сложность современных электронных устройств, высокая частота их работы требуют соответствующих новых методов анализа правильности их функционирования с использованием количественных и качественных характеристик возможности появления в них сбоев.

Постановка проблемы и анализ последних достижений и публикаций.

Сложность современных цифровых однокристальных систем (System On Chip - SOC) и необходимость повышения достоверности их моделирования привели к необходимости использования многозначных алфавитов вместо традиционного двоичного. Наименее трудоемким является моделирование с помощью трехзначного алфавита Эйхельбергера [2], использующего три символа ("единица", "ноль" и "неопределенность" (X)). Этот алфавит позволяет при моделировании учитывать два устойчивых состояния, а все остальные он представляет как неопределенность. Некоторым расширением трехзначного моделирования является пятизначное, которое дополнительно использует символы, дающие возможность различать гладкие переходы от состязаний сигналов.

Алфавит Фантози [3] содержит девять символов и позволяет при моделировании уже дифференцировать статические и динамические риски

сбоев, поскольку к трем символам алфавита Эйхельбергера добавляются такие состояния, как гладкий переход из "0" в "1" (Е), гладкий переход из "1" в "0" (Я), статический риск сбоя в "0" (Р), статический риск сбоя в "1" (V), динамический риск сбоя из "0" в "1" (Р), динамический риск сбоя из "1" в "0" (Ь). Введение еще четырех символов: О (переход из неопределенности в "0"), I (переход из неопределенности в "1"), А (переход из "0" в неопределенность) и В (переход из "1" в неопределенность), позволило различать фазы неопределенности и устойчивости [4]. Применение логических многозначных операторов дает возможность дифференцировать риски сбоев, гонок и состязаний сигналов, что весьма существенно для комбинационных устройств, где необходимо находить критические места (структурные компоненты) в целях их последующей модификации и устранения состязаний [5].

Вместе с тем, в известных системах затруднено моделирование нового класса процессов и физических неисправностей, которые вызваны использованием высоких частот функционирования элементов и связаны с существенным возрастанием роли временных параметров распространения сигналов по проводникам цифровых устройств. Кроме того, в подобных системах нет возможности анализировать влияние количественных параметров нарастания и спада логических сигналов, которые определяются мощностью переключения.

Целью статьи является описание возможностей новой системы моделирования на основе ^-значного дифференциального исчисления [6, 7], предназначенной для исследования сложных быстродействующих устройств, построенных с использованием современных технологий.

Реализация поставленной задачи. В настоящее время разработка новых и перспективных устройств выполняется на основе использования КМОП-технологии. Однако с внедрением в процесс производства КМОП-технологии возник новый класс физических неисправностей, которые проявляются в изменении времени распространения сигналов [8]. Правильное функционирование цифрового устройства в этом случае возможно только тогда, когда времена распространения сигналов вдоль проводников логической схемы лежат в определенных пределах. Когда же время распространения сигнала выходит за эти пределы, то говорят, что имеет место неисправность типа изменение задержки сигнала. Моделирование таких устройств может быть выполнено в системе моделирования на основе ^-значного представления сигналов и описания функционирования базовых элементов вычислительной техники на основе ^-значных дифференциальных уравнений.

Предлагаемая система моделирования позволяет при необходимости представлять проводники цифровых устройств как длинные линии, соединяющие передатчики и приемники сигналов, с помощью ^-значных дифференциальных или функциональных моделей [9]. Система

моделирования позволяет также исследовать функционирование вычислительных устройств с учетом мощности переключательных процессов, что дает возможность определять статическую помехоустойчивость проектируемых устройств. Вместе с тем, предлагаемая система моделирования позволяет моделировать и все процессы в цифровых устройствах, перечисленные ранее, и получаемые при использовании известного тринадцатизначного алфавита. В качестве примера рассмотрим моделирование работы устройства, приведенного на рис. 1.

Рис. 1. Устройство с наличием рисков сбоя

Основным составным элементом такого устройства является двухвходовый логический элемент "И", таблица состояний которого в 13-значном алфавите имеет вид:

Таблица

& 0 1 X Е н р V ь О I А В

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 1 X Е н р V ь О I А В

X 0 X X А О р X А О О X А X

Е 0 Е А Е р р р р А А

н 0 н О Р н р р р ь О О р ь

р 0 р р Р р р р р р р р р р

V 0 V X р р V ь О I А В

0 А р р р р А А

ь 0 ь О Р ь р ь р ь О О р ь

О 0 О О Р О р О р О О О р О

I 0 I X О р I О О I А X

А 0 А А А р р А А р р А А А

В 0 В X А ь р В А ь О X А В

Для начала можно рассмотреть ситуацию, когда на входах логического элемента "И" присутствуют сигналы Е (гладкий переход из "0" в "1") и О (переход из неопределенности в "0"). Это соответствует выходному сигналу р, который находится на пересечении пятой строки и одиннадцатой колонки таблицы. Такой выходной сигнал является статическим риском сбоя в "0" (р). На рис. 2 приведены результаты моделирования логического элемента "И" при указанных входных сигналах (сигналы А и В соответственно) в системе на основе К-значного дифференциального исчисления при К = 7. В этом случае в системе моделирования логический "0" совпадает с нулем, а логическая "1" соответствует значению "6" - соответственно минимальное и максимальное значения при семизначном представлении сигналов. На выходе элемента наблюдается сигнал С, который действительно соответствует статическому риску сбоя в "0", при этом его амплитуда равна "3" (половине от максимального значения при семизначном представлении логических сигналов).

Рис. 2. Статический риск сбоя в "0"

По данным табл. динамический риск сбоя из "0" в "1" (Р) на выходе логического элемента "И" имеет место, когда на его входах присутствуют сигналы V (статический риск сбоя в "1") и Е (гладкий переход из "0" в "1"). Это соответствует пересечению восьмой строки и пятой колонки таблицы. На рис. 3 приведены результате моделирования этого случая, где сигналы А и В соответствуют указанным входным сигналам V и Е, а сигнал С демонстрирует наличие динамического риска сбоя при переходе из "0" в "1".

Для примера можно рассмотреть работу более сложного устройства (рис. 1), в котором присутствуют неисправности типа "задержка распространения сигнала". Вид этого устройства в системе автоматизированного проектирования на основе К-значного

дифференциального исчисления представлен на рис. 4.

На входы х\ и х3 этого устройства подается перепад логического сигнала из "1" в "0", на входах х2 и х4 - уровень постоянной "1", а на входе х5 - уровень логического нуля. При этом на выходе хц наблюдается "провал" выходного логического сигнала относительно уровня логической "1". Это соответствует ситуации статического риска сбоя в "1" (рис. 5). При этом любой элемент схемы может находиться в любом из тринадцати состояний.

Рис. 3. Динамический риск сбоя из "0" в "1"

Рис. 4. Структура устройства в системе К-значного моделирования

Система К-значного моделирования позволяет также анализировать устройства с использованием мощностного анализа сигналов переключения. На рис. 6 приведены временные диаграммы функционирования устройства (рис. 1) с учетом мощности переключения входных сигналов.

Рис. 5. Статический риск сбоя

На рис. 6 приведены временные диаграммы функционирования этого устройства в базовом режиме (без анализа мощности переключения логических сигналов) в том случае, когда на два его входа х и х3 поступают сигналы, которые кодируются как О (см. таблицу), а на входы х2, х4 и х5 поданы логические "1", "1" и "0" соответственно.

Рис. 6. Временные диаграммы функционирования устройства в базовом режиме

Как видно из рисунка, на выходах Х10 и хц втечении рабочего интервала времени (с 15 нс по 66 нс) держится уровень логической неопределенности (К = 3), что определяется логикой функционирования отдельных логических элементов согласно таблицам истинности [6]. Аналогичные результаты получаются при использовании других методов и систем многозначного моделирования.

При активации в системе К-значного моделирования процесса учета мощности переключения входных сигналов, появляется возможность ее учета при моделировании устройства, в частности, на выходах х6 и х7 на рабочем интервале времени сигналы достигают устойчивых логических уровней (рис. 7), в отличие от уровня неопределенности, который можно было наблюдать в предыдущем случае (рис. 6).

Рис. 7. Временные диаграммы функционирования устройства с учетом мощности переключения входных сигналов

Аналогично, учет мощности переключения входных логических сигналов приводит к отклонению от уровня K = 3 значений на всех остальных промежуточных цепях проектируемого устройства. Все это обуславливает то, что на выходе x10 в интервал времени 27 - 30 нс наблюдается сбойная ситуация в виде "провала" выходного напряжения от уровня неопределенности до уровня логического нуля, а на выходе xn - "провал" логического сигнала на выходе от уровня логической "единицы" до уровня неопределенности.

Полученные результаты говорят о возможности при проектировании устройств и исследовании их работоспособности с помощью системы на основе K-значного дифференциального исчисления получать более точный количественный и качественный анализ сбойных ситуаций проектируемых устройств.

Выводы. Использование системы моделирования на основе K-значного дифференциального исчисления позволяет получить более полные качественные и количественные характеристики сбоев по сравнению с другими существующими системами многозначного моделирования, в которых нет возможности представлять квантованный по амплитуде логический сигнал в K-значном алфавите. Кроме того, ее использование дает возможность учитывать при исследовании таких сбоев реальную крутизну фронтов сигналов синхронизации и данных. Все это открывает перспективу использования системы K-значного моделирования при проектировании сложных вычислительных устройств.

Список литературы: 1. Соловьев В.В. Проектирование цифровых схем на основе

программируемых логических интегральных схем. - М.: Горячая линия. Телеком. - 2001. - 636 с. 2. Jutman A. At-Speed On-Chip Diagnosis of Board-Level Interconnect Faults // Proc. of 9th European Test Symposium (ETS'04). - France. - 2004. - P. 2 - 7. 3. Chouki Aktouf. A Complete Strategy for Testing an On-Chip Multiprocessor Architecture // IEEE Design & Test of Computers. - 2002. - P. 18 -28. 4. Хаханов В.И. Техническая диагностика элементов и узлов персональных компьютеров. - К.: ИЗМН, 1997. - 308 с. 5. Ahmed N., Tehranipour M., NouraniM. T[tending JTAG for Tasting Signal Integry SoCs // International Conference on Design Automation and Test in Europe DATE'03. - 2003. -P. 218 - 223. 6. Гладких Т.В. Верификация динамических параметров электронных устройств на основе K-значного моделирования: Дис. канд. техн. наук: 05.13.05 / Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт". - Харьков, 2007. - 311 с.

7. Dmitrienko V.D., Leonov S.Yu., Gladkikh T.V. System of K-Value simulation for research switching processes in digital devices Proceedings of IEEE East-West Design & Test Workshop (EWDTW06). -Sochi, 2006. - P. 428 - 435. 8. Lin C.J., Reddy S.M. On delay fault testing in logic circuits // IEEE Transactions on Computer-aided design. - 1987. - № 5. - P. 694 - 704. 9. Логическое моделирование и тестирование цифровых устройств / Скобцов Ю.А., Скобцов В.Ю. - Донецк: ИПММ НАН Украины, ДонНТУ, 2005. - 436 с.

Поступила в редакцию 30.09.2007