ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2003. Т. 46, № 1, стр.42-47

 вычислительная техника

УДК 681.325.6

В. Ф. Звягин, М. М. Зинатуллин

Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики
(технический университет)

Технология проектирования тестового обеспечения цифровых схем

Обсуждается двухшаговая технология проектирования тестового обеспечения цифровых схем, объединяющая тестопригодное проектирование и автоматическую генерацию тестов и предусматривающая формирование рекомендаций по изменению схемы и проектирование теста высокого качества. Обсуждается практика применения САПР.

Системы автоматизации проектирования (САПР) цифровых схем, например MAX Plus II фирмы „Altera“ (США), см. www.altera.com, оснащены обычно графическим схемным редактором, средствами технического проектирования и моделирования. В некоторых случаях САПР оснащены средствами анализа полноты тестов — в системе MAX Plus II они отсутствуют. Лишь немногие САПР имеют систему автоматической генерации тестов — ATPG (Automatic Test Pattern Generation), см. www.acugen.com. Вследствие проблем, возникающих при использовании ATPG, САПР комплектуют подсистемой тестопригодного проектирования — DFT (Design for Test). Традиционно в процессе DFT схему проверяют на соблюдение неких правил, иногда вычисляют оценки управляемости и наблюдаемости, но не прогнозируют, насколько используемый генератор способен создать тест для конкретной схемы. Как правило, DFT фиксирует проблемы, но не указывает пути их преодоления.

Лабораторией „Testward Lab“ был разработан регулярный метод синтеза тестов [1], в течение многих лет применяющийся в промышленности [2]. Рассматривая подсистемы ATPG и DFT совместно в составе системы Tw-CAD (Testware CAD — САПР тестового обеспечения), введем термин „тестовое обеспечение“, подразумевающий объединение всех составляющих качественного тестирования. Предлагаемая мера тестопригодности позволяет оценить исходную схему, сопоставить ее с возможностями генератора тестов, дать прогноз качества теста и спланировать изменения, улучшающие схему. В рамках предлагаемой единой Tw-CAD тестовое обеспечение создается по прозрачной технологии: разработчик заказывает тест желаемого качества; Tw-CAD предсказывает достижимое качество теста и, возможно, рекомендует, где и какие внести изменения; разработчик ищет баланс между ожидаемым качеством теста и предлагаемыми изменениями в схеме; затем генерируется тест высокого качества.

Анализ и классификация схем. Цель анализа — использовать рассчитываемую по оценкам управляемости и наблюдаемости элементов (см. работу [3]) меру тестопригодности для классификации схем. Тестопригодность — это возможность спроектировать тест высокого качества автоматически. Пусть бит — логическое значение „0“ или „1“, приписанное входу, элементу памяти, комбинационному или буферному элементу, выходу схемы. При создании модели схемы биты ранжируются по оценкам управляемости, наблюдаемости и тестопригодности.

Оценка управляемости бита характеризует, насколько сложно управлять битом со стороны входов: больше оценка — хуже управляемость. Лучшие оценки, равные 1, присваиваются входным битам. Оценка любого другого бита показывает, сколько битов в среднем должно сработать до того, как сработает оцениваемый бит. Если управление битом невозможно, его оценка равна 0, а он сам относится к зоне избыточности. Эксплуатация Tw-CAD выявила порог оценки управляемости С_п. Интервал [1, С_п] — зона хорошей управляемости, где тесты генерируются уверенно. Интервал оценок [С_п + 1, C_max] — зона плохой управляемости, где тесты некоторых неисправностей не будут найдены, что снизит качество теста и увеличит временные затраты на проектирование; здесь C_max — максимум оценки.

Оценка наблюдаемости бита характеризует, насколько глубоко от выходов схемы скрыт бит, т.е. насколько сложно транспортировать его логическое значение к выходам: больше оценка — хуже наблюдаемость. Лучшие оценки, равные 1, присваиваются выходным битам. Оценки других битов определяются как разность оценок управляемости бита, ближайшего к выходу, и оцениваемого бита. Биты, наблюдение которых невозможно, отнесем к зоне избыточности и присвоим им оценку, превышающую максимальную оценку O_max. Опыт эксплуатации Tw-CAD выявил порог оценки наблюдаемости O_п. Интервал [1, O_п] — зона хорошей наблюдаемости, где тесты генерируются уверенно. Интервал оценок [O_п + 1, O_max] — зона плохой наблюдаемости, где тесты некоторых неисправностей не будут найдены, что снизит качество теста и увеличит временные затраты на проектирование.

Если какой-либо бит входит и в зону хорошей управляемости, и в зону хорошей наблюдаемости, то тест для него вычисляется быстро и результативно. Если бит не входит хотя бы в одну из хороших зон, это влечет за собой рост временных затрат на генерацию теста и, следовательно, его низкое качество. Комплексное представление о зоне уверенной генерации теста дает зона тестопригодности — пересечение хороших зон управляемости и наблюдаемости. Подсчитав число битов, вошедших в зону тестопригодности, можно составить представление о проблемах, ожидаемых в подсистеме ATPG в каждом случае:

·       идеальная схема - совпадают зоны хорошей управляемости, наблюдаемости и тестопригодности, зона избыточности пуста; все 100 % битов лежат в зоне уверенной генерации тестов -тест высокого качества будет сгенерирован быстро

·       тестопригодная схема -все биты, кроме избыточных, включены в зону тестопригодности; тест высокого качества будет сгенерирован при умеренных затратах времени

·       хорошая схема — зона тестопригодности сравнительно велика; время генерации не должно быть длительным, а качество теста низким

·       плохая схема -зона тестопригодности сравнительно мала, время генерации непомерно велико, полнота теста низкая

Последние два случая различаются лишь размером зоны тестопригодности. В обоих случаях снижение качества теста и увеличение времени его генерации обусловлено битами, не вошедшими в зону тестопригодности, а также битами из зоны избыточности.

Прогноз качества теста и повышение тестопригодности. Качество теста в диагностике принято оценивать по полноте теста - отношению числа проверенных неисправностей к их общему числу. В системе Tw-CAD оптимистический прогноз качества теста рассчитывается как отношение числа битов в зоне тестопригодности к общему числу битов за вычетом избыточных. Прогноз качества теста можно выразить в долях или процентах. Используемые в прогнозе оценки управляемости и наблюдаемости посчитаны по ожидаемым затратам на генерацию теста. Оптимистические оценки основаны на высоком КПД [4] Tw-CAD. Предполагается, что вычисления пройдут без перебора, однако это не всегда справедливо. Прогноз можно сделать реалистичным, используя упреждающую верификацию проекта схемы. При верификации для каждого бита делается попытка вычисления установочной последовательности. Реалистичный прогноз качества P, %, выразим формулой

,

где B — все множество битов; сомножители C_b, O_b — признаки принадлежности битов хорошим зонам; V_b — биты, прошедшие верификацию V; R — объединенная зона избыточности по управляемости и наблюдаемости, R_b — признак принадлежности этой зоне; произведение признаков C_bO_b соответствует зоне тестопригодности Т _b.

Помимо параметров, учтенных в формуле, существует ряд трудно прогнозируемых обстоятельств, например, непроверяемые неисправности, вызывающие перебор, снижающие качество теста и увеличивающие затраты времени.

При анализе схемы качество теста прогнозировалось по зонам тестопригодности и избыточности. Возможна и обратная постановка задачи: изменяя размер зоны тестопригодности, можно влиять на качество теста — в этом суть предлагаемого подхода к процессу DFT.

Стыковка процедур ATPG и DFT — основа технологии DFT&TFD (Design for Test & Test for Design). Обработка схемы в соответствии с предлагаемой технологией представлена на рис. 1.

Рис. 1

Качество теста улучшается, когда расширяется зона тестопригодности по мере добавления точек дополнительного управления (ТДУ) и наблюдения (ТДН). Плохая схема становится хорошей, хорошая схема — тестопригодной или даже идеальной. Однако переходу схемы в число идеальных и достижению желаемого уровня качества препятствует зона избыточности. Другое препятствие — неприемлемо большой объем дополнительного оборудования, и третье — наличие ошибок и просчетов в проекте, отсутствие сбросов и установок, возможно, даже не нужных для нормального функционирования.

Биты, не прошедшие верификацию, — это резерв повышения качества.

В рассматриваемой системе Tw-CAD имеется автоматический генератор тестопригодных рекомендаций — ATRG (Automatic Testable Recommendation Generator). Используя опыт применения ATRG, приведем типичную диаграмму повышения качества теста по мере введения дополнительных точек (см. рис. 2, где ось абсцисс — общее количество N вводимых ТДУ и ТДН, ось ординат — прогноз P качества теста, в процентах). График имеет вид „лестницы с изменяющейся высотой и шириной ступенек“, ведущей к высокому качеству теста. ATRG, оценивая эффективность вносимых ТДУ и ТДН, отбирает лучшие из них. По мере приближения к 100 % эффект от введения точек снижается (высота ступенек), а количество точек растет (ширина ступенек). Из анализа характера „лестницы качества“ следует, что, ограничившись значением Р, близким к 100 %, но при Р<100 %, можно существенно сократить объем дополнительного оборудования. Важно, чтобы разработчик сам решал, на какую ступеньку „лестницы качества“ (уровень P) он вправе подняться, затратив N дополнительных точек; он же примет решение, как их реализовать.

Рис. 2

Разработчик, стремясь к высокому качеству теста, по протоколу верификации и отчету тестопригодности осуществляет следующие операции:

·       пересматривает схемные решения, добиваясь в идеале 100 %-ной верификации;

·       по возможности устраняет избыточность

·       вносит рекомендованные ТДУ — дополнительные сбросы, мультиплексоры, установки, виртуальные входы JTAG — для улучшения управляемости, а попутно, и наблюдаемости

·       вносит рекомендованные ТДН — новые выходы, в том числе и виртуальные выходы JTAG, — только для улучшения наблюдаемости

·       ищет компромисс между желаемым качеством теста и приемлемым объемом дополнительного оборудования, добивясь в идеале 100 %-ного прогноза качества

Практика применения системы Tw-CAD. С помощью Tw-CAD обработаны тысячи цифровых схем объемом от нескольких сотен до 12 тыс. вентилей (здесь обсуждается не статистика, а лишь характерные примеры). Система уверенно прогнозирует случаи низкого качества и больших затрат времени на ATPG. Изменив схему по рекомендациям, полученным от ATRG, можно улучшить ситуацию.

Данные о схемах сведены в таблицу, где каждая из них (фрагмент) выделена горизонтальной линией. В первой строке фрагмента приведено наименование исходной схемы, во второй строке — данные схемы с изменениями по числу ТДУ и ТДН. В графах таблицы указаны оценки C, O, T, V, P, упомянутые в формуле, а также полнота теста H. Ссылка на конкретное число в таблице, например V_М29, состоит из обозначения оценки V и наименования схемы М29 в качестве индекса. Буквенная часть наименования указывает технологию изготовления схемы: П — печатные платы, Л — программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) фирмы „Altera“, М — вентильные матрицы.

Рассмотрим влияние различных факторов на прогноз P и полноту теста H, достигнутую в ATPG:

·       cхема М2 — идеальная (такие бывают, но редко)

·       cхема М8 — тестопригодна, судя по оценке T_М8 = 100 %, но H_М8 = 97 %, а не 100 % вследствие избыточности R_М8 = 3 % (данные по избыточности в таблице не приводятся)

·       Судя по T_Л2 = 100 %, схема Л2 тестопригодна, но из-за проблем верификации (см. V_Л2 = 77 %) и прогноз P_Л2 и достигнутая полнота теста H_Л2 низкие. Устранение ошибок в измененной схеме улучшило оба показателя. В данном случае причины неудачной верификации — некорректное управление шинами, магистралями и буферами, длинные тестовые последовательности, отсутствие сбросов и установок, ошибки проекта (все подробности сообщаются в протоколе верификации)

·       Низкие оценки наблюдаемости для схем П1 и П2 — причина снижения прогнозов P_П1, P_П2 и полноты тестов H_П1, H_П2

·       низкие оценки управляемости C_М29 и наблюдаемости O_М29 — причина плохого прогноза Р_М29 и низкой полноты теста H_М29

·       низкие оценки C_П6, O_П6 и к тому же неудовлетворительная оценка верификация V_П6 — причина крайне плохих оценок P_П6 и H_П6

·       Анализ граф C и O для схем П1, М30, П2, М29, М101 в сравнении с числом ТДУ/ТДН показывает, что часто одни лишь ТДУ позволяют улучшать оценки и управляемости, и наблюдаемости.

·       Приведенные данные говорят о том, что прогнозируемое качество теста P и достигнутая в ATPG полнота теста H сравнимы

·       Привлечем для схем М21, П6, М101 дополнительно информацию о КПД — 16, 13, 2 %. С падением КПД предсказуемость, оцениваемая как |H – P|, ухудшается соответственно до 7, 9, 25 %, а время генерации тестов растет

·       Объем схем проблемы усугубляет: см., например, схему М101 — плохая и объемная. Для схемы М101 избыточные цепи (дублированные контакты, цепи „земли“ и „питания“) реально составляют 17 % и это препятствует улучшению оценки O_М101

Общие выводы по схемам

·       Плохие схемы в целом парадоксальны:

больше перебор — ниже КПД
больше время генерации теста — ниже качество

·       Для хороших схем время генерации теста и высокое качество теста предсказуемы:

больше время генерации теста — выше его качество
затраты времени растут практически линейно с ростом объема схем

·       Чем хуже прогноз (см. схемы от П1 до М32), тем больше изменений в схеме (ТДУ и ТДН) требуется

Проектирование тестового обеспечения через Internet.

Используя допустимое в системе MAX Plus II описание исходной схемы (VHDL, AHDL, ORCAD) и проектные библиотеки элементов, заказчик создает собственную схему. Система MAX Plus II реализует перепроектирует его схему в терминах базовых элементов — буферов, триггеров, вентилей заказчика в виде ПЛИС. В системе Tw-CAD составлена библиотека базовых элементов MAX Plus II; Tw-CAD воспринимает ПЛИС в базовых элементах и требует только список цепей на этом уровне, который формируется в rpt-файле MAX Plus II при компиляции схемы заказчика. Для ПЛИС других фирм библиотека базовых элементов должна быть согласована. Система Tw-CAD синтезируя тесты ПЛИС по описанию уровня базовых элементов, гарантирует тестирование реальной схемы. Конфиденциальность обеспечивается отсутствием доступа к первичному проекту, к исходной схеме заказчика, к временным параметрам, к проектной библиотеке.

В случае необходимости можно пополнять библиотеку Tw-CAD элементами в иной схемотехнике, имеется библиотека СИС. Tw-CAD выводит тест в формате MAX Plus II и в других форматах. Тестовый постпроцессор позволяет настраивать вывод теста на новые форматы. По e-mail zvp@unitel.spb.ru можно переслать схему и получить спроектированное тестовое обеспечение. Разрабатывается программное обеспечение виртуальной лаборатории тестового обеспечения, доступной в Internet (см. сайт http://twcad.ifmo.ru).

Предложенная мера тестопригодности цифровых схем позволяет сделать обоснованный выбор тестопригодных изменений и спрогнозировать качество теста. Система Tw-CAD автоматизирует рутинные операции по созданию тестового обеспечения, оставляя разработчику простор для творческой работы над проектом.

Список литературы

    1.  Голыничев В. H., Звягин В. Ф., Hемолочнов О. Ф. Pегуляpный метод синтеза тестовых последовательностей. Kоppектность пpовеpяющей последовательности // АиТ. 1984. № 1. С. 125—134.

    2.  Пpомышленная система автоматизации пpоектиpования тестов / О. Ф. Hемолочнов, А. E. Усвятский,
В. Ф. Звягин, В. H. Голыничев // Управляющие системы и машины. 1981. № 5. С. 37—42.

    3.  Звягин В. Ф., Бутылин А. А. Оценки управляемости логических схем с глобальными обратными связями // Межвуз. сб. науч. тр. „Автоматизация конструкторского проектирования в радиоэлектронике и вычислитель­ной технике“. Вильнюс, 1988. Т. 8. С. 97—109.

    4.  Голыничев В. H., Звягин В. Ф. Пpавила сокращения перебора в регуляpном методе синтеза тестовых последовательностей // Управляющие системы и машины. 1990. № 2. С. 32—39.

Рекомендована кафедрой информатики и прикладной математики

Поступила в редакцию 09.04.02 г.