Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В современной промышленности одной из наиболее сложных и трудоемких отраслей является производство телекоммуникационной аппаратуры. При этом потребность в системах связи и сетях-., передачи данных испытывают подавляющее большинство отраслей народного хозяйства. Поэтому на первый план выходят вопросы повышения качественных, технологических, экономических характеристик процесса изготовления телекоммуникационного оборудования. Основным фактором увеличения эффективности технологических процессов изготовления и эксплуатации аппаратуры является повышение уровня автоматизации.
Одной из наиболее сложных по технологическим, временным и эко
номическим показателям технологических операций является диагности-
роваїше технического состояния узлов аппаратуры связи на этапах произ
водства и эксплуатации. Указанная операция обязательно присутствует на
каждом этапе производства, а ее положительный результат является необ
ходимым условием для перехода к следующей технологической стадии.
Качество и эффективность диагностирования на этапах изготовления,
сборки и настройки элементов аппаратуры в конечном счете определяют
эффективность всего технологического этапа производства. Поэтому уро
вень автоматизации технического диагностирования элементов и всего из
делия в целом является определяющим для решения задачи автоматизации
технологических процессов изготовления и эксплуатации телекоммуника
ционного оборудования. Следовательно, качество решения вопрйсов тех
нической, диагностики на этапах производства и эксплуатации оборудова
ния предопределяют эффективность, качество изготовления и функциони
рования, а также другие важные технические и эксплуатационные пара
метры аппаратуры связи. Л'-'''" ;
Основными элементами современной аппаратуры связи являются цифровые модули, представляющие собой сложные с точки зрения технической реализации и функциональной насыщенности электронные схемы. В большинстве своем это интегральные схемы различной степени интеграции, позволяющие реализовывать устройства широкого спектра выполняемых функций. При этом трудоемкость процесса диагностирования аппаратуры подобного уровня растет с усложнением и миниатюризацией элементов. Увеличение объема и сложности электронной аппаратуры при переходе на сверхбольшие интегральпые схемы (СБИС) привело к тому, что стоимость производственного и эксплуатационного контроля этого оборудования стала сравнима со стоимостью проверяемого оборудования и даже превосходить его. С усложнением структуры и расширением функциональных возможностей аппаратуры процесс обнаружения и поиска дефек-
тов становится более трудоемким и длительным, что требует повышения уровня автоматизации процесса диагностирования.
Диагностика технического состояния функциональных узлов и связей между ними является одной из основных составляющих технологического процесса производства и наладки современной аппаратуры. Указанные функции выполняют автоматизированные системы технического диагностирования (АСТД). На этапе эксплуатации или при регламентных работах для проверки каждого функционального узла (элемента, платы, блока, изделия) применяется АСТД, интегрированная с системой управления и мониторинга (СУиМ). Такая система наряду с функциональным контролем рабочих характеристик и параметров позволяет производить тестовое диагностирование выбранных устройств.
Для обеспечения качественной процедуры диагностирования необходимо применять адекватную диагностическую модель, которая определяется технологией изготовления основных элементов аппаратуры. Для подавляющего большинства современных СБИС (микропроцессоров, программируемых схем, специализированных СБИС, сигнальных процессоров и т.д.) базовой технологией изготовления стала КМОП (Комплиментарные Металл-Окисел-Полупроводник-структуры). Для ее описания первоначально была предпринята попытка применить ранее разработанные (для предшествующих технологий - ТТЛ, ТТЛШ и т.д.) диагностические модели. Однако анализ, проведенный в работах отечественных и зарубежных исследователей, показал их неадекватность КМОП-гехнологии и, как следствие, недостаточную покрывающую способность существующих диагностических тестов, что привело к необходимости разработки новых адекватных моделей дефектов расширенного класса (РКД) КМОП дискретных устройств (ДУ), исследовании новых видов формального описания проверяемого ДУ, разработке методик и алгоритмов синтеза диагностических тестов для обнаружения сочетания возросшего числа дефектов. Рост числа и типов дефектов обусловлен увеличением степени интеграции и плотности упаковки элементов в КМОП СБИС, применением многослойного печатного монтажа, а также особенностями конструктивного построения КМОП-элементов. Это привело к значительному усложнению процедуры контроля и диагностики аппаратуры, реализованной на КМОП СБИС.
Постановка задачи. Разработать и исследовать новые адекватные логические модели дефектов для КМОП-технологии, методы и алгоритмы построения диагностических тестов для обнаружения кратных дефектов в КМОП ДУ, а также методы и алгоритмы реализации процедуры тестового диагностирования для автоматизации проверки сложных электронных устройств на этапах технологических процессов изготовления и эксплуатации телекоммуникационного оборудования.
Объектом исследования является структурно-логическая модель дефектов расширенного класса КМОП СБИС, диагностические возможности проверяющих импульсных тестов, применяемых для обнаружения сочетания дефектов из РКД в КМОП СБИС, алгоритмы синтеза проверяющих импульсных тестов, а также процедуры тестового диагностирования кон-тролепригодных КМОП СБИС, позволяющие автоматизировать контроль технического состояния аппаратуры связи на технологических этапах ее изготовления и эксплуатации.
Цель диссертационной работы. Целью работы является повышение достоверности диагностики расширенного класса дефектов КМОП СБИС, являющихся одними из базисных элементов современной телекоммуникационной аппаратуры, на технологических этапах ее изготовления и эксплуатации.
Целью теоретической части работы является исследование структурно-логической модели дефектов из РКД, характерной для устройств, изготовленных по КМОП-технологии, исследование применимости метода «проверки исправности ветви в неисправном устройстве» для диагностики дефектов из РКД с использованием импульсных тестов, построенных с помощью математического аппарата сдвоенных ориентированных булевых дифференциалов (СОБД), а также разработка методов синтеза импульсных тестов для обнаружения дефектов из РКД в КМОП СБИС. Поставленная цель достигается при допустимом количестве ограничений и допущений, не наносящих ущерба полноте и достоверности обтаруэкивающих свойств теста и упрощающих процедуру синтеза тестов.
Цель прикладной части работы заключается в разработке эффектив
ных магящюрриентированных алгоритмов синтеза проверяющих импульс
ных тестов, в разработке процедуры тестового диагностирования КМОП
СБИС с использованием средствповышения коетролеггоигодности, интег
рированных в современные электронные устройства (в частности,"стандарт
контролепригодного проектирования JTAG), а также в разработке инфор
мационного, программного, аппаратного и прикладного' 'обеспечения
АСТД. Указанная цель достигается за счёт использования предлагаемых
методов и алгоритмов для проверки цифровых функциональных модулей в
составе телекоммуникационной аппаратуры на стадиях ее изготовления и
эксплуатации. '
Основные задачи диссертационной работы', определяемые поставленной целью, состоят в следующем:
-
Исследовать структурно-логическую модель дефектов РКД КМОП ДУ.
-
Исследовать возможность применения импульсных тестов для диагностики КМОП ДУ и определить их преимущества по сравнению с ва-риациошгыми тестами.
3. Разработать математический аппарат для синтеза импульсных тес
тов проверки КМОП ДУ с РКД на базе математического аппарата ориенти
рованных булевых дифференциалов.
-
Разработать методы обнаружения кратных дефектов из РКД в КМОП комбинационных устройствах, а также алгоритмы синтеза импульсных проверяющих тестов.
-
Разработать машипоориентированные алгоритмы синтеза импульсных проверяющих тестов обнаружения кратных дефектов из РКД в КМОПДУ.
-
Исследовать методы и средства повышения контролепригодности современных электронных устройств, использующих в качестве элементного базиса КМОП СБИС, и разработать алгоритмы диагностирования подобных устройств в составе телекоммуникационной аппаратуры.
-
Разработать информационное, программное, аппаратное и прикладное обеспечение для отладочного стенда (технологического тестера) проверки линейных и коммутационных модулей телекоммуникационной аппаратуры.
-
Спроектировать систему управления и мониторинга (СУиМ) телекоммуникационным оборудованием с интегрированной АСТД на этапе эксплуатации, использующей предлагаемые в работе методы построения контролепригодных модулей и систем, алгоритмы синтеза проверяющих импульсных тестов, процедуры сетевой диагностики.
Методы исследований базируются на использовании элементов математического аппарата булевого дифференциального исчисления, методов аналитического и логического моделирования, математического программирования, теории автоматов, элементов теории вычислительных систем и сетей, теории технической диагностики. Экспериментальное исследование разработанных методов и алгоритмов выполнено с помощью моделирования и макетирования.
Научная новизна работы заключается в разработке, обосновании, теоретическом и экспериментальном исследовании новых методов обнаружения одиночных и кратных дефектов из РКД в комбинационных устройствах; в использовании математического аппарата СОБД для синтеза проверяющих импульсных тестов для КМОП ДУ, описываемых моделью кратных дефектов из РКД; разработке иерархической архитектуры АСТД на этапе изготовления и системы управления и мониторинга с интегрированной АСТД на этапе эксплуатации телекоммуникационного оборудования.
На защиту автором выносятся следующие научные результаты:
- исследованная обобщенная структурно-логическая модель, описывающая РКД в КМОП ДУ: перемычки, обрывы электродов транзисторов и соединительных линий, приводящие к возникновению константного де-
фекта, «триггерпого эффекта», «состязания сигналов»;
разработанные методы и алгоритмы синтеза ориентированных импульсных тестов проверки исправности ветвей комбинационных устройств, правильная реакция на которые гарантирует исправность проверяемой ветви при сочетании дефектов из РКД в других ветвях схемы;
разработанные методы и машиноориентированные алгоритмы синтеза проверяющих импульсных тестов для комбинационных устройств (КУ), описываемых структурно-аналитической диагностической моделью РКД;
предложенные алгоритмы тестового диагностирования контроле-пригодных (поддерживающих стандарт JTAG) КМОП СБИС в совокупности с разработанными методиками синтеза проверяющих импульсных тестов;
предлагаемая структура автоматизированной системы тестового диагностирования, реализованная для этапов технологических стадий процесса изготовления и эксплуатации телекоммуникационного оборудования.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждена корректным обоснованием и анализом математических моделей РКД и методов синтеза проверяющих тестов в ДУ, наглядной интерпретацией математических моделей, теоретических результатов и выводов, а также данными математического моделирования и экспериментальных исследований результатов синтеза тестов дефектов из РКД для электронных устройств, используемых в качестве базисных элементов для телекоммуникационной аппаратуры.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
разработаны методы и алгоритмы синтеза проверяющих импульсных тестов для диагностирования КМОП СБИС, описываемых моделью РКД;
разработаны методики использования средств повышения контролепригодности, интегрированных в современные СБИС, которые позволяют применить для диапюстики предлагаемые алгоритмы, повысив при этом эффективность и достоверность диагностирования; . , >,
предложены алгоритмы и процедуры: проведения тестового диагностирования функциональных узлов телекоммуникационной аппаратуры на различных стадиях производства и эксплуатации;
предложена структура АСТД и системы управления и мониторинга телекоммуникационного оборудования.
Реализация результатов работы. Теоретические результаты были использованы при разработке информационного, программного, аппаратного и прикладного обеспечения:
1. Отладочного комплекса проверки телекоммуникационного оборудования производства ОАО «Мориоп» и НПО АО «Такт» на этапах изго-
товления и отладки.
2. АСТД, интегрированной в СУиМ технического состояния телекоммуникационного оборудования производства ОАО «Морион» и НПО АО «Такт», применяемого в качестве платформы системы диспетчерской служебной связи (ДСС), внедренной на Октябрьской (Санкт-Петербург) и Восточно-Сибирской (Иркутск), Дальневосточной (Хабаровск) железных дорог, а также системы связи нефтяников (Новосибирск).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано восемь печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 114 страницах машинописного текста, иллюстрируется 45 рисунками, 15 таблицами и состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 34 наименований и приложений.