第4章 时序电路的测试.ppt
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- 第4章 时序电路的测试 时序电路 测试
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1、南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,第4章 时序电路的测试,本章主要内容: 时序电路测试的概念 时序电路的功能测试 时序电路的确定性测试生成 时序电路的其他测试生成方法,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,时序电路: 除组合逻辑外,电路还包含存储器。 输出不仅与电路的当前输入有关,还与电路的历史 状态有关。 时序是导致时序电路测试生成困难的另一因素。主要是设置时间和保持时间: (1)如果时间条件不满足,电路可能不按预定方式运行。 (2)即使时间条件满足,不同元器件的延时可导致竞争和冒险。时序电路的竞争和冒险会导致电路处于故障状态。,4.1 时序电路测试的概念,南京航
2、空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,时序电路的测试生成有以下几种方法: (1)验证时序电路是否按状态表工作,即功能测试法; (2)把时序电路转换成一系列组合电路,用组合电路的处理方 法处理时序电路,再基于故障的确定性方法测试生成;又 分为: 时间向前法; 时间向后法; 组合方法。 (3)可测性设计方法。,本章主要研究前两种方法,可测性设计方法将在后面章节讨论。,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,功能测试:通过检查电路实现功能的正确性来进行测试。 时序电路(有限状态机FSM)的功能测试也称为自动识别法. 有两种功能测试方法: (1) 通过施加特定的输入序列来测试时序电路是
3、否实现其逻辑功能。但这样的测试并不能保证检测到所有的故障,还须借助于模拟。 (2)通过施加特定的输入序列,验证电路是否按状态表工作。这种方法需穷举所有可能的有故障的状态情形,可检测并确认故障。优点:不必知道电路具体的逻辑图,只需知道状态转换图或流程表。但并不适用于VLSI。 本节首先介绍时序电路检查序列的概念和求法。,4.2 时序电路的功能测试,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,一般来讲,给定故障的检查序列包含两个独立的序列:,4.2.1 时序电路的检查序列,为了验证FSM的正确性,需先对它施加特定的输入序列,然后观察输出序列。,检查序列:当时序电路有故障时,此故障会把FSM从
4、状态M转换到状态Mf,假定状态数没有增加,就存在检查序列可区分M和Mf 。,对于无故障的电路,输入序列应先把FSM初始化到已知状态,然后迫使其经历所有的状态转换。,输入序列 观察序列,(1)同步序列SS 把时序电路置为已知状态的输入序列。 同步序列只关注状态的变迁,而不关注输出响应。 注意:并非每个时序电路都存在同步序列(这时用引导序列)。 (2)引导序列HS 把时序电路引导到已知状态的输入序列,该已知状态需由输出序列确认。 (3)鉴别序列DS 生成输出序列的输入序列,此输出序列应能够区分时序电路的初态和末态。 (4)变迁序列TS 引起时序电路状态变化的输入序列。,共同之处是“加输入(序列),
5、观输出(序列)”。引导序列只“观”末态;鉴别序列既“观”初态,又“观”末态。,同步序列和变迁序列的共同之处是“只加输入(序列),不观输出(序列)”。它们处理的初态不同,同步序列处理的初态是未知状态,而变迁序列处理的是已知状态。,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,1. 变迁序列TS的求法 引起时序电路状态变化的输入序列,通过状态变迁树求得。,例4.1 一时序电路的状态表如图4.1所示,试求从状态A转换到状态B的变迁序列。,如何构造状态变迁树并依此求得变迁序列?,解:从状态A出发,得到变迁状态树如图4.1(b)所示。 在构造变迁树时,当一个分支的状态重复,终止此分支。 变迁树完成后
6、,可以看出使得电路从状态A转换到状态B的最短序列是100,此序列即为变迁序列 。,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,2. 同步序列SS的求法 把时序电路置为已知状态的输入序列,可用同步树的方法 求得。,同步树的构造方法如下: (1)从电路的状态表出发,将电路所有状态(初始状态为不确定状态)作为根,分别施加输入值所得的状态集作为分支记录在相应的树枝下,并依次向下进行。 (2)如果所记录新的分支的不确定状态数与靠近的上一层的“根”的不确定状态数齐次,则该分支不再向下进行而终止,以S标记。 (3)当分支为单状态时,同步树完成。 从根到单状态分支的输入序列就是一个同步序列。,南京航空航
7、天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,例4.2 图4.2(a)定义了一时序电路的状态表,推导其同步序列。,图 4.2 同步序列的推导,解:利用上述方法,根据图4.2(a)所示的状态变迁表可得其同步树,如图4.2(b)所示。 同步序列000将时序电路从不确定态(ABCD)置为B态,而同步序列111将时序电路从不确定态(ABCD)置为A态。,不确定状态数与 “根”的齐次,分支为单状态时,同步树完成。,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,注意:并非所有的时序电路都存在同步序列。 如图4.3(a)状态表所表示的时序电路,不存在同步树。对于不存在同步树的时序电路只能用引导序列来设置初始化
8、状态。,图 4.3 同步序列的推导,时序电路如果存在同步序列,可通过以下方法初始化到任意理想状态S0:,对FSM选择同步序列SS,把时序电路置为已知状态 ; 确定施加SS后FSM的状态为S0。,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,3. 引导序列HS的求法 把时序电路引导到已知状态的输入序列。,任何时序电路都存在引导序列,它可用引导树求得。 引导树的构造方法与同步树相同,但须标明输出序列,以下一种情况出现时引导树结束: (1)输出序列对应唯一的单状态。这时,从根到单状态分支的输入序列就是一个引导序列 ; (2)输出序列对应的状态数与靠近的上一层的“根”的不确定状态数齐次。这情况下不
9、存在引导序列。,例4.3:(ABCD)表示电路的状态未知,输入为0时得到不确定状态(AB)(CD),(AB)对应的输出为1,(CD)对应的输出为0,依次构造分支,最后得到完整的树。 如果一个分支与靠近的上面的“根”状态数齐次或只含单个状态,该分支至此结束,标以(S)。从原始的不确定状态(ABCD)到单个状态所引入的输入序列就是引导序列。 每一个输出序列只能对应唯一的最后状态。,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,例4.3 对于图4.4(a)所定义的时序电路的状态表,试推导其 引导序列。,图4.4 引导序列的推导,(A)011 (B)010,(BD)000,(C)010 (A)01
10、1,(AB)001,齐次,每一个输出序列只能对应唯一的最后状态,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,所有化简的FSM最少有一个引导序列,紧密连接的FSM的一对有序状态至少有一个变迁序列。因此一化简的紧密连接的FSM可通过以下方法初始化到任意理想状态S0: 对FSM选择引导序列HS; 对FSM施加HS并观察输出响应; 确定施加HS后FSM的状态,称为S0。,电路是紧密连接的电路对于每一对有序的状态(Si, Sj),有且只有一个输入序列,使得电路从状态Si转换到状态Sj。,如果时序电路的同步序列和引导序列都存在,则可以对该电路初始化,一般引导序列比较短。,4. 鉴别序列的求法,时序电
11、路初始化完成后,须通过鉴别序列来验证状态的正确性。 求鉴别序列的过程与求引导序列的过程基本相同,不同之处在于鉴别树有时以得到不确定的矢量为终止。 鉴别序列注重的是时序电路状态的区别,而引导序列的目的是把电路引入到确定的状态。 显然每一个鉴别序列都是引导序列,反之未然。,对于图4.5(a)所定义的时序电路的状态表,可构造引导树和鉴别树,并得到表4.1所示的引导序列和鉴别序列。,(a) 引导序列,(b) 施加鉴别序列10,(1)用同步序列SS或初始化序列HS把FSM初始化到状态S0; (2)施加鉴别序列DS验证此状态; (3)设上一步所得到的最后步骤为Si; (4)施加鉴别序列DS验证Si; (5
12、)重复步骤(3)和(4),直到所有的状态得以确认; (6)上述过程中,如果状态Sj不可到达,施加变迁序列 到达此状态,然后施加鉴别序列加以验证; (7)对步骤(5)没验证的状态,施加变迁序列加以验证。,4.2.2 时序电路功能测试,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,4.3.1 时序电路的模型 同步时序电路采用Huffman模型,其表达如下图所示。,4.3 时序电路的确定性测试生成,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,研究该模型的前提: 原始输入是独立控制的,只有原始输出是可观的。 即,测试向量只能加在原始输x1,x2,xk上, 故障效应只能在原始输出Z1,Z2,Z
13、m观察到。 电路的内部状态是不可观的。,还要假设的前提: 无故障电路是根据状态表化简后实现的电路。即, 无故障电路没有两个或两个以上等效的状态; 电路是紧密连接的(电路对于每一对有序的状态(Si, Sj),有且只有一个输入序列,使得电路从状态Si转换到状态Sj)。,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,4.3.2 时序电路的测试生成模型 时序电路的测试向量序列要完成两个功能: 使被测电路进入适当的状态和在此状态检测给定故障。,例,检测上图中的C/0故障,需要两个测试矢量: V1=(A=1,Z=1) 把电路从上电复位状态引导到确定状态S=1,从而建立 从故障源处C到原始输出Z的敏化路
14、径; V2=(A=0,Z=1) 用于激活故障,路径敏化,可验证故障效应。 另一个测试矢量(A=0,Z=0)也可以把电路引导到相同的确切状态,它与V2一起使用也可以检测C/0。,为了表示时序电路的不同状态,把时间轴划分为时间段,每个时间段表示电路处于不同的状态,如图4.8(a)所示。其中CC 表示组合逻辑电路;S表示存储电路。,图4.8 测试生成模型,图4.8(b)表示时序电路的典型测试矢量序列集,该序列包含许多测试序列,每一序列用于测试一给定故障。,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,在给定时间段n,CC的输出信号是原始输出Z(n)和二次输出Y(n),存储电路S的输出y(n)也就
15、是CC的二次输入,则由CC的当前二次输出Y(n)及S的前一状态y(n-1)确定。每一个时段的电路模型实际上是原始电路的“复制”,但不同时段电路模型的输入输出不同。当把时段t=0,1,n时的每一个时段模型首尾相连,就得到一个重复的组合逻辑阵列,每一个时段的电路就是组合电路,因此这样的模型把一个时序电路转换成了组合电路。 任意时段n的原始输入 都是一个矢量,另记为V(n),如果矢量序列V(1),V(2),V(n)能检测一给定故障,就称该矢量序列为测试序列或测试矢量序列,对应的CC的原始输出为Z(0),Z(1),Z(n-1),Z(n),称之为测试响应序列或测试响应。对应的存储电路S的输出为序列形式:
16、y(0),y(1),y(n-1),y(n)。,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,实际测试中对一给定故障所施加的测试序列,其顺序不应改变,因为时序电路的当前状态不仅与电路的当前输入有关,还与电路的历史状态有关。 在测试生成的开始阶段,需要知道CUT的通电初始状态,然后对当前状态寻找矢量序列,再对次态寻找矢量序列,直到找到最后状态对应的矢量,至此完成故障检测。 如果初始状态不可知,需施加初始化序列HS,使得CUT转换到已知状态。,4.3.3 扩展的向后驱赶算法,时序电路故障的测试生成包括两方面:,状态初始化 用于确定初始化矢量序列,此序列使得电路从任意状态进入到特定的故障效应可传播
17、的状态。 故障效应传播 用以确定把电路置于何种状态,这样就可通过施加额外的测试矢量使得故障在原始输出可观;,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,测试生成既可用时间正向处理法,也可用时间反向处理法。 正向处理:生成的矢量与矢量施加时的顺序一致, 反向处理:生成的矢量与矢量施加时的顺序相反。,扩展的向后驱赶算法(EBT)采用的是时间逆向处理方法,即生成的测试序列中,第一个生成的测试矢量在测试施加时为最后一个,而最后生成的测试矢量在测试施加时为第一个。 在测试生成中,把每两个相邻时间段的矢量按一对考虑: 第一个矢量称为当前矢量(Current Vector, CV); 第二个矢量称为先
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