Методы и аппаратно-программные средства функционального тестирования СБИС микроконтроллеров при проведении радиационных испытаний на дозовые воздействия

В составе современной электронной аппаратуры широко используются СБИС микроконтроллеров (МК) и микропроцессоров (МП), которые выполняют функции сбора и обработки данных, контроля состояния управляемых объектов, формирования необходимых управляющих воздействий. В ряде применений данная аппаратура должна функционировать в условиях повышенного уровня радиации. Это относится к бортовой аппаратуре космических аппаратов, электронному оборудованию атомных электростанций, приборам для проведения ряда физических экспериментов, электронной аппаратуре военного назначения. Прогресс микроэлектронной технологии дал в руки разработчиков систем большую номенклатуру различных моделей микропроцессоров и микроконтроллеров, которые отличаются по своей производительности, функциональным возможностям и другим характеристикам. Но только небольшое количество типов МП и МК сертифицированы для специальных применений, поэтому разработчики аппаратуры во многих случаях вынуждены использовать коммерческие модели этих изделий, основная номенклатура которых поставляется зарубежными производителями. Так как параметры, определяющие стойкость к воздействию ионизирующих излучений, обычно не указываются в числе их технических характеристик, актуальной является проблема реализации специальных испытаний этих изделий для определения необходимых параметров.

Тестирование микроконтроллеров существенно осложняется тем обстоятельством, что обычно они работают под управлением программ, хранящихся в их внутренней энергонезависимой памяти, а для хранения обрабатываемых данных и промежуточных результатов используют внутреннюю оперативную память. Ограниченные возможности доступа к этим ресурсам значительно затрудняют контроль выполнения тестовых программ, необходимый для выполнения функционального тестирования и выявления отказавших блоков. Поэтому для проведения их испытаний требуется разработка специальных методов и тестовых программ, позволяющих проконтролировать функционирование различных внутренних блоков микроконтроллера и выявить причину возникающих отказов. Для выполнения такого тестирования в условиях испытаний микроконтроллеров на радиационную стойкость необходимо использовать специализированные аппаратно-программные средства, учитывающие конструктивные особенности испытательных имитирующих и моделирующих установок, и конкретные условия проведения испытаний.

Решением этой задачи занимаются как зарубежные исследователи, так и российские организации — НИИ Приборов, НИИ Космического Приборостроения, ЭНПО «Специализированные электронные системы», ЦНИИ-22 Министерства Обороны, РНИИ Космического приборостроения, ЦНИИ Машиностроения, ВНИИ Экспериментальной Физики, НИИ Измерительных систем, НИИ Ядерной Физики МГУ и ряд других, которые используют для этого различные методы и средства. Обзор используемых методов и средств, которые описаны в отечественной и зарубежной литературе, показывает, что они реализуют контроль выполнения отдельных процедур, осуществляют проверку работоспособности отдельных блоков. Поэтому актуальным является развитие методов и разработка аппаратно-программных средств, обеспечивающих достаточную полноту функционального тестирования и возможность выявления отказов для всех основных функциональных блоков, входящих в состав микроконтроллеров.

Возможность выявления функциональных блоков, наиболее чувствительных к дозовым воздействиям, позволит в ряде случаев повысить допустимый уровень дозовых воздействий для аппаратуры, которая не использует в рабочем режиме соответствующие функции микроконтроллера.

Целью данной диссертации является разработка методов и аппаратно-программных средств для функционального тестирования современных микроконтроллеров при радиационных испытаниях на дозовые воздействия, обеспечивающих выявление в составе СБИС отказавших функциональных блоков или группы блоков.

Основными задачами диссертации являются:

1. Анализ функциональной структуры современных микроконтроллеров, разработка их типовой функциональной модели, которая может быть использована для проведения программного тестирования и выявления отказавших блоков.

2. Разработка методики создания набора тестовых программ для функционального тестирования микроконтроллеров, которая позволит провести подготовку необходимого тестового программного обеспечения и выполнить тестирование в процессе проведения радиационных испытаний с помощью разработанных программ и специализированных аппаратных средств.

3. Разработка методов, которые позволяют:

— разработать набор тестовых программ, обеспечивающих достаточно полное тестирование функциональных блоков в составе микроконтроллера и диагностику их отказов;

— обеспечить проведение внешнего контроля корректности выполнения тестовых программ, хранящихся во внутренней памяти, с помощью имеющихся в составе микроконтроллера параллельных портов;

— выявить по результатам тестирования функциональные блоки или группы блоков, отказ которых приводит к ошибкам при выполнении тестовых программ.

4. Разработка аппаратных средств и тестовых программ для выполнения радиационных испытаний микроконтроллеров в соответствии с предложенной методикой.

5. Проведение радиационных испытаний ряда моделей микроконтроллеров, перспективных для применения в специальной аппаратуре, анализ полученных результатов.

Научная новизна диссертации.

1. На основе анализа архитектуры ряда семейств микроконтроллеров, предложен базовый вариант тестируемой функциональной модели микроконтроллеров (ТФМ), которая обеспечивает возможность контроля работоспособности основных функциональных блоков при проведении программного тестирования, когда их работоспособность определяется по результату выполнения определенного набора тестовых программ. Предлагаемая ТФМ позволяет достаточно полно представить функционирование микроконтроллеров при выполнении типового набора команд.

2. Предложен метод формирования тестовых наборов команд с помощью таблицы покрытия, которая указывает участие функциональных блоков в выполнении каждой команды, входящей в состав формируемых тестовых программ. Таблица покрытия позволяет определить, насколько полно разработанный набор программ обеспечивает тестирование основных функциональных блоков тестируемого микроконтроллера.

3. Предложен метод формирования заданных циклических последовательностей, который позволяет зафиксировать результаты выполнения тестовых программ, анализируя состояние портов ввода-вывода. Данные, выдаваемые в порты ввода-вывода, считываются аппаратурой тестового модуля, корректность выполнения тестовых программ контролируется путем сравнения считанных данных с эталонами, полученными в процессе разработки программ.

4. Для выявления отказавших функциональных блоков предложен метод наложения виртуальных функциональных сегментов, в состав которых входят группы функциональных блоков, участвующих в выполнении соответствующей тестовой программы. Для выявления блоков, являющихся наиболее вероятными источниками отказов, предлагается использовать матрицу результатов, которая указывает корректность выполнения каждой тестовой программы.

5. Разработана общая методика создания набора тестовых программ для функционального тестирования микроконтроллеров, обеспечивающая подготовку необходимого тестового программного обеспечения и проведение тестирования с помощью разработанных программ и специализированных аппаратных средств. Данная методика, использующая разработанную ТФМ и предложенные методы функционального тестирования, позволяет выполнить программное тестирование и выявление отказавших функциональных блоков.

6. Предложены алгоритмы тестирования основных функциональных блоков, входящих в состав микроконтроллеров. Алгоритмы представлены в виде циклограмм, использование которых упрощает разработку необходимых тестовых программ на языке Ассемблера.

Практическая значимость диссертации.

1. На базе предложенной общей методики разработаны частные методики функционального тестирования и тестовые программы для проведения дозовых радиационных испытаний трех широко применяемых типов микроконтроллеров:

— 8-разрядный микроконтроллер с СКС-архитектурой типа АТ89 852 (процессорное ядро МС8−51, компания А1: те1);

— 8-разрядный микроконтроллер с МЭС-архитектурой типа АТп^а128Ь-8А1 (процессорное ядро АУЛ, компания Айпе1);

— 32-разрядный микроконтроллер с RISC-архитектурой типа LPC2114FBD64 (процессорное ядро ARM, компания NXP Semiconductor).

2. Разработан комплект аппаратно-программных средств, позволяющих выполнять функциональный контроль микроконтроллеров в непрерывном режиме облучения с помощью имитирующих установок, а также в сеансовом режиме.

3. С помощью разработанных методов и средств функционального контроля проведены радиационные испытания указанных микроконтроллеров, в процессе которых определены уровни их стойкости к дозовым эффектам и выявлены наиболее критические функциональные блоки. Показано, что для всех исследованных образцов функциональный отказ возникает раньше, чем достигается превышение допустимого значения тока потребления или происходит выход за нормативные пределы уровней логических «О» и «1». Таким образом, для изделий данного класса контроль функционирования является важным этапом определения их стойкости к дозовым воздействиям.

4. С помощью разработанных методов и аппаратно-программных средств проведено прогнозирование радиационной стойкости образцов микроконтроллеров типа ATmegal28 в условиях низкоинтенсивного облучения и оценка возможностей повышения срока их безотказной работы при переменном режиме функционирования (чередование активного и пассивного режимов работы). Показано, что использованная методика испытаний позволяет прогнозировать дозовую стойкость отдельных образцов и отбирать для последующего применения образцы с необходимым уровнем стойкости. Оценка эффективности применения переменного режима функционирования показала для испытанных микроконтроллеров возможности повышения срока безотказной работы на 32%.

Положения, выносимые на защиту.

1. Тестовая функциональная модель микроконтроллеров (ТФМ), которая обеспечивает возможность контроля работоспособности его основных функциональных блоков по результатам выполнения определенного набора тестовых программ.

2. Метод формирования тестовых наборов команд с помощью таблицы покрытия, которая указывает участие функциональных блоков в выполнении каждой команды, входящей в состав формируемых тестовых программ.

3. Метод формирования заданных циклических последовательностей, который позволяет зафиксировать результаты выполнения набора тестовых программ, анализируя состояние портов ввода-вывода.

4. Метод наложения виртуальных функциональных сегментов, который обеспечивает выявление отказавших функциональных блоков в составе тестируемого микроконтроллера с помощью матрицы результатов, указывающей корректность выполнения каждой тестовой программы из разработанного набора.

5. Методика создания набора тестовых программ для функционального тестирования микроконтроллеров, которая позволяет провести подготовку необходимого тестового программного обеспечения и провести тестирование в процессе проведения радиационных испытаний с помощью разработанных программ и специализированных аппаратных средств.

6. Алгоритмы тестирования основных функциональных блоков, входящих в состав микроконтроллеров, представленные в виде циклограмм, использование которых упрощает разработку необходимых тестовых программ на языке Ассемблера.

7. Частные методики функционального тестирования и тестовые программы для проведения испытаний на дозовые воздействия трех широко применяемых микроконтроллеров: 8-разрядный микроконтроллер с CISC-архитектурой AT89S52 (процессорное ядро MCS-51), 8-разрядный микроконтроллер с RISC-архитектурой ATmegal28 (процессорное ядро AVR) — 32-разрядный микроконтроллер с RISC-архитектурой LPC2114FBD64 (процессорное ядро ARM).

8. Комплект аппаратно-программных средств (тестовый модуль и специализированное программное обеспечение), позволяющий выполнять функциональный контроль микроконтроллеров в непрерывном режиме облучения с помощью имитирующих установок, а также в сеансовом режиме.

9. Результаты исследований образцов трех типов микроконтроллеров, которые позволили выявить наиболее критические функциональные блоки, определяющие стойкость микроконтроллеров к дозовым эффектам, и показали, что функциональный отказ возникает при существенно меньших уровнях накопленной дозы, чем достигается превышение допустимого значения тока потребления или происходит выход за нормативные пределы уровней логических «О» и «1».

Набор разработанных тестовых программ и аппаратно-программные средства использовался в ЭНПО «Специализированные электронные системы» при проведении исследований радиационной стойкости ряда типов микроконтроллеров: 1830ВЕ01У, 1880ВЕ71У, АТ89 852, АТ8 988 252, Атапу12−8, АТп^а128Ь, Р1С16С774, ТО80С196КВ, Ат186ЕК, М (580С186, ЬРС2114 на дозовые воздействия с помощью имитационных установок РЕИМ-2.

Разработанные тестовые программы и аппаратно-программные средства использовались также работах по прогнозированию радиационной стойкости образцов микроконтроллеров типа АТте? а128 в условиях низкоинтенсивного облучения и оценки возможностей повышения срока их безотказной работы при переменном режиме функционирования (чередование активного и пассивного режимов работы), которые проводились в МИФИ по заказу ФГУП НИИ Космического приборостроения.

4.7. Выводы по главе 4.

Для всех испытанных образцов функциональный отказ возникает при уровнях накопленной дозы 12 — 15 Крад, то-есть значительно раньше, чем достигается превышение допустимого значения тока потребления (около 50 Крад для семейств и ЬРС, около 20 Крад для семейства АТ89Б) или происходит выход за нормативные пределы уровней логических «0» и «1». Таким образом для изделий данного класса контроль функционирования является наиболее важным этапом для определения их стойкости к дозовым воздействиям.

Для испытанных образцов микроконтроллеров функциональный отказ возникает при уровне дозы, при которой начинается заметный рост динамического тока потребления. Однако значение этого тока при данной дозе остается в нормативных пределах, заданными техническими условиями.

Разработанная методика функционального контроля позволяет выявить наиболее критические функциональные блоки, определяющие стойкость микроконтроллеров к накопленной дозе:

— арифметико-логическое устройство для микроконтроллеров семейства АТ89Э;

— энергонезависимая память ЕЕР1ЮМ для микроконтроллеров семейства АИУ1е§ а;

— блок выборки и дешифрации команд для микроконтроллеров семейства ЬРС2000.

Основные затраты времени при функциональном контроле связаны с тестированием 16- и 32-разрядных таймеров. При этом время тестирования процессорного ядра и внутренней памяти данных занимает около 1 с, что обеспечивает достаточно высокую точность определения дозы, при которой возникает их отказ: менее 1% при использованной методике испытаний.

Предложенная методика функционального контроля, разработанные аппаратные и программные средства позволяют с достаточной точностью определить предельную дозу нормального функционирования микроконтроллеров и выявить в их структуре функциональные блоки, наиболее критичные к величине поглощенной дозы.

Разработанные методы и средства функционального контроля могут быть эффективно использованы для прогнозирования радиационной стойкости микроконтроллеров при низкоинтенсивном облучении, оценки возможностей повышения срока их безотказной работы с помощью переменного режима функционирования (чередование активного и пассивного режима).