1

Poziomy strukturalne urządzenia elektronicznego

Urządzenie elektroniczne

Układ cyfrowy

Układ scalony

2

Poziomy złożoności systemów cyfrowych

System cyfrowy

Definiowany jest jako złożony układ cyfrowy, przy czym złożoność układu

zależna jest od poziomu abstrakcji wymaganej do opisania w sposób

kompletny jego operacji.

Poziomy złożoności przetwarzania informacji w systemie cyfrowym

Sterowanie

Dane

Poziom

Wartości logiczne ( “0”, “1” )

lub ich sekwencje

Logiczny

Wartości logiczne

Słowa ( bajty )

Rejestrów

Rozkazy

Słowa

Rozkazów

Programy

Struktury danych

Programów

Wiadomości ( komunikaty )

Systemowy

3

• Uszkodzenie to zdarzenie destrukcyjne powodujące przejście obiektu

(dwustanowego w sensie niezawodnościowym) ze stanu zdatności do stanu
niezdatności, kwalifikujące obiekt do naprawy lub wymiany na inny.

• Uszkodzenia w układach cyfrowych mogą pojawić się na dowolnym etapie

wytwarzania (projektowanie, produkcja) lub w dowolnym momencie
użytkowania.

• Na etapie wytwarzania przyczyną uszkodzeń jest niedoskonałość

technologii produkcji elementów elektronicznych (układów scalonych), jak
i wady wytwarzania płytek drukowanych oraz wady montażu elementów
elektronicznych.

• Najbardziej wrażliwą na uszkodzenia jest technika MOS. Już na etapie

produkcji układów scalonych uszkodzeniu ulega około 6%. Dla techniki
TTL jest to około 1%, a dla ECL poniżej 0,5%.

Uszkodzenia

4

• Błędy na etapie wytwarzania wynikają z poziomu zaawansowania

technologii.

• Jakość procesu produkcyjnego charakteryzuje uzysk U definiowany jako %

zdatnych układów.

• Układy scalone poddawane są testom produkcyjnym, które powinny

zapewnić jak najwyższe prawdopodobieństwo wykrycia błędów p.

• Przy znanym U oraz p prawdopodobieństwo wprowadzenia wadliwego

układu do sprzedaży P określone jest wzorem:

Błędy i diagnozowanie na etapie wytwarzania

Gdzie:

λ – parametr rozkładu Poissona

5

Uszkodzenia - Błędy systemu cyfrowego (ang. error)

Przypadek niepoprawnej operacji systemu objawiający się

zniekształceniem obserwowalnego (wyniku).

Pojęcie błędu ma różne znaczenie na różnych poziomach

przetwarzania informacji systemu komputerowego

• na poziomie programu testowego błąd może objawiać się jako

niepoprawny wynik operacji arytmetycznej;

• na poziomie kontroli logicznej układów (sekwencji bitów) - błąd oznacza

niepoprawną wartość binarną

6

Uszkodzenia - Kryterium szkodliwości

Katastroficzne

Uniemożliwiają całkowicie eksploatację systemu. W wyniku ich wystąpienia

nie mogą być poprawnie realizowane przez system cyfrowy żadne zadania.

Drugorzędne

Umożliwiają wykonywanie przez system zadań, niektórych błędnie,

podstawowe mechanizmy systemu cyfrowego znajdują się w stanie

zdatności (np. mechanizm pobierania i dekodowania rozkazów, przesyłania

danych do/z podzespołów wej/wyj, itp.).

7

Uszkodzenia powstające w procesie

użytkowania układów cyfrowych są
dwojakiego rodzaju:

• uszkodzenia trwałe,
• uszkodzenia przemijające.

Rodzaje uszkodzeń

8

Uszkodzenia trwałe

• Produkowane obecnie układy scalone posiadają

taką właściwość, że przeważająca większość
uszkodzeń struktury fizycznej objawia się w
postaci błędów funkcji logicznej realizowanej
przez pojedynczy układ lub grupę układów.

• Uszkodzenia trwałe są zwykle spowodowane tzw.

„zmęczeniem elektrycznym”.

• Zjawisko to jest znane z klasycznej teorii

niezawodności, w której opisuje się
prawdopodobieństwo uszkodzenia układu w
funkcji czasu.

9

Uszkodzenia trwałe

10

Uszkodzenia przemijające

Uszkodzenia przemijające są powodowane chwilową zmianą

warunków pracy układu a w szczególności:

• zmianami parametrów zasilania,
• zmianami temperatury (w tym rozkładu temperatury na

płytce drukowanej – np. płyta główna komputera),

• zmianami wilgotności otoczenia,
• zmianami zewnętrznego pola elektromagnetycznego,
• zmianami promieniowania,
• zmiana częstotliwości pracy układów.

Uszkodzenia przemijające są trudne do identyfikacji i

lokalizacji

11

Błędy dynamiczne

a)

błąd opóźnienia (crosstalk delay)

b)

błąd przyśpieszenia (crosstalk speed-up)

c)

błąd generacji dodatkowego impulsu (crosstalk pulse)

c)

b)

a)

12

Podstawowe typy błędów

Statystyka uszkodzeń w układach cyfrowych

(kombinacyjnych i sekwencyjnych) wskazuje,
że jednym z najczęściej występujących
uszkodzeń objawiających się błędem funkcji
logicznej jest błąd sklejenia z wartością stałą s-
a-c (stuck-at-const lub s-a-f stuck-at-fault).
Błąd ten jest w literaturze symbolicznie
oznaczany w postaci j/c lub Xj/c, gdzie j-
określa numer linii a c – typ defektu.

13

Rozróżniamy dwa rodzaje tego błędu:

• s-a-1 (stuck-at-1) – błąd sklejenia ze stałą wartością

logiczną 1,

• s-a-0 (stuck-at-0) – błąd sklejenia ze stałą wartością

logiczną 0.

Przykładowo:
• 6/0 (X6/0) – oznacza wystąpienie błędu sklejenia z

wartością logiczną 0 (s-a-0) na linii (ścieżce) nr 6,

• 4/1 (X4/1) – oznacza wystąpienie błędu sklejenia z

wartością logiczną 1 (s-a-1) na linii (ścieżce) nr 4.

14

Przykłady uszkodzeń fizycznych w bramce NAND i odpowiadające im uszkodzenia

logiczne

• uszkodzenie 5 odpowiada błędowi

logicznemu typu s-a-1;

• uszkodzenie 4 objawia się w momencie gdy

zwarte (zmostkowane) linie są w różnych
stanach logicznych. Nie można go
przedstawić

przy pomocy błędów

logicznych typu s-a-c;

• uszkodzenie 6 polega na zwarciu linii

sygnału do masy i odpowiada błędowi
logicznemu typu s-a-0;

• uszkodzenie 7 polega na zwarciu linii

zasilania i masy i nie ma interpretacji
logicznej;

15

Błędy sklejenia na poziomie struktury

logicznej na przykładzie bramki NAND

Pojedyncze błędy typu s-a-c dają 2k różnych kombinacji na k –

liniach (6)

Błędy pojedyncze i wielokrotne generują 3

k

-1 możliwych kombinacji

wystąpienia błędu funkcji logicznej (26)

F

B

A

s-a-0

F

B

A

F

B

A

F

B

A

F

B

A

s-a-0

s-a-1

s-a-1

s-a-0

s-a-1

F

B

A

16

Błędy zmostkowania

Linia

Typ zmostkowania

A

B

M0

MA

MB

M1

0

1

0

0

1

1

1

0

0

1

0

1

Klasycznymi błędami zmostkowania są:
• MA – zwarcie linii A i B przy czym wartość logiczna linii A jest dominująca
• MB – zwarcie linii A i B przy czym wartość logiczna linii B jest dominująca
Błędy M0 i M1 są analogiczne jak błędy sklejania.