Суть метода логического анализа
Метод логического анализа — это эффективный подход к отладке и поиску неисправностей в программируемых устройствах. Его суть заключается в непрерывном контроле данных, циркулирующих по системным шинам (адресной, данных, управления) во время выполнения заранее известной, документированной программы. На каждом шаге работы системы информация с шин сравнивается с ожидаемыми значениями из листинга программы. Это позволяет в реальном времени отслеживать корректность работы микропроцессорного ядра и выявлять сбои в выполнении команд.
Логический анализатор как ключевой инструмент
Логические анализаторы (ЛА) служат основными инструментами для диагностики цифровых устройств и микропроцессорных систем. По своей сути, это специализированные приборы для измерения и анализа потоков двоичных данных, подобно тому как осциллограф предназначен для исследования аналоговых сигналов. Однако, в отличие от аналогового осциллографа, который непрерывно отслеживает сигнал, логический анализатор фиксирует его состояние (логический 0 или 1) только в определённые моменты времени — по фронту тактового сигнала. Полученные данные не сразу отображаются, а сначала записываются во внутреннюю память прибора для последующего детального изучения.
Современные анализаторы оснащаются множеством входных каналов (8, 16, 32 и даже до 50), что позволяет одновременно контролировать поведение десятков сигналов в системе: на всех шинах, в портах ввода-вывода и других критических точках.
Устройство и режимы работы логического анализатора
Типичный логический анализатор (см. рис. 16.14) состоит из четырёх основных блоков:
- Входные усилители-компараторы: преобразуют входные сигналы в логические уровни.
- Блок управления: координирует работу всех компонентов.
- Блок регистрации (запоминающее устройство): сохраняет последовательности данных.
- Блок индикации: отображает результаты для оператора.
Работа прибора строится вокруг трёх основных режимов:
- Режим настройки: оператор подключает щупы к контрольным точкам устройства и задаёт условия запуска регистрации.
- Режим регистрации: в этом режиме сигналы с контрольных точек оцифровываются компараторами (порог срабатывания настраивается под элементную базу системы) и записываются в память. Ключевые характеристики ЛА — разрядность (число каналов), объём памяти (до 2048 бит на канал) и быстродействие (тактовые частоты регистрации до 500 МГц). Регистрация продолжается до наступления заданного события (например, определённой комбинации сигналов), после чего прибор переходит в режим индикации.
- Режим индикации: сохранённые данные анализируются и выводятся на экран для изучения.
Методы анализа и отображения данных
Для отображения информации традиционно используется индикатор на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), способный одновременно показать 200–250 бит данных с каждого канала. Процесс анализа в современных ЛА в значительной степени автоматизирован. Применяются такие функции, как сравнение с эталонной последовательностью, поиск заданного слова, вычисление контрольных сумм.
Результаты сравнения часто представляются в виде таблицы, где совпадения отмечаются как 0, а несовпадения — как 1. Для наглядности на экран могут выводиться обе таблицы — эталонная и исследуемая, причём расхождения подсвечиваются.
Одним из наиболее информативных способов визуализации является графическое отображение в виде графа переходов. В этом случае экран представляет собой координатную плоскость, где каждая точка соответствует паре двоичных чисел (например, старшему и младшему байту адреса). Яркость точки пропорциональна частоте появления данного кода в зарегистрированной последовательности, что позволяет визуально выявить «узкие» места и аномалии в работе программы.
Микропроцессорное управление и автоматизация
Управление всеми режимами современного логического анализатора осуществляется встроенным микропроцессором. Наличие стандартных интерфейсов для подключения к внешним устройствам (например, к ПК) открывает возможность для полной автоматизации процесса диагностики, создания сложных тестовых сценариев и обработки больших массивов данных.
Практический пример: диагностика матричной клавиатуры
Сфера применения логических анализаторов не ограничивается только шинами процессора. Они эффективны для анализа взаимодействия с периферийными устройствами. Яркий пример — тестирование матричной клавиатуры.
Большинство клавиатур построено по матричному принципу. Для их сопряжения с ЭВМ применяется один из двух методов:
А) Аппаратное кодирование. Используется специализированная микросхема-шифратор, которая выполняет ключевые функции: обнаружение нажатия, генерацию кода (например, ASCII), устранение дребезга контактов, а также поддержку современных функций вроде обработки одновременного нажатия нескольких клавиш (N-key rollover) или автоповтора.
Б) Программное кодирование. Этот более экономичный подход, характерный для многих микрокомпьютеров, возлагает те же функции на центральный процессор и системное программное обеспечение. Матрица клавиш подключается через универсальные порты ввода-вывода.
В типичной схеме один порт (например, порт А) работает на вывод и подаёт сигналы на столбцы матрицы, а второй порт (порт В) работает на ввод и считывает состояние строк. При отсутствии нажатий на вход порта В через подтягивающие резисторы поступает значение FFH.
Алгоритм опроса клавиатуры состоит из двух этапов. Сначала процессор поочерёдно подаёт логический ноль на каждый столбец матрицы через порт А. Затем он считывает состояние строк из порта В. Если считанное значение отличается от FFH, это означает, что клавиша нажата. Позиция нуля в считанном слове указывает на строку, а номер текущего активного столбца — на позицию в строке. Таким образом, определяется точное местоположение клавиши. Программное обеспечение также реализует функции подавления дребезга, обработки комбинаций клавиш и специальных функций (Shift, Ctrl и т.д.). Логический анализатор, подключённый к шинам и портам, позволяет наглядно отследить весь этот алгоритм, проверить временные параметры и выявить ошибки в работе как аппаратной, так и программной части.