（计算机科学与技术专业论文）高性能路由器故障测试技术研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 高性能路由器在新一代高速m 网络中发挥澍巨大的作用，其规模越来越大，路由器的 可靠性要求随之变得越来越褒。实现离霹靠性鼹由器系统的技术途缀从根本上谈寿两条： 一条是避错，一条是棒错，都需要进行故障检测与诊断技术的研究。 随繁微电子技术的飞速发展，越来越多鲍越大规模电路应用于路由器系统，导致系统 的复杂性急剧提高，使常规的故障诊断技术和可靠性设计变得十分复杂和困难。 本文以8 6 3 “下一代互联网实骏环境”为谦题背豢，针对离性娆路出器的硬传体系结 构，详细研究分析了路由器系统中的故障形式，建立了相应的故障模型，并着重进行了故 障模型的化篾。在详细分耄匿了常见故障模型的特点震，对它们的共阈特征进行了抽象，并 在此基础上，掇出了一种新颖的类p l a 结构模溅。该模型包括输入输出以及连接两者的传 输线，邋过线皇线之阀的接会模拟了在数据传输过程中可能出现的技障。通过合理的论诞， 我们将故障形式在此模型上进行了有效的规整和缩减。 其次，在类p i _ a 故障模型的基础上，我们对故障测试算法进圣亍了详缎的研究，对系统 单故障和多故障的检测给出了必要的证明，并以此作为依据，产生出路由器系统常见故障 的完全澳l 试集，围时绘出了故障测试算法的流稷。 最厝，我们在两个国家8 6 3 重点任务中，以类p l a 模型为指导，设计并实现了基予专 照转发萼l 擎和基于鼹终处理器的路由嚣硬l 牛测试诊断系统。 【关键字】巍性能踌由嚣检测诊断故障模型测试算法 | 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t h i 曲一p e r f o r m a n c en e t w o r k r o u t e r sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h en e x tg e n e r a t i o nh i 曲一s p e e d i p n e t w o r k ，t h e i rs c a l e sb e c o m el a r g e ra n dl a r g e nt h e r e f o r e ，w en e e dh i g h e ra n dh i g h e r r e l i a b i l i t yf o rr o u t e rs y s t e m t h et e c h n o l o g i c a la p p r o a c h e sh a v eo n l yt w o ：o n ei sf a u l ta v o i d a n c e ； a n do n ei sf a u l tt o l e r a n c e t h er e s e a r c hf o rf a u l tc h e c ka n df a u l td i a g n o s i sm u s tb et a k e ni n t o a c c o u n tt or e a l i z et h e s et w o a p p r o a c h e s a l o n g w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r ev e r yl a r g e s c a l e i n t e g r a t ec i r c u i t sa r ea p p l i e di n t or o u t e rs y s t e m ，a n dt h i sm a k e ss y s t e mm o r ec o m p l e x ，a n d m a k e st r a d i t i o n a lf a u l td i a g n o s i sa n d r e l i a b i l i t yd e s i g n m o r ec o m p l e xa n dm o r ed i f f i c u l t t h eb a c k g r o u n df o rt h i sr e s e a r c h i s “e x p e r i m e n t a l e n v i r o n m e n tf o rn e x tg e n e r a t i o n i n t e r a c t ”o f8 6 3 a i m i n ga tt h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo f h i g hp e r f o r m a n c er o u t e rs y s t e m ，w e a n a l y z ea n ds t u d y t h ef a u l tf o r m si nr o u t e rs y s t e mc a r e f u l l ya n ds e tu pr e l e v a n tf a u l tm o d e l sf o r t h e s ef o r m s ，a n dw et a k ef a u l tm o d e l sr e d u c t i o ni n t oa c c o u n t a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fa l lf a m i l i a rf a u l t sc a r e f u l l y , w eg e tt h e i rc o m m o nc h a r a c t e r i s t i ca n dp r e s e n to n en o v e lf a u l t m o d e lw h i c hi sa n a l o g o u st op l aa r c h i t e c t u r e i tc o m p r i s ei n p u tl i n ea n do u t p u tl i n ea n dt r a n s f e r l i n ew h i c hc o m e e ti n p u ta n do u t p u t t h i sm o d e ls i m u l a t et h o s el i k e l yf a u l t sw h i c he m e r g ei n t r a n s f e rp r o c e s st h r o u g hc o n n e c t i o no fl i n e s t h r o u g hr e a s o n a b l eh y p o t h e s i sa n dd e m o n s t r a t i o n ， f a u l tf o r m sa r es t a n d a r d i z e da n dr e d u c e de f f e c t i v e l yo n t h i sm o d e l b a s e da n a l o g o u sp l a m o d e l ，w em a k ec a r e f u lr e s e a r c ho nt h ea l g o r i t h mo ff a u l tt e s t ，a n d p r e s e n tt h er e l e v a n tp r o o ff 醣s i n g l ef a u l ta n dm u l t i p l ef a u l t sc h e c ko f s y s t e m t h e nw ec o m e i n t ob e i n gc o m p l e t et e s ts e tf o rf a m i l i a rf a u l t so fr o u t e rs y s t e ma n dp r e s e n tt h ef l o wa b o u tt h i s a l g o r i t h m a tl a s t ，w ea p p l yt h i sa l g o r i t h mi n t ot w os i g n i f i c a n tt a s k so f8 6 3 b a s e da n a l o g o u sp l a m o d e l ，w ed e s i g na n di m p l e m e n tt w oh a r d w a r et e s t a n dd i a g n o s i ss y s t e m sf o rm u t e rs y s t e m b a s e d s p e c i a lf o r w a r de n g i n e a n dr o u t e rs y s t e mb a s e dn e t w o r k p r o c e s s o n k e y w o r d lh i g hp e r f o r m a n c e r o u t e rc h e c k d i a g n o s i s f a u l tm o d e lt e s ta l g o r i t h m 王王 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 直性能整由墨选隍型达拉盔盈窥曼塞理 学位论文作者签名：壶垒日期：切口1 年j 1 月j r 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目： 亳性能竖由墨数睦泗达拉苤熟究生塞理 学位论文作者签名 丑夸 日期：w 9 乞年f 1 月- r 日 作者指导教师样：兰曩互魁日期：砧月店日 1 1 1 高性能路由器发展概况 第一章绪论 1 1 课题背景 高性能路由器和信息网络水平是国家经济信息系统的基础，它反映了一个国家的综合 实力。在信息网络渗透到世界各地后，发达国家必将利用其技术、经济和文化优势，以更 隐蔽的方式控制世界，通过知识产权这一具有强烈“知识私有”倾向的手段，来掌握其它 国家经济发展的命脉。 随着通信技术和高速网络技术的发展，计算机网络的性能瓶颈正由网络链路向交换设 备转移。目前，国内网络中枢、控制交换中心的设备大多由国外产品占领。这说明国产网 络设备与国外产品存在一定的差距，在网络先进技术的采用上还没有跟上世界网络的发展 步伐。同时，这种格局也存在极大的网络安全隐患。因此，高性能路由器的研制以及相关 技术的研究是国家信息技术发展的迫切需要，具有重要意义。 基于这样一种状况，8 6 3 “下一代互联网实验环境”将着重研制一种新型的互联网试 验装置，并以该装置为基础建立一个网络实验环境，该环境不但支持网络新算法、新模型 的实验和验证，而且还支持各种网络关键技术的实现研究。 新型互联网试验装置是综合试验环境的核心，该装置基于先进体系结构和模块化技 术，采用面向网络设备的实时操作系统，支持网络新协议、新业务的研究、开发、测试和 验证。 1 1 2 硬件故障测试技术研究需求迫切 现在，计算机系统的应用已经非常广泛，渗透到了社会的各个领域、各个层面，并且 应用的规模也越来越大，形成了迅速发展中的社会经济活动全面依赖于计算机系统的局 面。在这种情况下，对计算机系统可靠性的要求必然越来越高。而超大规模集成电路技术 和计算机技术的进一步发展，必将给计算机系统可靠性技术研究带来新的机遇、内涵和挑 战。这就必然对作为可靠性基础的故障涣试技术提出了更高的需求。 作为计算机系统家族中的员，路由器的应用日益广泛，路由器系统的可靠性也越来 越重要。虽然关于可靠性的故障测试和可靠性设计经过近三十年的发展，在理论上已经日 趋完善，但是，超大规模电路的出现，以及由此而导致的路由器硬件系统复杂性急剧提高， 使常规的故障测试技术和可靠性设计变得十分复杂和困难。因此，关于高性能路由器硬件 故障测试技术的研究需求迫切。 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 2 1 课题研究对象 1 2 课题要求 本课题主要研究如何基于p c b 上的硬件芯片( 主要是通用处理器或网络处理器) 进行 芯片间、p c b 间以及整个系统间导线的连通性测试。所以，本课题是基于这样的现实，即 随着微电子技术的迅猛发展，出现在芯片内部的错误越来越少：而且，人们关于芯片内部 故障测试技术进行了长期的卓有成效的研究，如文献【1 3 、 1 4 1 、【1 5 均介绍了许多具有超 大规模集成电路的片内硬件系统测试技术。取而代之的是，p c b 上的故障增多。由于p c b 上的主频越来越高，同时，p c b 上的布线层数倍增，线间距离不断缩小，这些都导致p c b 的连通性故障数目飞快增长，成为主要的p c b 故障，也是整个路由器系统硬件故障的主要 部分。 因此，本课题的研究假设这样一种情况：所有的故障均出现在芯片间、p c b 间的连通 性上，而不是出现在芯片( 这里不包括存储器芯片) 的内部。实际上，本课题是对路由器 系统作逻辑性功能测试，丽非电路级的物理测试。课题研究的结果表明，这种假设简化了 故障的建模与分析，可以对铡试程序进行优化，收到了良好的效果。 1 2 2 课题研究内容 本课题紧紧围绕国家8 6 3 计划“下一代互联网实验环境”项目展开。针对实际工作， 主要进行了以下几方面的研究与实现： 第一，研究了高性能路由器的故障测试模型。在找出形式各异的故障形式之间的共同 特征后，进行抽象分析，建立故障测试模型并进行化简； 第二，基于故障测试模型，研究了路由器的故障测试算法与实现； 第三，实现对路由器p c b 单板测试。在尽量简化测试方式、测试设备的情况下，对p c b 进行芯片间连通性测试。通过运行于通用处理器或者网络处理器上的代码，辅助部分硬件 测试设备进行测试，定位出p c b 生产中的故障，为p c b 的重新装焊或修复提供故障类型 与故障源。 第四，研究整个路由器系统的完整诊断技术。使得系统在运行的过程中，能够动态地 对硬件进行检测与诊断，提供硬件运行的状态，便于管理人员对整个路由器系统的硬件进 行随时监控。通过适时提供路由器系统的诊断信息，帮助管理人员对路由器的故障模块及 故障类型进行定位，便于对出现故障的硬件进行及时更换或修复，从而对路由器的硬件实 施更好的维护。 1 3 课题取得的成果 本课题所取得的成果主要包括以下几个方面： 一、课题对路由器中常见的故障进行了分析，并重点对固定型故障以及桥接故障作了 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 详细的研究，建立了统一的模型。 二、提出了类p l a 结构模型，产生出故障测试的完全测试集，并给出了相应的测试算 法。 三、解决了算法实现中如何在故障硬件中进行测控信息交互的问题。 四、将测试算法应用于工程实践，实现了p c b 故障测试系统。该系统能够对p c b 常 见故障进行快速有效的定位。 五、在基于转发引擎的路由器以及基于网络处理器的路由器中，分别实现了相应的路 由器测试系统，取得了良好的效果。 1 4 论文结构 论文共分六章，各章组织如下： 第一章为绪论。介绍了路由器的发展，提出了硬件故障测试技术研究与实现的迫切性； 并简要叙述了课题的研究对象及主要研究内容。 第二章为硬件故障测试技术。着重于硬件故障测试的研究现状，并给出了常见的硬件 故障模型。本章还特别介绍了一种新颖的硬件故障测试技术，即边界扫描技术。 第三章为高性能路由器故障测试模型。本章首先介绍了高性能路由器的硬件体系结构， 勾画出路由器的故障测试框架，并以此为依据给出了一系列路由器故障测试模型；其次对 这些模型进行了分析，加以简化；最终给出一个通用有效的类p l a 故障模型。 第四章为硬件故障测试算法。针对得出的故障模型，进行了详细的故障测试算法研究， 给出了算法实现的流程。 第五章为两种故障测试系统的实现。简要介绍了将测试算法应用于两种路由器系统的 测试方案以及相应的测试流程。 第六章为故障测试研究展望。对故障测试的研究进行总结，并给出进一步的研究方向。 第3 页 一 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章硬件故障测试技术 2 1 1 硬件故障测试定义 2 1 硬件故障测试技术 人们常将硬件故障测试与硬件测试混淆起来。其实，硬件测试是一个含义广泛的术语。 集成电路、计算机系统的参数、技术指标需要经过测试才能确定，电路的逻辑功能需经过 测试才能验证，而电路的故障也只有通过测试才能检测和诊断。所以，硬件测试包括硬件 正常测试与硬件故障测试。本课题主要针对硬件故障测试进行研究。 关于硬件故障测试的具体定义，各种文献都有自己的定义体系。本文所有关于故障检 测与诊断的定义均来自于文献 1 】。 定义2 - 1 所谓故障测试，就是指在系统或者电路有故障时，如何发现故障、寻找故障 点的测试。 故障测试分为故障检测与故障诊断。 如图2 1 ，设被测电路可控输入矢量为正电路无故障时的可测输出矢量为f ( j ，) ，电 路有故障a 时可测输出矢量为f 。( ) 。 图2 - i 被测电路 定义2 2 所谓故障检测，就是找到一个输入矢量a ，使得f ( 爿) f 。( 4 ) 。满足此 式的输入矢量4 称为故障a 的一个测试。 定义2 - 3 所有满足f ( 4 ) f 。( 爿) 的输入矢量集合称为故障a 的完全测试集。 定义2 - 4 若故障a 的完全测试集是一个空集，则称故障a 是一个不可检测故障。否则， 故障a 是一个可检测故障。 故障检测的作用是回答系统是否发生故障，揭示故障状态。没有对故障的检测，系统 将无法知道故障源以及故障的性质，也就无法排除故障。一般说来，故障检测只能发现故 障，但并不能对故障实施较为准确的定位。 设被测电路有可控输入矢量为丘电路有故障a 时可测输出矢量为f 。( x ) ，电路有故 障b 时可测输出矢量为，b ( x ) 。 第4 页 一 国防科学技术大学研究生院学位论文 定义2 - 5 所谓故障诊断，就是要找到一个输入矢量4 ，使f 。( 4 ) fb ( 4 ) ，满足此 式的输入矢量爿称为区分故障a 与故障b 的一个测试。 定义2 - 6 若对于系统或者电路中所有可能的输入矢量正均有f 。( - ，) - - - - f 。( ) ，则 称故障a 与故障1 3 是不可区分的故障，或称故障a 与故障b 是等价故障。 故障诊断的作用是回答系统中哪里发生了故障，给出故障定位。这是维修或重组、恢 复出错系统的关键。 故障检测与故障诊断可以联机进行，也可以脱机进行。联机检测与诊断是指在系统运 行过程期间进行自动检测与诊断的过程。脱机检测与诊断是指在系统非运行期间进行的检 测与诊断，般需要应用软件与特殊设备的配合，对硬件实旌较精确的定位。 2 1 2 硬件故障测试技术发展概况 数字系统的故障测试技术，是同数字系统中的元件、结构与应用的发展紧密联系的。 为保证系统的可靠运行，故障测试是其中一个不可缺少的环节。 无论是元件还是电路和系统，由于制造工艺的限制、使用以及工作条件等影响，故障 的产生是不可避免的。处理故障有两种基本的策略，均可用软件与硬件结合起来实现。第 一种策略是采用冗余技术，将故障的影响掩盖起来。这种策略主要用于需要高可靠性，在 一段时间内既要保证连序运行但又无法修理的地方，例如卫星上的硬件系统。另一种策略 是及时诊断、及时修理，这虽然在大多数情况下需要停止系统的工作，但还是必须的，而 且也是可能的。 早期的数字系统故障诊断检测是依靠工程技术人员凭借自己丰富的经验和理论知识， 借助一些常规的工具，如万用表、示波器来完成的。这不仅对技术人员的素质有很高的要 求，而且故障测试的速度慢，质量差。尤其是系统日趋复杂，手工检测诊断已经逐渐变得 不可能。 故障自动测试与诊断的基本思想是暗箱理论，施加一系列的激励，根据响应去分析故 障的具体情况【2 。 图2 - 2 系统故障诊断的工作框图 如图2 2 ，测试器主要完成四项工作： 1 、向被测对象送出测试的激励信号： 2 、接收被测对象在激励下的响应信息 第5 页 溜跨辩学袋术大学磅究生臻学像沦文 3 、摄键激融与响应之闻麴关系分辑并凌定下一令激励傣号； 4 、根据激渤序列与响成序列来确定故障的类型与位置。 在系统鼓戡障测试中，核心阚题楚确定憨史g 什么榉的激励，可以使款障反映麟来，鞠 时谯可及端【2 将其测餐出来a 因此还矮确寇在什么地方施加激励，强什么地方进行测量。 2 1 3 故障和故障模赳 簧对梭障遴萼亍捡测与诊断，簧建嚣要瓣数障宠义致敬障横墼蠢究分瓣了解。本文繇建 立黪经冀敬漳模鼙参考鑫文献【2 】。 1 、放障 一个逻辑茏俘、毫路霸系绕，囊予莱种原篱蔗导致冀不簸宠残液有麴逶辚秘艉，尉猿 这个元件、电路和系统失效。而故障楚指个元件、电路和系统的物理缺陷，它脊可能搏 致霓簿、电路窝系统失效。 故障肖逻辑故障和非逻辚故障之分。凡是使电路或系统中某节点的逻辑值为芷常值 瓣桶反蕊静藏障嘲敲逻辑蔽障，魏元徉输斑短路、辕入端舞黪、露释援嚣辍及囊态敬跨国 属予逻辑赦障。逻辑故障以外的都叫a # 逻辍故障，如同步时序电路中的时钟般障和电源的 失效等。 2 、散薄横墼 敌漳模壅纯豹基本覆瓣宥两个；一个燕模羹纯敌漳应能漆确靛蔽酸菜一类敖簿辩邀爨 或蓉统豹澎豌，帮耩浚耽敬滩应其富典型髓、猿璇蛙、全瑟髓。勇一令滠爨| j 就是模型鼗敞 簿成该舔可髓简单，戳便备季中遨冀寐怒理。显然，这嚣令添粥辐嚣矛藩，鬻j 邈锺锺采取一 些拼衷的方案。交予解决的阋麓与研究的谰重点不同，医鼗采焉的馥簿模澄龟不弼。一个 好熬藏添模墼纯方囊往往戆使教障诊荻静壤论秘方法褥鼓笈聚餐宠饕。下鞭奔绣尼耱常觅 的故障模型。 ( 1 ) 蘧悫鳖藏骧 固定型故障( s t u c kf a u l t s ) 模型主要反映电路或系统中菜根信号线( 如门的输入线戏 输斑线、器俸之海的连接导线等 曼瓣僚号懿举霹控戆，帮农系统逛黪过程孛永逶固定程 巢个缎上。在数字系统中，如果该线圈邈在逻辑高电平上，则称之为固定1 故障( s t u c k a ti ) ，简记为$ a _ l ；懿聚篱号潼定袭逻辑低耄警上，粼称之为嚣寇0 藏港( s t u c ka t8 ) ， 麓谗为s - a - o 。 露定整放障在实际应焉中魄较瞽造，瓣务邀路元释豹强蟒、逡线靛搿鼹萍羹摇豢部分 的短路敝障帮鬻戳惩图定型放簿泷较准确的搐述塞亲，固必搂述跑较筏单，| 舞以处理故障 墩魄较方便。珏m 门电貉为倒，输出警靛辩缝短路旅簿耩予争扣o 故簿， 嚣辕蠢彗弱嚣 路故障耩于s 扑l 敖簿。 摄攥逮鼹孛霆定楚教洚魏数蠢，鼍耱髓露怒鏊薮簿劳为龌大类：舞栗令电路孛哭鸯 一个固定型故障，则称之为单因怒型故障；如聚一个电路中有两个溅者两个黻上的固怒鍪 媛漳，潮豁之炎多弱邂型教簿。奁娃毽戮潮生产密寒豹p c b 餮壹，一簸应考虑多霉定垄敬簿； 而在修蠼一个系统戏者一个p c b 时，如粜不是毁灭性的事故所致，则通常采用单阉定鹜故 漳模型。 ( 2 ) 携接故障 _ - 国防科学技术大学研究生院学位论文 固定型故障一般不会改变电路的拓扑结构，即不会使电路或者系统的基本功能有根本 性的变化。但是，如果一个系统或电路中发生了短路故障，而短路故障又是多种多样的， 则完全有可能改变电路的拓扑结构，导致系统或电路的基本功能发生根本性的变化，这将 使故障诊断变得十分困难。 由于短路故障比较复杂，一般在研究的时候只考虑两种比较常见的桥接故障( b r i d g e f a u r ) ，即元件输入端之间的桥接故障以及输入端和输出端之间的反馈式桥接故障。这是因 为在p c b 上布线时，一个元件的输入和输出离的比较近，所以产生短路故障的可能性比较 大。 如图2 3 ，一个元件的输入端桥接故障一般形成线与关系。 x 1 x 2 x 3 x l x 2 x 3 ( a ) 故障化电路 ( b ) 模型化电路 图2 - 3 输入端短路故障等效于线与关系 当元件输出端至输入端有反馈时，故障比较复杂，发生这类故障有可能使电路发生振 荡而趋于不稳定。如图2 - 4 ，x i , x ：，z ，工。，x 。是f 的输入端，输出y 与s 个输入工t ，x ：，x ， 发生桥接故障。 如果满足条件 x i 工2 x ，f ( o 0 ，o ，x ，“，x ) p o ，l ，1 ，工，+ 1 ，工。) = 1 ( 3 1 - 2 1 ) 则电路产生振荡( 其中f 是电路所实现的逻辑函数) 。 如果满足条件 j 1 而j ，f ( o ，o ，o ，j ，x ) f o ，1 ，1 ，工，z 。) = 1 ( 3 1 2 2 ) 则电路形成一个异步的对序电路。 一一 第7 页 n 地船 n 职船 媚胡 x l x s x s + i x n x l x s x s + i x n ( a ) 故障电路( b ) 模型化电路 图2 4 反馈式桥接故障的一般模型 如果满足( 3 1 2 1 ) ，则由模型化电路可以看出，f 的输入端p 1 _ 风( 对应于原来的 ) 都是y ，可以得出： 当y 4 = 0 时有y “1 = 1 ； 当y 。= 1 时有y ”1 = 0 。 当输入不变的时候，电路的输出端在0 和1 两个值之间振荡。 如果满足( 3 1 2 2 ) ，可以得出： 当r 。= 0 对有j ，”1 = 0 ； 当y 1 = 1 时有y ”1 = 1 。 所以在输入不变的情况下，输出是稳定在一个状态上，同时由于存在着反馈线，因此 成为一个异步的时序电路。 由于桥接故障形成的拓扑结构会随着电路驱动的不同而有变化，或形成线与关系，或 形成线或关系。下面我们在进行故障测试研究的时候，如果不特殊说明，均认为电路的桥 接故障形成的是线与关系，线或关系可以进行类似的推理。 ( 3 ) 暂态故障 暂态故障( t e m p o r a r yf a u l t ) 是相对固定型故障而言的。它有两种类型，即瞬态故障和 间歇性故障。 瞬态故障不是由电路或者系统中硬件引起的故障，而是由于电源的干扰或口粒子的辐 射等原因造成的，因此这一类故障无法人为予以重现。这类问题在研究故障诊断时一般不 予以考虑，而在研究系统的可靠性时应考虑到这个问题。 间歇性故障是可重复出现的非固定型故障。产生这类故障的原因有：元件参数的变化、 接插件的不可靠、焊点的松动以及其他环境原因等。 由于间歇性故障是客观存在于一个实际的系统中，但又不是总能够反映出来。如果存 在故障，但没有反映出来，则称系统处于“故障无作用状态”；反之，如果故障影响了系 统的正常工作，则称之为“故障作用状态”。 ( 4 ) 时滞故障 时滞故障( d e l a yf a u l t ) 主要考虑电路信号中的动态故障，即电路中各元件的时延变化 和脉冲信号的边沿参数的变化等。这类故障主要导致时序配合上的错误，因此在时序电路 中影响较大。这可能是由于元件参数变化引起的，也可能是电路结构设计不合理引起的， 文献 1 7 给出了有关传输延时故障的描述。 通常人们针对一定的系统，在所需要研究的范围内采取一些切实可行的特殊处理。对 第8 页 三：竺粤委簦，根据统计可知，固定型故障在故障总数的9 0 以上，因此必须对固定型故 璧1 乍銮岔紫擘究。其它类型的故障可以部分的等效于固定型故障，因此也可以用处理固定 型故障的方法来处理它们。 2 2 边界扫描技术 边界扫描技术是种扩展的自测试技术。它在测试时不需要其他的测试设备，不仅可 以测试芯片或p c b 的逻辑功能，还可以测试i c 之间或者p c b 之间的连接是否存在故障。 作为一种主要的或辅助的测试手段与方法，边界扫描技术已成为数字系统测试的主流， i e e e 已于1 9 9 0 年确定了有关的标准( i e e e1 1 4 9 1 ) ，详见文献 4 】。 2 2 1 边界扫描技术的基本原理 边界扫描( b o u n d a r ys c a n ) 技术的基本原理如图2 - 5 所示。 输 入 测试数据输入t d i 圈2 - 5 边界扫描技术的基本原理 它是在核心逻辑电路的输入输出端都增加一个寄存器，这些寄存器有如下特点： 1 ) 每个寄存器都可以输入数据，也可以输出数据； 2 ) 所有的寄存器可以连结成一个移位寄存器。 由于在输入输出端增加了这些寄存器，可以实现下述两种基本测试： 1 、测试核心逻辑 将核心逻辑电路的输出端的寄存器置为输入方式，输入端的寄存器设置为输出方式 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 通过一定的方式，将核心逻辑电路输入端的寄存器嚣入测试激励向量以驱动核心逻辑，同 时将其响应采集到核心逻辑输出端的寄存器中，最后将其响应逐位输出，即可得到测试结 果。 2 、测试i c 或p c b 之间的连线 将每个待测连线一端的寄存器置为输出方式，并以一定方式预置激励向量，另一端的 寄存器置为输入方式，以采集该线上的响应值，通过比较响应与激励之间的关系就可判定 所测连线是否有故障( 开路或者短路) 。 在一块p c b 上所有具有边界扫描的i c 中的扫描寄存器可连接成个更大的移位寄存 器，丽在一个系统或者设备中，又可把所有具有边界扫描设计的p c b 上的边界扫描链连接 成一个系统级的扫描链。这样所需增加的测试用端子是很少的。当然，在一个系统中可以 有多个扫描链，这些扫描链可以串联起来，也可以并联起来。 2 2 2i e e e1 1 4 9 1 标准和边界扫描的硬件结构 i e e e1 1 4 9 1 标准规定边界扫描的硬件应该包括以下四个部分： 1 ) 测试存取通道( t a p ) ； 2 ) t a p 控制器； 3 ) 指令寄存器( i r ) ； 4 ) 测试数据寄存器组( t d r ) 。 其中测试数据寄存器组又包括边缘扫描寄存器( b s r ) 和器件标志寄存器( i d r ) ，有 时还包括一个或几个专用的寄存器。 图2 - 6 边界扫描设计的基本结构 1 、测试存取通道 测试存取通道t a p 提供i c 或p c b 测试所需要的各种数据。t a p 的输入端子压缩到仅 第1 0 页 国防科学技术火学研究生院学位论文 有4 个，它们是： 1 ) 测试时钟t c k ( 输入) 边界扫描中测试时钟是独立的，因此与原i c 或者p c b 上的时钟无关，在允许的条件 下，可以借用原系统的时钟。 2 ) 测试方式选择t m s ( 输入) 由于在测试过程中，需要有数据捕获、移位、暂停和输出等不同的工作模式，因此需 要有工作方式的选择。所以，通过t m s 可以确定不同的工作序列。 t m s 信号是在t c k 信号的上升沿采样的，采样信号结合已输入的指令以及当前的状 态来确定下一个状态，并产生相应的控制信号，以协调整个边界扫描系统正常有序的工作。 3 ) 串行测试数据输入t d i ( 输入) 以串行方式输入的数据有两种：种是指令信号，送入指令寄存器；另一种是测试数 据( 激励、输出响应和其他信号) ，它输入到相应的测试数据寄存器中。 t d i 的信号在t c k 的上升沿被采样和输入。 4 ) 串行测试数据输出t d o ( 输出) 以串行方式输出的数据也有两种：一种是从指令寄存器移出来的指令位；另一种从各 种测试数据寄存器移出来的数据位。他们决定于t a p 控制器当前的状态。 t d o 的信号在t c k 的下降沿开始输出。 除了上述4 条i e e e1 1 4 9 1 标准强制规定有的t a p 通道外，该标准还提供一个“测试 系统复位”的输入通道。它的作用是令测试系统强制复位。如果没有这个输入端，则要求 在t m s 输入序列中确定一个子序列作为“复位”序列。通常以t m s = l l l l l 1 ( 至少5 个 1 ) 作为复位序列。 2 、t a p 控制器 t a p 控制器的作用是将串行输入的t m s 信号进行译码，使边界扫描系统进入相应的测 试模式，并产生该模式下所需要的各种控制信号。 在i e e e1 1 4 9 1 标准中，对t m s 输入序列和t a p 控制器的译码状态如图2 7 。有阴影 的状态表示是t a p 控制器中重要的或对测试有重要作用的状态。 图2 7t a p 控制器的状态图 第l l 页 一 一 国防科学技术人学研究生院学位论文 1 ) 测试逻辑复位( t e s tl o g i cr e s e t ) 边界扫描系统处于“逻辑复位”状态时，测试逻辑部分全部失效，从而保证核心逻辑 正常工作。这时关键的控制信号是原系统数据线上的多路开关控制信号，即切断数据线连 至测试逻辑单元的通路。 如图2 - 7 ，欲进入测试逻辑复位状态，只要在t m s 端连续加5 个t c k 脉冲宽度的信号 即可，而与起始时的t a p 控制器状态无关。 2 ) 运行测试空闲( r u nt e s t i d l e ) 这是测试过程中的一个控制状态，只要t m s 保持为0 ，它始终维持这种状态。此时测 试逻辑的操作决定于已经送入指令寄存器取中的指令。 3 ) 捕获数据( c a p t u r ed r ) 测试数据寄存器d r 中的内容可以从系统核心逻辑输出端以并行方式装入，这个功能 主要用于采集核心逻辑或连线测试的响应。在某些特殊的设计中，可用其他方法以并行方 式预装数据寄存器的一个给定值。捕获数据的操作发生在t c k 的上升沿。 4 ) 数据寄存器移位( s l l i f d r ) 在测试时钟t c k 的控制下，组成各扫描链的移位寄存器都向t d o 方向移动一位。所 移动的寄存器由t a p 控制器的状态和瓜中的指令来确定。 5 ) 数据锁存器更新( u p d a t ed r ) 每个数据寄存器都有一个对应的锁存器，当数据寄存器进行数据捕获或移位操作时， 数据锁存器中内容不会变化。 6 ) 捕获指令( c a p t u r ei r ) 捕获指令状态是以并行方式向指令寄存器瓜装入数据或指令。一般m 装入指令是以 串行方式从t d i 逐位移入，但有时为了检查m 是否有正常的移位功能，可以并行方式用 其他已经设置好的方法输入一个数据或指令，然后对m 作移位操作，从t d o 处检查输出 就可判断出m 的移位功能是否正常。 7 ) 指令寄存器移位( s h i f t 瓜) 操作指令寄存器r 从t d i 向t d 0 方向移一位。这与数据寄存器移位是相似的。 8 ) 指令锁存器更新( u p d a t e 氓) 指令寄存器取也带有相应的锁存器。锁存器的内容不会因为取的操作而改变。 除了上述8 种重要的状态之外，还有两种辅助的状态，对t a p 控制译码有重要的作用。 i ) 退出状态( e x i t ) 2 ) 暂停( p a u s e ) 这两种状态可以使流程的方式变化非常方便。暂停方式主要用于协调测试时钟与系统 时钟。 3 、指令寄存器 指令寄存器玻是一个附有锁存器的移位寄存器，它的长度等于指令的长度( 指令长度 在不同的系统中是不相同的) 。 指令寄存器取可以完成以下功能： 1 ) 在t c k 的激励下，可以串行方式将指令从t d i 逐位移入指令寄存器，并在t d o 处移出。 2 ) 在指令锁存器状态下，将取中的内容装入锁存器。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 ) 在捕获状态，以并行方式将专门设霹的数据装入指令寄存器m 。 4 ) 在复位状态将指令寄存器复位。 5 ) 在指令寄存器移位的状态下，可将指令寄存器向t d o 方向移位。 4 、测试数据寄存器组 下面介绍各个数据寄存器的功能： 1 ) 旁路寄存器b r 在块p c b 上有多个具有边界扫描设计的i c 时，可将每个i c 中的边界扫描链串起来， 形成更长的扫描链。但是，此时若要测试其中的一个芯片，或者某一段数据通路，则测试 数据仍然要在整个测试链上移动，显然浪费了大量的测试时间。旁路寄存器b r 的设置就 是企图将当前没有测试的i c 或者不用测试的数据通路短路起来，使此时的测试总长度近 似为所测芯片的扫描长度。 2 ) 边界扫描寄存器b s r 边界扫描寄存器是最重要的工作寄存器，它完成测试数据的输入、输出锁存和移位等 测试必需的操作。 边界扫描寄存器与指令寄存器m 有相似之处，但是它所处理的是测试数据，它不具有 异步复位功能。由于边界扫描寄存器直接与核心逻辑或p c b 之间的连线相连，因此它的输 入输出端口比较复杂。 3 ) 器件标志寄存器i d r 一般数据寄存器中都包含个固化有该器件标志的寄存器。内容包括该器件的版本号、 器件型号、制造厂商信息。 4 ) 专用数据寄存器s r 在一些i c 或者p c b 的设计中，提供了一些专用的测试寄存器，并设计了专用的指令， 以完成一些特殊的测试过程。 2 2 3 边界扫描公共指令 在边界扫描设计中，可从t d i 处以串行方式将指令移入指令寄存器。指令用于确定哪 一个测试数据寄存器被选中且接入从t d i - - t d o 的扫描链中。在执行指令进行测试的过 程中，必须保证扫描链上的每个i c ( 或p c b ) 都有一个数据寄存器接入在这根扫描链上。 在i e e e1 1 4 9 1 标准中，有两类指令，一类公用指令，是边界扫描通用的；一类是专用 指令，由设计者或生产厂商设计。公用指令主要有9 类： 1 ) 旁路指令( b 螂s ) 2 ) 采样预装指令( s a m p l e p r e l o a d ) 3 ) 外测试指令( e x 丁e s t ) 4 ) 内测试指令( i n t e s t ) 5 ) 运行自测试指令( r m 旧i s t ) 6 ) 取器件标志指令( i d c o d e ) 7 ) 用户代码指令( u s e r c o d e ) 8 ) 组件指令( c l 州p ) 9 ) 输出高阻指令( h i g h ) 第1 3 页 一 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 4 边界扫描技术在故障测试中的应用 在未来的硬件故障测试中，边界扫描将会得到越来越多的应用。如果芯片以及p c b 等 硬件设备均支持边界扫描，那么故障测试的工作将会简单方便的多。仅需要在最初设计时 添加少量的辅助硬件，不仅可以节省测试设备，而且测试更加准确高效，文献 1 1 】讨论了 板级边界扫描技术的应用。 在芯片支持边界扫描的基础上，将所有芯片的内部扫描链连接在一起，形成一个p c b 级的扫描链。因此，在整个p c b 系统的测试过程中，几乎不需要辅助测试设备。如图2 - 8 ： 图2 - 8 支持边界扫描的p c b 测试 _ i i ) 0 r d i 基于边界扫描链的故障测试使得测试报文的构造比较简单，并且，扫描链与系统工作 于不同的时钟驱动。所以整个测试可以很方便的进行。整个测试通过t d i 串行移入控制命 令及测试报文，在t d o 处串行接收测试结果，然后与原始测试报文进行比较。与传统的 测试方法相比，基于边界扫描的故障测试体现出了巨大的优越性。许多s o c 芯片的设计中 均采用了类似的思想，如文献 1 2 】、【1 3 、【1 5 】中均加入了边界扫描的支持。 同样，在进行路由器系统设计的时候，加入边界扫描支持，将会使系统测试变得简单。 整个测试只需要将p c b 的边界扫描链通过背板连接起来，便可获得与p c b 测试相同的优 越性，简单、快速、有效。如图2 9 ： 第1 4 页 图2 - 9 支持边界扫描的系统测试 并非只有在系统中所有芯片都支持边界扫描的时候才能使用这样的方案。事实上，我 们同样可以利用部分芯片的边界扫描特性对其他不支持边界扫描的芯片，如双向f i f o ，进 行有效的测试。文献【1 0 】对这种方法进行了阐述。我们在基于网络处理器的路由器中实现 测试系统时，也使用了类似的方法。如图2 1 0 ： 图2 1 0 利用边界扫描对普通芯片的测试 通过芯片1 的边界扫描链将测试码串行移入，控制芯片3 的写使能，并通过芯片2 的 边界扫描链控制芯片3 的读使能。这样，测试码就可以在芯片l 和芯片2 的边界扫描链的 控制下“穿过”芯片3 ，从而完成测试。 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章高性能路由器故障测试模型 3 1 高性能路由器的体系结构 3 1 1 高性能路由器的硬件体系结构 高性能路由器硬件设计过程中，在充分考虑到提高报文转发速度的前提下，对采用共 享并行处理器交换式体系结构进行了相应的简化。采用高速分布式路由体系结构和先进的 高速交换阵列，线速转发瑶报文。硬件系统主要由高速交换模块、主控模块和转发模块等 组成。每个主控模块和转发模块都自含个处理器，运行网络实时操作系统。硬件体系结 构如图所示。 图3 - 1 路由器硬件体系结构 之所以将处理器与转发引擎列在一起，是因为在最新的基于网络处理器的高性能路由 器中，高效的网络处理器芯片将处理器与专用转发引擎的功能进行了有效的合并。 3 1 2 高性能路由器的主要硬件组成 高性能路由器主要由以下几个部分组成： 1 ) 高速交换模块： 是高性能路由器系统的核心，直接关系着路由器的性能。在基于专用转发引擎的路由 墨生：基薹查堕塑鱼堑塑叁堡、冲垦垦基墼型望堡：窒垫堕型墨基丝塾望墨丝堕堡翌垦堕 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 其控制逻辑等。而在基于网络处理器的路由器中，高速交换模块由专用交换网络组成。 2 ) 转发模块 转发模块主要由线卡控制逻辑、i p 层交换控制逻辑、交换模块接