Parametrisierte Speicherzellen zur Unterstützung des Selbsttests mit optimierten und konventionellen Zufallsmustern

Viele Selbsttestverfahren für hochintegrierte Schaltungen beruhen auf der Erzeugung von Zufallsmustem mit rückgekoppelten Schieberegistem. Oft wird jedoch für eine ausreichende Fehlererfassung eine unwirtschaftlich große Menge von Zufallsmustern benötigt, falls diese gleichverteilt erzeugt werden. Mit ungleichverteilten Zufallsmustern kann die Testlänge entscheidend reduziert werden, ein entsprechendes Selbsttestkonzept wurde als GURT (Generator of Unequiprobable Random Tests) vorgeschlagen. Im vorliegenden Beitrag werden Grundzellen zur Synthese von Registern nach dem GURT-Prinzip vorgestellt und die Probleme beim Entwurf eines entsprechenden Syntheseprogrammes diskutiert. Anhand eines Beispiels werden die Selbsttestkonzepte nach dem GURT- und nach dem BILBO-Prinzip verglichen

Methoden der Testvorbereitung

Neben der eigentlichen Testdurchführung umfaßt eine Teststrategie die Auswahl eines geeigneten Fehlermodells, ein Verfahren für den prüfgerechten strukturierten Entwurf und die Testsatzerzeugung. Ziel dieser Prüfvorbereitung ist die Steigerung der ProduktquaIität und die Senkung der Kosten für die Testdurchführung

Probabilistische Verfahren für den Test hochintegrierter Schaltungen

Es setzt sich heute immer mehr die Erkenntnis durch, daß anwendungsspezifische hochintegrierte Schaltungen nur dann wirtschaftlich eingesetzt werden können, wenn bereits beim Entwurf die Testerzeugung und Testdurchführung berücksichtigt werden. Um die Ausbildung für den rechnergestützten Schaltungsentwurf an der Fakultät für Informatik der Universität Karlsruhe entsprechend abzurunden, hat der Autor seit dem Wintersemester 1985/1986 die Vorlesung "Testprobleme hochintegrierter Schaltungen" angeboten. Etwa zum gleichen Zeitpunkt etablierte sich am dortigen Institut für Rechnerentwurf und Fehlertoleranz die Forschungsgruppe "Prüfgerechter Entwurf und Test". Das vorliegende Buch vereinigt die Erfahrungen aus der Vorlesung und die Ergebnisse der Forschungsgruppe. Es gibt einen Überblick über wichtige Techniken des prüfgerechten Entwurfs, des Selbsttests sowie der Testerzeugung, und es enthält zahlreiche neue Vorschläge auf diesem Gebiet

Der testfreundliche Entwurf asynchroner Schaltungen

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Selbsttest und Fehlertoleranz mit zugelassener milder Degradation in integrierten CMOS-Sensorsystemen

In dieser Arbeit wird eine Erweiterung bisheriger intelligenter Sensorsysteme, basierend auf Anforderungen aus der Industrie nach steigender Leistung und erweiterten Systemfähigkeiten, vorgestellt. Die hier untersuchte Erweiterung stellt zusätzliche Funktionen zur Erhöhung der Betriebssicherheit im Fehlerfall zur Verfügung. Ein so erweitertes Sensorsystem beinhaltet eine Selbsttestfunktion mit Fehlererkennung, Fehleranalyse, Fehlerbeseitigung und Fehlersignalisierung. Ziel der Erweiterung ist es, Gefahren verursacht durch technische Systeme, die Messergebnisse von einem so erweiterten Sensorsystemen auswerten, durch nichterkannte fehlerhafte Messergebnisse zu minimieren. Aus Kostengründen kann die Fehlerbeseitigung häufig unter dem Aspekt einer unvollständigen Fehlerbeseitigung vorgenommen werden. Im Fehlerfall verringert sich somit die Leistungsfähigkeit des Sensorsystems (milde Degradation). Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt bei der Fehlererkennung von defekten Sensorelementen. Der Grund für die Wahl dieses Schwerpunktes ist, dass für Sensorelemente keine herkömmlichen Selbsttestverfahren existieren und dass gerade die Sensorelemente einer besonders hohen Gefahr der Zerstörung ausgesetzt sind, weil sie direkt mit der Umwelt in Kontakt kommen. In der Arbeit werden zuerst die Grundlagen zu Sensoren und Sensorsystemen beschrieben. Es werden unterschiedliche Fehlererkennungsmethoden vorgestellt und auf die Notwendigkeiten im Hinblick auf einen Einsatz in Sensorsystemen bewertet. Speziell für integrierte Sensoren weist die Methode der Selbstanregung des Sensorelementes mittels elektrischer Stimulation eine hohe Flexibilität auf. Allerdings sind der Selbstanregung durch die begrenzten elektrischen Stimulationsamplituden und den nur geringen Empfindlichkeiten der integrierten Sensorelemente Grenzen gesetzt. Diese Nachteile werden durch die im Rahmen der Arbeit entwickelten Methode der Korrelationsdetektion mit einer festen Stimulationssequenz verringert. Dazu wird das Sensorelement direkt oder indirekt elektrisch mit einer festgelegten Stimulationssequenz angeregt. Bei der direkten Stimulation wird das Sensorelement entsprechend dem eigentlichen Messprinzip angeregt. Bei der indirekten Stimulation erfolgt die Anregung über die Querempfindlichkeit des Sensorelementes. In einem fehlerfreien Sensorsystem wird die Stimulation des Sensorelementes in eine elektrische Größe konvertiert und gelangt über die gesamte Signalverarbeitungskette, wie die eigentliche Messgröße, zum Ausgang des Sensorsystems. In einem fehlerfreien Sensorsystem ist also die Stimulationssequenz im Ausgangssignal vorhanden. Aufgrund der begrenzten elektrischen Stimulationsamplituden, der meistens geringen Empfindlichkeit des Sensorelementes auf die Stimulation und dem Grund, dass die eigentliche Messwertaufnahme nur minimal gestört werden darf, ist die Amplitude der Stimulationssequenz im Ausgang des Sensorsystems nur sehr gering. Um ein solches kleines Signal zu detektieren, wird ein auf die Stimulationssequenz optimiertes Matched-Filter mit nachfolgendem Schwellwertentscheider eingesetzt. Der Vorteil dieser Fehlererkennungsmethode ist, dass neben dem Sensorelement auch die gesamte Signalverarbeitung auf einen Fehler untersucht und kein Eingriff in diese Kette notwendig wird. Die Funktionalität der entwickelten Fehlererkennungsmethode konnte an zwei Anwendungsbeispielen, einem Druck- und Temperatursensorelement, demonstriert werden. Am Beispiel des Drucksensorsystems wurden anschließend zwei Methoden zur Fehlerbeseitigung unter Anwendung der milden Degradation vorgestellt. An extension of smart sensor systems based on industrial requirements for increasing performance and system capability will be examined in this Ph.D. thesis. The extension towards a dependable sensor systems includes additional functions for increasing the reliability. A dependable sensor system contains error detection, error analysis, error removal, and error indication functions. The goal of this extension is to minimize the danger for humans or environment caused by technical systems, which evaluate non-recognized faulty measurement results generated by a non-dependable sensor system. Due to cost issues a full error removal is often impossible. In the case of a detected fault a mild or partial performance degradation may be the result. The error detection of defective sensor elements is the key part of this work. This key part has been chosen because no conventional self-testing strategy for sensor elements are available and defective sensor elements are highly probable because they usually exposed to rough environments. The Ph.D. thesis starts with a survey of integrated sensor systems. Some different error detection methods are presented and analyzed for implementation in integrated sensor systems. The electrical self-stimulation of the sensor element has some advantages special for integrated sensor systems. Due to limited electrical stimulation amplitudes and low sensitivities the self-stimulation of the sensor elements is limited. These disadvantages can be reduced using a new error detection method based on correlation detection of a fixed stimulation sequence. The sensor element is electrically stimulated directly or indirectly using a fixed stimulation sequence. Direct stimulation uses the measurement principle of the sensor element whereas indirect stimulation uses the cross-sensitivities of a sensor element. In a faulty-free sensor system the electrical stimulation is converted by the sensor element into an electrical signal and this is read out like the measurement result by the whole sensor signal processing. Therefore, in a faulty-free system the output of the sensor system contains the stimulation sequence. Due to the limited electrical stimulation amplitudes, the normally low sensitivity of the sensor element for the stimulation sequence, and the only small tolerable disturbance of the measurement process only a low amplitude of the stimulation sequence occurs at the output of the sensor system. To detect such a small signal a matched filter for the stimulation sequence followed by a threshold comparator is used. The advantage of this error detect method is that apart from the sensor element also the complete sensor signal processing is tested and no split of the sensor signal processing is necessary. The functionality of the proposed error detection method has been proven for two examples: 1st a temperature and 2nd a pressure sensor element. Using the example of an integrated capacitance pressure sensor system two methods for error removal with mild performance degradation is presented

Verfahren zur elektronischen Kompensation der Polarisationsmodendispersion in optischen Übertragungssystemen

Die zunehmende Popularität von Datendienstleistungen wie IP-basierte Video- und Sprachdienste bringen ein ständiges Wachstum des weltweit übertragenen Datenvolumens mit sich. Um zukünftigen Anforderungen gewachsen zu sein, ist eine Vergrößerung der Kapazitäten der Weitverkehrsnetze unumgänglich. Die sinnvollste Lösung hierfür stellt die Erhöhung der Datenraten der einzelnen Wellenlängenkanäle von derzeit üblicherweise 10Gbit/s auf 40Gbit/s oder gar 100 Gbit/s dar. Auf vielen der heute installierten Faserstrecken ist solch eine Umstellung jedoch nicht ohne Weiteres möglich. Der physikalische Effekt der Polarisationsmodendispersion (PMD) verursacht eine Verzerrung der Signalverläufe in den Fasern, was eine erhöhte Bitfehlerquote zur Folge hat. Dieser Effekt gewinnt mit zunehmender Datenrate an Gewicht, so dass Übertragungssysteme mit 40 Gbit/s und mehr oftmals nicht mehr zuverlässig arbeiten. Diese Beschränkung kann durch die Installation neuer Glasfasern mit geringerer PMD behoben werden, was allerdings mit enormen Kosten verbunden ist. Es ist daher günstiger, den Störeinfluss der PMD durch den Einsatz optischer oder elektronischer Kompensatoren zu verringern. Die elektronischen Kompensatoren haben im Vergleich zu optischen Kompensatoren einige Vorteile: Durch die Integrierbarkeit der Schaltungen können sie wesentlich kostengünstiger und platzsparender realisiert werden. Zudem können elektronische Verfahren wesentlich schneller auf Änderungen des Übertragungskanals reagieren. Die vorliegende Arbeit hat die Entwicklung und Optimierung von elektronischen Verfahren zur Kompensation von PMD zum Ziel. Hierbei werden zwei Schwerpunkte gesetzt, die im Folgenden erläutert werden. Untersuchungen werden mit der Simulationssoftware Matlab durchgeführt. Bewertet werden die Kompensatoren anhand ihrer Fähigkeit die Wahrscheinlichkeit von Systemausfällen zu reduzieren. Zum einen werden Kompensationsverfahren für amplitudenmodulierte, direktempfangende, optische Übertragungssysteme behandelt. Es wird ein Entscheideverfahren, im speziellen das Prinzip der Sequenzschätzung, auf die Anforderungen solcher Systeme angepasst und untersucht. Das Verfahren wird erstmals für die Anwendung in Polarisationsmultiplexsystemen erweitert und optimiert. Es zeigt sich, dass hierfür eine zusätzliche Polarisationsregelung erforderlich ist. Die Toleranz gegenüber PMD kann durch dieses Verfahren deutlich erhöht werden. Zum anderen werden in dieser Arbeit elektronische Kompensatoren entworfen, die nach dem Prinzip der Signalentzerrung mithilfe linearer Filter funktionieren. Ein Einsatz in direkt detektierenden Systemen ist nur beschränkt möglich. Erst durch Überlagerungsempfang kann das volle Potential dieser Entzerrer ausgeschöpft werden, da dieses Empfangsprinzip sowohl Amplitude als auch Phase des empfangenen Signals liefert. Zur Verarbeitung amplitudenmodulierter Signale wird eine adaptiv einstellbare Filterstruktur auf das System angepasst und eine Erweiterung zur Anwendung in Polarisationsmultiplexsystemen wird vorgenommen. Dieses Adaptionsverfahren schätzt die zu invertierende Übertragungsfunktion des Systems mithilfe einer Trainingssequenz. Erstmals wird hierbei ein Verfahren zur Adaptionsbeschleunigung eingesetzt, wodurch die Adaptionszeiten signifikant verringert werden. Weiterhin wird die Anwendbarkeit der adaptiven Filterstruktur auf phasenmodulierte Signale untersucht. Eine blinde Adaptionsmethode, die auf die Verwendung einer Trainingssequenz verzichtet und stattdessen die konstante Hüllkurve phasenmodulierter Signale ausnutzt, wird ebenfalls für die Anwendung in optischen Übertragungssystemen mit Polarisationsmultiplex angepasst, untersucht und mit dem vorher genannten Verfahren verglichen. Beide Methoden sind in der Lage, die durch Polarisationsmodendispersion verursachten Systemausfälle deutlich zu reduzieren, wobei das blinde Verfahren erwartungsgemäß weniger gut abschneidet. Eine Gegenüberstellung der Entscheideverfahren und der Entzerrer zeigt, dass Sequenzschätzer eine gute Möglichkeit bieten, direkt detektierende, amplitudenmodulierte Systeme bei hohen Datenraten betreiben zu können. Auf lange Frist werden sich allerdings Systeme mit Überlagerungsempfang durchsetzen. Lineare Filterstrukturen ermöglichen hier die vollständige Kompensation der PMD, so dass durch Kombination mit höherwertigen Modulationsformaten Datenraten von über 100 Gbit/s in optischen Übertragungssystemen realisierbar sein werden

Entwurf und Realisierung eines vierfach MIMD Prozessor Mikrochips für eine Anwendung in der Hochenergiephysik

Inhalt dieser Dissertation ist der konzeptionelle Entwurf und die Realisierung eines Multiprozessorsystems. Primäres Einsatzgebiet ist das Datenverarbeitungssystem des Transition Radiation Detektors des ALICE Experiments am CERN. Konformität zu den Anforderungen der Datenverarbeitungskette unter Berücksichtigung fortschrittlicher Architekturkonzepte bei minimaler Chipfläche stellt dabei das grundsätzliche Entwurfsparadigma dar. Die Funktionalität des MIMD Prozessors wird in einer Testumgebung auf mehreren Entwurfshierarchien nachgewiesen. Die Abbildung auf eine 0.18 µm CMOS Technologie liefert die notwendigen Ergebnisse zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit des Entwurfs. Der MIMD Prozessor wurde in einen Prototypen (TRAP 1) integriert und innerhalb eines MPW-Runs erfolgreich submittiert