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1 analizzatori di stati logici 1/5 Analizzatori di stati logici Un analizzatore di stati logici (a.s.l.) e un sistema la cui funzione principale e quella di visualizzare l andamento temporale di segnali digitali. Le caratteristiche generali di questi strumenti sono legate a quelle che sono le peculiarita dei segnali digitali e dei sistemi digitali. In particolare: - i segnali digitali possono assumere solo due livelli (livello LOGICO alto e livello LOGICO basso, corrispondenti a valori di tensione che dipendono dalla famiglia logica cui appartengono i dispositivi impiegati). - i segnali digitali subiscono generalmente transizioni brusche da un livello all altro, spesso in maniera sincrona rispetto a un segnale di clock. - nei sistemi digitali si ha spesso necessita di visualizzare contemporaneamente un numero di segnali anche piuttosto rilevante, da alcune unita a diverse decine. Con riferimento per esempio a un microcontrollore, si tratta infatti di segnali che rappresentano dati, indirizzi, segnali di controllo (p. es. clock). Un analizzatore di stati logici e pertanto uno strumento che effettua la digitalizzazione e la memorizzazione dei segnali inviati su piu canali con la risoluzione verticale di 1 bit (alto - basso): esso allora campiona e converte in formato digitale diversi segnali, memorizzandoli per la successiva elaborazione: quest ultima puo consistere nella semplice visualizzazione o, come vedremo in seguito, in forme piu complesse di trattamento. Lo sviluppo degli a.s.l. si e avuto di pari passo con la comparsa sul mercato dei primi microcontrollori per uso commerciale; in questa fase, infatti, si e manifestata l inadeguatezza degli oscilloscopi (digitali) per il debug del progetto dei microcontrollori e dei sistemi che impiegano microcontrollori. Gli a.s.l., sistemi in grado di digitalizzare, memorizzare e visualizzare un numero anche elevato di segnali, risolvono questo problema. Nel corso del tempo, le prestazioni di questi strumenti, come per esempio la velocita di acquisizione e il numero di canali sono migliorate, di pari passo con l aumento delle esigenze legate allo sviluppo delle tecnologie digitali. Un a. di stati logici presenta pertanto alcune analogie con un oscilloscopio numerico (digitalizzazione e memorizzaione), ma dall oscilloscopio si distingue per esempio generalmente per il maggior numero di canali e per la peggiore risoluzione; quest ultima caratteristica fa si, peraltro, che un segnale piuttosto rumoroso o con fronti non particolarmente ripidi appaia piu pulito se osservato mediante un a.s.l. Questo strumento e utilizzato la ricerca delle cause di malfunzionamento di sistemi digitali anche molto complessi, dai piu semplici circuiti combinatori o sequenziali ai microcontrollori. Un aspetto che e importante tener presente e legato al fatto che l informazione che si vuole visualizzare mediante un a.s.l. e il livello logico associato a uno o piu segnali elettrici: per ricavare questa informazione lo strumento confronta i livelli di tensione presenti sui suoi terminali d ingresso con determinate soglie, i cui valori sono fissati dall utente; sugli strumenti in commercio sono generalmente memorizzati i livelli di tensione associati agli stati logici nelle piu diffuse famiglie logiche standard. Alcuni a.s.l. permettono di stabilire due valori di soglie e discriminano tra livello logico alto, livello basso e livello intermedio (o indeterminato).

2 analizzatori di stati logici 2/5 La visualizzazione avviene dunque in generale nella forma di un segnale a due (o tre) livelli. Un a.s.l. dispone generalmente di due modalita di rappresentazione dei segnali: timing mode e state mode. Nella prima i segnali vengono campionati a frequenza maggiore di quella del clock del sistema e, per ciascun segnale, e visualizzato l andamento del livello logico associato (alto o basso), in funzione del tempo. Nella seconda, i segnali vengono campionati in modo sincrono con il clock del sistema ed e rappresentato sullo schermo il valore logico assunto dalle variabili associate ai segnali in ingresso. Timing mode. In questa modalita di funzionamento (a), lo strumento permette di evidenziare le relazioni temporali tra i segnali in ingresso; in questo modo puo essere visualizzato il comportamento hardware dei circuiti digitali o evidenziata la presenza di impulsi spurii (glitch). Sul display dello strumento sono mostrate le varie forme d onda come successioni di livelli alto o basso, in funzione del tempo. I campioni dei segnali in ingresso vengono acquisiti in maniera asincrona rispetto al clock del sistema sotto esame, con un intervallo di campionamento che generalmente viene scelto dall operatore e viene generato da un clock interno allo strumento. La scelta piu opportuna e generalmente quella che consente di catturare almeno due o tre campioni per ogni periodo del clock del sistema sotto esame. All aumentare della frequenza di campionamento dei segnali aumenta ovviamente la risoluzione temporale che si ottiene, a scapito della lunghezza del record temporale acquisito, data la lunghezza finita della memoria. Allo scopo di ridurre la quantita di memoria necessaria per immagazzinare le informazioni acquisite, alcuni strumenti consentono il cosiddetto campionamento transizionale, consistente nel memorizzare e visualizzare, per ciascun segnale sotto esame, solo gli istanti (time stamp) in corrispondenza dei quali, per ciascun segnale, si ha una transizione. Questa tecnica consente un significativo risparmio nell occupazione di memoria, in particolare nelle situazioni in cui il segnale sotto osservazione mantiene il proprio stato per lunghi intervalli di tempo, come avviene per esempio nei sistemi nei quali il trasferimento dei dati avviene per pacchetti, localizzati nel tempo in brevi intervalli, rispetto a lunghi periodi nei quali non si ha trasferimento di informazione. figura (a) e (b) State mode. In questa modalita di funzionamento (b), il campionamento dei segnali avviene

3 analizzatori di stati logici 3/5 in modo sincrono con il clock del sistema sotto esame, allo scopo di osservare, piu che le relazioni temporali tra i segnali, la sequenza dei valori logici associati o la sequenza di istruzioni associate ai vari gruppi di segnali. In particolare, spesso un a.s.l. viene utilizzato per il debug del programma eseguito da un microcontrollore: lo strumento puo consentire in questo caso la visualizzazione del codice macchina delle istruzioni che vengono eseeguite dal microcontrollore, in alcuni casi effettuandone il disassemblaggio; perche questo sia possibile, deve ovviamente essere nota all a.s.l. la corrispondenza istruzione - codice macchina; cio e generalmente possibile negli a.s.l. piu recenti, in particolare per i microcontrollori piu diffusi. Un a.s.l. puo essere schematizzato nel modo seguente: figura (c) Sonde (probes): hanno la funzione di realizzare il collegamento fisico dei segnali con lo strumento, senza alterare i segnali stessi (per esempio per un effetto caricante) o introdurre ritardi diversi tra i vari ingressi (cosa che altererebbe le relazioni temporali tra i segnali). Spesso funzionano come partitori di tensione (v. analogie con la sonda di un oscilloscopio). Opportuni comparatori trasformano i segnali in ingresso in valori logici, rispetto a valori di tensioni di soglia che, come gia detto, variano da una famiglia logica all altra. Le sonde convergono generalmente in un probe buffer, spesso esterno al sistema, allo scopo di ridurre la lunghezza dei collegamenti. Normalmente un a.s.l. e un sistema in grado di analizzare un numero considerevole di segnali contemporaneamente: questo significa che e dotato di un considerevole numero di sonde per l invio dei segnali; esse sono allora talvolta riunite in gruppi da 8 (o da 16), e contraddistinte da colori diversi (un colore per ogni gruppo) allo scopo di rendere piu agevole la loro identificazione. I terminali delle sonde possono essere dotati di particolari sistemi di aggancio ai terminali sui quali sono presenti i segnali di interesse (clip, coccodrilli, o terminali configurati in modo da adattarsi ai piedini dei Circuiti Integrati). Nel probe buffer avviene il confronto tra segnale/segnali in ingresso e valori delle soglie: in questo modo si effettua la decisione relativa allo stato logico del segnale (1 o 0). Come gia detto le soglie sono impostate dall utente, magari scegliendo tra quelle corrispondenti alle varie famiglie logiche (TTL, CMOS, ECL, ecc.). Setup: qui vengono gestite le modalita di campionamento, con la cadenza relativa al tipo di funzionamento scelto: campionamento asincrono per il modo timing e campionamento sincrono per il modo state. In questo blocco viene inoltre definito il time stamp nel funzionamento a campionamento transizionale. Un altra importante funzione di questa parte dello strumento e quella del trigger, che seleziona i dati che verranno catturati dall a.s.l. L analizzatore di stati logici osserva gli stati logici associati

4 analizzatori di stati logici 4/5 ai segnali sotto esame e produce il trigger quando l evento definito dall utente si verifica. Infatti i segnali prodotti in un sistema digitale possono non essere di interesse per l utente per lunghi intervalli di tempo e manifestare l andamento che interessa a partire da un determinato istante e per un intervallo piu o meno breve. Questo evento puo essere una semplice transizione, intenzionale o indesiderata, oppure un glitch (impulso di durata temporale inferiore a un certo valore), oppure una determinata condizione logica tra i vari segnali sulle linee di un bus. Altri eventi di trigger possono essere: - specifici pattern logici, definiti in binario, esadecimale, ecc. tra alcuni degli ingressi; - il conteggio di un determinato numero di eventi, effettuato da uno specifico contatore; - la presenza di un determinato segnale esterno (p. es. un RESET); - il fatto che sia trascorso un determinato tempo da un determinato evento. La possibilita per un a.s.l. di utilizzare varie condizioni di trigger, costituisce un parametro di merito per lo strumento. Memoria ad alta velocita : qui sono memorizzate le successioni dei valori logici assunti dai segnali in ingresso. La memoria costituise il cuore dello strumento, cioe il luogo dove convergono i dati campionati e dal quale vengono estratte le informazioni da visualizzare. Le dimensioni tipiche delle memorie utilizzate in questi strumenti vanno da non meno di qualche migliaio di locazioni in su. La gestione della memoria, in particolare per quanto riguarda i campioni che devono essere memorizzati, e strettamente legata al trigger. Gli a.s.l. campionano i segnali in modo continuo, riempiendo la memoria veloce (detta anche memoria di acquisizione in tempo reale); quanto essa e piena si riscrive sulle prime locazioni occupate, aggiornando dunque ciclicamente la memoria stessa. A partire dal verificarsi dell evento di trigger, nuovi dati vengono ancora memorizzati per un determinato intervallo di tempo (definito dall utente), e la memorizzazione viene quindi inibita. Per il modo in cui tutto si svolge, la porzione di segnali che viene rappresentata interessa un intervallo temporale a cavallo dell istante di trigger (negative time capture). Questa modalita di funzionamento permette, come nell oscilloscopio numerico, di visualizzare dati relativi a intervalli di tempo precedenti e/o successivi all istante di trigger; visualizzare l andamento dei segnali PRIMA dell istante di trigger puo permettere infatti di evidenziare la causa che determina un determinato malfunzionamento (evidenziato dall evento di trigger), mentre osservare i segnali DOPO l evento di trigger (se, per esempio, l evento di trigger e indice del malfunzionamento), puo permettere di valutare le conseguenze del malfunzionamento su altri segnali. Interfaccia utente: si tratta generalmente di un display a CRT o a stato solido, sul quale vengono visualizzate - nella modalita scelta - le informazioni acquisite, e di organi di comando che permettono la selezione sullo schermo del/dei segnale/segnali di interesse, oppure uno zoom su un determinato intervallo di tempo, oppure il passaggio da un modo all altro (state-timing), o di scorrere la successione di istruzioni disassemblate. Interfaccia verso l esterno: alcuni strumenti dispongono di accessori che consentono la memorizzazione delle informazioni acquisite su un supporto di memoria non volatile (disco) o il trasferimento delle stesse informazioni su Personal Computer. Gli strumenti di realizzazione piu recente sono forniti con strumenti software che consentono di denominare i vari canali, cosa che consente di riconoscere piu facilmente la funzione associata ai vari segnali (enable, clock, R/W, ecc.).

5 analizzatori di stati logici 5/5 Allo scopo di ridurre il costo dello strumento, talvolta questo e privo di interfaccia utente, ma si interfaccia con un personal computer che, mediante opportuno software, funge esso stesso da interfaccia utente permettendo il controllo e la gesione dello strumento. Alcuni a.s.l. permettono la visualizzazione anche dell andamento dettagliato cioe analogico di uno (o piu ) dei segnali d ingresso: in questo caso l a.s.l. funziona praticamente da oscilloscopio; questa funzione puo essere utile per esempio per valutare la rumorosita del segnale. Specifiche degli a.s.l. Tra le caratteristiche degli a.s.l., quelle che principalmente vengono prese in considerazione in caso di scelta di uno strumento sono: - numero di canali: maggiore il numero di canali, maggiore la complessita del sistema che puo essere caratterizzato. (E da precisare, a questo proposito, che generalmente un a.s.l. permette di visualizzare contemporaneamente l andamento di un numero di segnali inferiore a quello dei segnali in ingresso: in altri termini, un a.s.l. a 48 canali non necessariamente visualizza contemporaneamente TUTTI i canali). - velocita di clock: come in un oscilloscopio, maggiore e la velocita del clock e piu rapidi sono i fenomeni che possono essere visualizzati. Gli a.s.l. in commercio oggigiorno, lavorano con frequenze di clock tipicamente dell ordine del centinaio di MHz, e fino a qualche GHz. - modalita di trigger: come in un oscilloscopio digitale, un piu ampio insieme di possibile eventi di trigger, rende lo strumento piu versatile. - possibilita di impiego nell analisi del comportamento di microcontrollori. La possibilita di impiego di un a.s.l. per il debug di sistemi a microcontrollori, se si vuole utilizzare la funzionalita di disassemblaggio del programma, richiede la memorizzazione nello strumento del codice macchina associato alle varie istruzioni: maggiore e il numero di microcontrollori per cui questo e possibile, piu versatile risulta essere lo strumento. Un caso estremo di a.s.l. e quello della cosiddetta sonda logica (o digital probe). Si tratta di uno strumento estremamente semplice, costituito da una sonda dotata di un solo puntale (oltre al terminale di massa), con il quale e possibile andare a sondare lo stato logico in un terminale (uno alla volta) del circuito sotto esame. L interfaccia utente e costituita da un indicatore luminoso (LED) che ha un colore in caso di livello logico ALTO e un altro in caso contrario. Sull impugnatura dello strumento sono presenti alcuni dispositivi che permettono per esempio di definire i valori delle soglie di tensione associate ai livelli logici. Si tratta di uno strumento che permette lo studio di sistemi in cui i segnali sono statici o lentamente variabili nel tempo, dal momento che non permette alcuna forma di memorizzazione.