DE10351442A9 - Vorrichtung und Verfahren zur Bildung einer Signatur - Google Patents

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Bildung einer Signatur, wobei eine vorgegebene Anzahl an Speicherelementen eines Schieberegisters vorgesehen ist, an welche zu prüfenden Eingangsdaten bitweise und parallel als aufeinander folgende Datenwörter angelegt werden und welche die Eingangsdaten in einem vorgebbaren Takt seriell weiter schieben, wobei nach einer bestimmten Anzahl von Datenwörtern und Takten eine Signatur in dem Schieberegister gebildet wird, wobei zusätzlich ein Codegenerator vorgesehen ist, der wenigstens eine zusätzliche Bitstelle in wenigstens einem zusätzlichen Speicherelement aus jedem Datenwort in der Signatur erzeugt.

Description

• Für die Bildung von Signaturen werden MISR-Schaltungen benutzt (MISR = Multiple Input Signature Register), wie sie beispielsweise in der Veröffentlichung Built-In Test for VLSI: Pseudorandom Techniques, von Paul H. Bardell, William H. McAnney und Jacob Savir auf Seite 124 f beschrieben sind. Dabei ist eine vorgegebene Anzahl an Schieberegistern vorgesehen, an welche zu prüfende Daten in einer Folge angelegt werden. Dabei werden die parallel anstehenden Daten eingekoppelt und in einem vorgegebenen Takt durch die Schieberegister weitergeschoben. Nach einer genau festgelegten Anzahl von Datenwörtern und Takten liegt in den Schieberegistern dann ein Signaturwert vor, der mit einem vorbekannten Signaturwert vergleich- und überprüfbar ist. Um einen Ablauf und die dabei angelegten Daten auf Fehlerfreiheit zu prüfen, genügt es, den erhaltenen Signaturwert mit dem erwarteten Signaturwert zu vergleichen.
• Problematisch wird das Verfahren und die Vorrichtung aus dem Stand der Technik dann, wenn zu einem Zeitpunkt T ein Fehler an einem bestimmten Eingang vorliegt, da dann zunächst ein falscher Wert in das betroffene Schieberegister geschrieben wird. Die berechnete Endsignatur wird deshalb von der erwarteten Signatur abweichen. Tritt jedoch zusätzlich zu einem nachfolgenden Zeitpunkt T+1 an einem nachfolgenden, insbesondere direkt nachfolgenden Eingang ein Fehler auf, so wird der ursprüngliche Fehler am ersten Eingang nach dem Verschieben durch die Schieberegister mit einer Anzahl von Takten, die dem Abstand der Eingänge und Zeitpunkte entspricht, insbesondere mit einem Takt wieder kompensiert. So werden Fehler, die zu solch problematischen Zeitpunkten und Datenwortpositionen auftreten, bei der Signaturbildung nicht bemerkt.
• Eine Möglichkeit, bei der Einspeicherung Vorsorge zu treffen, um diese Problematik auszuschließen, ist die Einspeisung des inversen Datenwortes folgend auf ein Datenwort, so dass ein Fehler in jedem Fall nicht kompensiert, sondern bemerkt wird. Dies verdoppelt aber die Anzahl der notwendigen Operationen und Takte.
• So zeigt sich, dass der Stand der Technik nicht in jeder Hinsicht optimale Ergebnisse zu liefern vermag, und es ergibt sich daraus die Aufgabe, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Beherrschung der oben genannten Problematik im Rahmen der Bildung von Signaturen zu entwickeln.
• Vorteile der Erfindung
• Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Bildung einer Signatur, wobei eine vorgegebene Anzahl an Speicherelementen eines Schieberegisters (z.B. Flip-Flops) vorgesehen ist, an welche zu prüfende Eingangsdaten bitweise und parallel als aufeinander folgende Datenwörter insbesondere mit einem vorgebbaren ersten Takt wechselnd angelegt werden und welche die Eingangsdaten in einem zweiten vorgebbaren Takt, der zweckmäßiger Weise gleich dem ersten Takt ist, seriell weiterschieben und nach einer bestimmten Anzahl von Datenwörtern und Takten eine Signatur in dem Schieberegister gebildet wird, wobei vorteilhafter Weise zusätzlich ein Codegenerator vorgesehen ist, der wenigstens eine zusätzliche Bitstelle in dem Schieberegister aus jedem Datenwort in der Signatur erzeugt. D. h. vorteilhafter Weise wird das MISR um wenigstens eine Bitstelle erweitert, wobei diese Bitstelle jeweils aus dem jeweils anliegenden kompletten Datenwort gewonnen wird und in die Signatur mit eingeht. Dadurch kann vorteilhafter Weise die Sicherheit zur Beherrschung oben genannter Problematik erzielt werden, ohne eine Vielzahl von zusätzlichen Operationen und Takten bei der Signaturbildung durchzuführen.
• Auf diese Weise erfolgt eine Fehlermaskierung bei den genannten Mehrfachfehlern mit geringstem Schaltungsmehraufwand.
• Weiterhin von Vorteil ist, dass die einzelnen Speicherelemente des Schieberegisters durch Antivalenzpunkte, also XOR-Verknüpfungen verbunden sind und auch die einzelnen Bitstellen über diese Antivalenzpunkte eingekoppelt werden.
• Ebenso ist es zweckmäßigerweise denkbar, statt einer Antivalenzverknüpfung, also einem Antivalenzpunkt einen Äquivalenzpunkt, also ein negiertes XOR zu verwenden, um einerseits die einzelnen Bitstellen der Datenwörter und andererseits wenigstens eine Bitstelle des Codegenerators in das entsprechende Schieberegister einzukoppeln.
• Vorteilhafter Weise ist der Codegenerator derart ausgebildet, dass dieser einen ECC-Code (Error Check and Correction) realisiert, wie beispielsweise einen Hamming-Code, einen Berger-Code oder einen Bose-Lin-Code, usw., um die an dem jeweiligen ECC-Code entsprechende Anzahl an Bitstellen einer entsprechenden Anzahl an zusätzlichen Speicherelementen (z.B. Flip-Flops) in dem Schieberegister zur Signaturbildung vorzugeben. Im allgemeinsten Fall kann eine Codegeneratortabelle (festverdrahtet oder in SW) verwendet werden, um einem bestimmten Eingangsmuster der Datenworte bzw. Bits ein gewünschtes Codemuster beliebiger Länge zuzuordnen. Im einfachsten Fall ist der Codegenerator vorteilhafter Weise derart ausgebildet, dass dieser ein Parity-Bit bildet und dieses einem zusätzlichen Speicherelement des Schieberegisters vorgibt.
• Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Merkmalen der Ansprüche.
• Beschreibung der Ausführungsbeispiele
• 1 zeigt eine MISR-Schaltung mit Speicherelementen 100 bis 105, insbesondere Flip-Flops und Antivalenz-, also XOR-Verknüpfungspunkten 106 bis 111. Entsprechend der Rückkopplung ist hier ein modularer Typ dargestellt. Dabei werden die Eingänge Input 0, Input 1, Input 2, Input 3, Input 4 und Input n-1 in die Speicherelemente des Schieberegisters eingekoppelt, die den entsprechenden Bitstellen der angelegten Datenwörter entsprechen sowie in einem vorgegebenen Takt eingelesen und durchgeschoben. In den Schieberegistern ergeben sich dann die Zustände X0, X1, X2, X3, X4 und Xn-1, wobei n eine natürliche Zahl größer Null ist und in diesem konkreten Beispiel sogar mindestens 6 entspricht.
• 2 zeigt ebenfalls ein MISR und ebenfalls mit den Speicherelementen, insbesondere Flip-Flops FF 100 bis 105 sowie den Antivalenz-, also XOR-Verknüpfungen 106 bis 111. Weiterhin sind zusätzlich zwei XOR-Verknüpfungen 112 und 113 dargestellt, die in diesem Beispiel nach Speicherelement 100 und Speicherelement 102 bedient werden. Es handelt sich hierbei somit um den Standardtyp eines MISR, wobei die Einkoppelpunkte, also die Antivalenzverknüpfungen 112 und 113 ebenso wie deren Anzahl beliebig in der MISR gewählt werden können. Auch hier sind die Eingänge von 0 bis n-1 dargestellt und ebenso die Zustände der Speicherelemente bzw. Schieberegister von X0 bis Xn-1 mit n∊N.
• 3 zeigt nun die Darstellung dreier Datenwörter DW1, DW2 und DW3, die in dieser Folge an die Eingänge Input 0 bis Input n-1 angelegt werden sollen. Die einzelnen Bitstellen sind mit BS0 bis BSn-1 dargestellt. Liegt nun beispielsweise zum Zeitpunkt T im Datenwort DW1, bestimmt für Input 1 ein Fehler F an und ebenso zum späteren Zeitpunkt T+1 im Datenwort DW2 also bei Input 2, so kompensieren sich diese Fehler nach dem Verschieben mit einem Takt in dem MISR. Gleiches gilt für weitere Fehlerkonstellationen, die aufgrund des Einkoppelzeitpunktes bzw. der Position im Datenwort und dem entsprechenden Input eine Kompensation zur Folge haben.
• In 4 nun wird das MISR um einen i Bit-Codegenerator 407 erweitert. Dabei stellt i ebenfalls als eine natürliche Zahl größer Null die Anzahl der Bits dar, die durch den Codegenerator in das MISR eingekoppelt werden entsprechend des verwendeten Codes bzw. ECC-Codes im Codegenerator. Entsprechend dieser Anzahl i der ausgegebenen Bitstellen des Codegenerators ist auch eine entsprechende Anzahl an Schieberegistern, hier mit 408 bezeichnet, zusätzlich zum MISR vorgesehen. Im einfachsten Fall erfolgt hier eine Parity-Bit-Bildung, so dass dann nur ein zusätzliches Speicherelement im Schieberegister vorgesehen ist und ein weiterer Input –1.
• An welcher Stelle im MISR wenigstens ein zusätzliches Speicherelement bzw. der wenigstens eine zusätzliche Einkoppelpunkt, also Antivalenz- bzw. Äquivalenzpunkt eingebracht wird, ist frei wählbar und hier nur beispielhaft dargestellt. D. h. auch hier in 4 sind wieder die üblichen Speicherelement 100 bis 105 dargestellt, wobei wenigstens ein zusätzliches Speicherelement 408 vorgesehen ist. Die Eingänge der erfindungsgemäßen Vorrichtung Input 04, Input 14, Input 24, Input 34, Input 44 und Input (n-1)4 sind hier nicht nur auf die Antivalenzpunkte, also die XOR-Verknüpfungen geführt, sondern auch dem i Bit-Codegenerator zugeführt. So wird im vorgegebenen Takt aus jedem eingehenden Datenwort eine Zusatzinformation, abhängig vom verwendeten Code (insbesondere ECC), generiert und einer entsprechenden Anzahl von Schieberegistern eingespeist. In diesem Beispiel sind als XOR-Verknüpfungspunkte die Elemente 400 bis 406 vorgesehen, wobei sich in unserem Beispiel neben dem Eingang Input –i und dem Zustand X –i des Speicherelementes 408 die üblichen Zustände X0, X1, X2, X3 und Xn-1 der Speicherelemente im Schieberegister ergeben. Die zusätzlichen Pfeile als Ausgang des i Bit-Codegenerators 407 deuten an, dass in einer anderen Ausführungsform eben mehr als nur eine zusätzliche Bitstelle in das MISR geschrieben werden, abhängig vom verwendeten Code.
• Bei Verwendung eines Hamming-Codes ergibt sich beispielsweise also bei ECC für Einzelfehlerkorrektur, bei 4 Bit Nutzdaten 3 Bit Korrekturcode. Bei ECC Ein-Fehler-Korrektur mit 8 Bit Nutzdaten ergeben sich 4 Bit Korrekturcode. Bei 16 Bit Nutzdaten ergeben sich 5 Bit Korrekturcode und bei 32 Bit Nutzdaten 6 Bit Korrekturcode. Also allgemein 2^k >= m+k+1, wobei m der Anzahl der Nutzbits als natürliche Zahl größer 0 entspricht und k den Codebits oder Korrekturbits bzw. dem Korrekturcode ebenfalls als natürliche Zahl. Soll zusätzlich eine Zweifach-Fehler-Detektion erfolgen, ist jeweils 1 Bit mehr Korrekturcode vorzusehen.
• Wird beispielsweise ein Berger-Code verwendet, sind bei 4 Bit-Nutzdaten zusätzlich 3 Codebits für 5 Zustände vorzusehen, bei 8 Bit Nutzdaten zusätzlich 4 Codebits für 9 Zustände. Bei 16 Bit Nutzdaten zusätzlich 5 Codebits für 17 Zustände und bei 32 Bit Nutzdaten zusätzlich 6 Codebits für 33 Zustände. Hier heißt es allgemein 2^k >= m+1 bzw. k >= Id(m+1), wobei m der Nutzbitanzahl der Daten entspricht und k der Codebitanzahl bzw. dem Korrekturcode.
• Auch weitere Codes, wie der Bose-Lin-Code sind hierbei möglich, wobei die Anzahl der Codierungsbits dabei gleich ist wie die des Berger-Codes aber die Prüfbits lediglich Modulo 4 oder Modulo 8 genommen werden.
• Entsprechend der Anzahl dieser Codierungsbits k ist somit auch die Anzahl der Ausgänge des Codegenerators vorzusehen, also zusätzliche Eingänge (inputs) –i, wobei i = 1 bis k ∊ N und eine ebensolche entsprechende Anzahl an Schieberegistern und Verknüpfungspunkten.
• Das MISR wird somit um mindestens eine Stelle erweitert, indem mindestens ein Parity- oder anderer Code aus den ursprünglichen Daten Input 0 bis Input n – 1 gewonnen wird und in die Signatur, hier im Beispiel in 4 für den modularen Typ (1) gezeichnet, mit eingeht. Gleiches gilt natürlich auch für den Standardtyp (2). Der Codegenerator kann somit ein Parity-Generator sein mit i = 1, wobei in diesem Fall genau ein zusätzliches Flip-Flop notwendig ist. Für den Fall, dass beispielsweise am Input 3 ein Fehler auftritt, wird zusätzlich am Input –1, also dem Parity-Input, ein veränderter Wert eingespeist. Um diesen Wert im Fehlerfall zu maskieren, ist dann genau im nächsten Takt sowohl an Input 4 als auch an Input 0 ein Fehler notwendig. Es liegt hier also ein höherer Hamming-Abstand vor und durch das notwendige präzise zeitliche Verhalten bei der Fehlermaskierung mit Doppelfehler verringert sich die Wahrscheinlichkeit der Maskierung deutlich.
• Mit einem noch höheren Aufwand an Codebits, wie oben erwähnt, kann der Hamming-Abstand beliebig weiter erhöht werden. Denkbar ist auch statt der Antivalenz- eine Äquvalenzverknüpfung zur Einkopplung zu verwenden, was ebenfalls zu einer geringeren Fehlerauslöschungswahrscheinlichkeit als im Stand der Technik führt.
• Als weitere Möglichkeit ergibt sich für den Codegenerator 407 noch eine Tabellenzuordnung, also der Einsatz einer Codegeneratortabelle, bei der abhängig von der eingehenden Bitkombination des Datenwortes eine vorgegebene Anzahl an Codebits in eine entsprechende Anzahl Schieberegister eingekoppelt wird. Durch eine solche Codegeneratortabelle ist eine beliebige Zuordnung von eingehenden Datenbits zu ausgegebenen Codierungsbits möglich.
• Zum Auslesen der gebildeten Signatur aus dem MISR ist im seriellen Fall ein Schaltmittel S vorgesehen, welches die Rückkoppelleitung unterbricht und ein Auslesen der Register seriell ermöglicht. Zusätzlich dazu kann die Rückkopplungsleitung zweckmäßigerweise auf low gelegt werden, damit die Signatur beim Auslesen nicht verfälscht wird. Dies ist in 4 an der Detaildarstellung des Schaltelementes S dargestellt, welches zum einen die Ausgabe (output ermöglicht) und darüber hinaus das Low Potential (z.B. Masse) bereitstellt. Zum Anderen besteht die Möglichkeit, wie mit dem Buchstaben P und der gestrichelten Linie angedeutet, die Schieberegister parallel und damit die Signatur in einem Zuge aus dem MISR auszugeben, um diese mit einer entsprechenden erwarteten Signatur zu vergleichen.
• Die Erfindung stellt also einen deutlich höheren Sicherheitsfaktor dar als eine gewöhnliche MISR und dies bei deutlich geringerem Aufwand als eine ständig notwendige Inversion der Datenwörter zum Ausgleich einer Fehlermaskierung.
• Damit ist die Erfindung bei allen sicherheitskritischen Anwendungen, insbesondere im Fahrzeugbereich wie bei Bremsensteuerungen (ABS, ASR, ESP, usw.), steer-by-wire, break-by-wire, also allgemein x-by-wire, Airbag, Motorsteuerung, Getriebesteuerung, usw. einsetzbar. Ebenso Einsatz finden kann die Erfindung bei Mikrocontrollern oder anderen Halbleiterstrukturen im Rahmen eines Tests sowie bei allen BIST-Strukturen (built-in self-test) und auch zur Optimierung von Produktionstests.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Bildung einer Signatur, wobei eine vorgegebene Anzahl an Speicherelementen eines Schieberegisters vorgesehen ist, an welche zu prüfenden Eingangsdaten bitweise und parallel als aufeinander folgende Datenwörter angelegt werden und welche die Eingangsdaten in einem vorgebbaren Takt seriell weiter schieben, wobei nach einer bestimmten Anzahl von Datenwörtern und Takten eine Signatur in dem Schieberegister gebildet wird dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Codegenerator vorgesehen ist, der wenigstens eine zusätzliche Bitstelle in wenigstens einem zusätzlichen Speicherelement aus jedem Datenwort in der Signatur erzeugt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Speicherelemente des Schieberegisters durch Antivalenzpunkte verbunden sind und die einzelnen Bits der Datenwörter in diese Antivalenzpunkte ebenso wie die wenigstens eine zusätzliche Bitstelle des Codegenerators zur Signaturbildung eingekoppelt werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Speicherelemente des Schieberegisters durch Äquivalenzpunkte verbunden sind und die einzelnen Bits der Datenwörter in diese Äquivalenzpunkte ebenso wie die wenigstens eine zusätzliche Bitstelle des Codegenerators zur Signaturbildung eingekoppelt werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Codegenerator derart ausgebildet ist, dass dieser einen ECC Code realisiert und die dem jeweiligen ECC Code entsprechende Anzahl an Bitstellen einer entsprechenden Anzahl an zusätzlichen Speicherelementen zur Signaturbildung vorgibt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Codegenerator derart ausgebildet ist, dass dieser ein Parity-Bit bildet und dieses an ein zusätzliches Speicherelement vorgibt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Codegenerator derart ausgebildet ist, dass dieser einen Hamming Code realisiert.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Codegenerator derart ausgebildet ist, dass dieser einen Berger Code realisiert.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Codegenerator derart ausgebildet ist, dass dieser einen Bose-Lin Code realisiert.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Codegenerator derart ausgebildet ist, dass dieser eine allgemeine Codegeneratortabelle realisiert.
10. Verfahren zur Bildung einer Signatur, wobei eine vorgegebene Anzahl an Speicherelementen eines Schieberegisters vorgesehen ist, an welche zu prüfenden Eingangsdaten bitweise und parallel als aufeinander folgende Datenwörter angelegt werden und welche die Eingangsdaten in einem vorgebbaren Takt seriell weiter schieben, wobei nach einer bestimmten Anzahl von Datenwörtern und Takten eine Signatur in dem Schieberegister gebildet wird dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Codegenerator vorgesehen ist, der wenigstens eine zusätzliche Bitstelle in wenigstens einem zusätzlichen Speicherelement aus jedem Datenwort in der Signatur erzeugt.