16. Elektronik-Stammtisch: Logic Analyzer
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- Markus Fiedler
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1 16. Elektronik-Stammtisch: Logic Analyzer Axel Attraktor e.v. 6. Mai 2013 Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
2 Was ist ein Logic Analyzer Messgerät für digitale Signale Spannungsverläufe werden an Eingängen digital interpretiert Digitale Signale werden so gemessen, aufgezeichnet und analysiert Viele Eingänge die gleichzeitig genutzt werden Besonders für parallele Bus-Systeme geeignet Digitaler Verwandter des Oszilloskop Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
3 Übersicht: Verwendung eines Logic Analyzers Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
4 Übersicht: Verwendung eines Logic Analyzers Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
5 Warnhinweis: Die Aussagen in diesem Vortrag sind bis ca. 50 MHz zugelassen! Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
6 Wofür setzt man Logic Analyzer ein? (I) Prüfen der digitalen Kommunikation zwischen zwei Chips oder Geräten. (Daten-/Adress-Bus, SPI/I 2 C) Entwicklung von Low-Level Bibliotheken zur Chip-Ansteuerung Verifikation von Verhalten Debugging von Code- oder Logik-Fehlern Debugging von Firmwares und Programmcode Reverse Engineering(!) Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
7 Wofür setzt man Logic Analyzer ein? (II) Reverse Engineering von Protokollen, Schnittstellen und Geräten! Device Hacking! Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
8 Wofür setzt man Logic Analyzer ein? (III) Chip-Entwicklung (ASICs) Entwicklung von Speicher-Controllern und -Bussen FPGA-Entwicklung Diese Anwendungsfelder kommen im Hobby-Bereich eher selten vor. Logik-Analyzer die hierfür tauglich sind, sind außerhalb eines Hobby-Budgets! Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
9 Wofür setzt man Logic Analyzer eher nicht ein? Eher nicht zur Analyse von Übertragungsfehlern Timing-Probleme Eingestrahlte Störungen Bandbreitenbegrenzung/Dämpfungs Spannungs-Level Um mit einem Logic-Analyzer halbwegs frustfrei zu arbeiten sollten auf der analogen Ebene möglichst keine Probleme bestehen! Bei Fehlersuche ggf. vorher/gleichzeitig zum Oszilloskop greifen! Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
10 Wie funktioniert digitale Übertragung? Eine Spannung wechselt über die Zeit zwischen zwei Werten: High und Low Low: Meistens 0 Volt, kann aber auch darüber oder darunter liegen High: Oft 5 Volt oder 3,3 Volt; Höher als Low High und Low können, müssen aber nicht den Binärwerten 0 und 1 entsprechen1. Dies hängt von der Codierung ab! Sender legt Spannungen an, Empfänger interpretiert, was er sieht Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
11 Wie funktioniert digitale Übertragung? Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
12 Wie funktioniert digitale Übertragung? (II) Digitale Formate mit mehr als zwei Spannungswerten können für Logik Analyzer ein Problem darstellen. Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
13 Empfang von digitalen Signalen Medien sind nicht perfekt, ihre Bandbreite ist immer begrenzt. Perfekte Rechteck-Wellenformen würden eine unendliche Bandbreite erfordern. Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
14 Empfang von digitalen Signalen Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
15 Empfang von digitalen Signalen In der Praxis treten sehr viele weitere Probleme auf! Eingestrahlte Störungen (Platine oder von extern, z.b. Schaltnetzteile, Leuchtstoffröhren) Unsauberkeiten des Senders Messfehler beim Empfänger Probleme mit Kontakten/Lötstellen (insb. bei Experimentierplatinen) Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
16 Empfang von digitalen Signalen Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
17 Interpretation durch den Logic Analyzer oder Empfänger Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
18 Interpretation durch den Logic Analyzer Defintion einer Schwellwertspannung Alles, was darüber liegt ist High, alles darunter ist Low Definition, wann der Zustand der Leitungen interpretiert wird Angeschlossene Leitungen werden nach Start der Aufzeichnung kontinuierlich gelesen und so eine Bit-Folge erzeugt. Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
19 Vergleich zwischen Logic Analyzer und Oszilloskop Logic Analyzer und Oszilloskop haben viele Gemeinsamkeiten, aber auch viele Unterschiede. Logic Analyzer eher ein Spezial-Gerät interpretiert digital bis zu hunderte von Eingängen immer digital speichert immer meist sehr komplexe Trigger verdeckt große Teile des Signals aufzeichnung einzelner Bitfolgen sehr billig bis extrem teuer Oszilloskop Standard-Gerät interpretiert analog 2 oder 4 Eingänge analog oder digital speichert, wenn digital eher einfache Trigger zeigt das ganze Signal häufig für periodische Signale teuer bis absurd teuer Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
20 Typen von Logic-Analyzern: klassische Stand-Alone Geräte Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
21 Typen von Logic-Analyzern: PC-basierte Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
22 Typen von Logic-Analyzern: Mixed-Signal Oszilloskop Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
23 Kenndaten eines Logic Analyzers Maximale Abtastrate in MHz? (je Modus) Speichergrösse Anzahl der Eingänge Trigger-Arten Protokolle und Decoding-Möglichkeiten Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
24 Verwendung eines Logic Analyzers Masse (GND) verbinden Clock (CLK) verbinden (falls benötigt/vorhanden) Weitere Datenleitungen verbinden (freie aus dem Weg räumen oder erden) Verkabelung im Logic Analyzer abbilden Trigger konfigurieren Starten! Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
25 Alternativen zu Einzel-Sonden Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
26 Kenndaten eines Logic Analyzers Maximale Abtastrate? In welchem Modus? Mit wievielen Eingängen? Anzahl der Eingänge Speichertiefe Bei welcher Geschwindigkeit? Kompression? Trigger Welche Arten? Einfach/Komplex? Kombinierbar? Protokoll-Dekotierung Spannungs-Level und viele weitere, die hauptsächlich bei höheren Frequenzen relevant werden.. Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
27 Spannungsniveaus und Sampling Zu jedem Sampling-Zeitpunkt werden alle Eingänge gelesen und deren digitaler Wert bestimmt. Störungen Alle Eingänge werden rein Digital gelesen, Gefahr eines Blindflug Spannungsniveau hängt von der Logik-Familie ab TTL (0V/5Volt): Schwellwert: 1,4 Volt CMOS (0V/3,3Volt oder 5Volt): V cc /2: 2,5V oder 1,5Volt In der Praxis sind 1,5 Volt meist ok. Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
28 Analyse Methoden Zeit-Analyse (Time Analysis) Leitungen werden in festen Zeit-Abständen gemäss interner Uhr gelesen Hohe Abtastrate Zustands-Analyse (State Analysis) Leitungen werden auf Grund externer Ereignisse gelesen Stark Reduzierte Abtastrate (Hälfte und weniger) ähnlich einem Trigger Man verwendet meistens Zeit-Analyse Speicherung der Analysedaten Speicherung in Speicher-Worten Optional Speicher-Kompression Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
29 Triggering Arming, Trigger, Aufzeichnen, Ende Arming: Abhören der Leitungen und warten auf den Trigger Trigger: Bedingung, die die Aufzeichnung auslöst Aufzeichnungs-Fenster: Vor und/oder nach dem Fenster Aufzeichnung daher schon während der Arming-Phase Aufzeichnnugs-Zeitraum ist fest, Position des Triggers darin ist wählbar Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
30 Interner Aufbau eines Logic Analyzers Eher einfach aufgebaut Analoger Teil Sonden Digitaler Buffer oder A/D-Wandler Digitaler Teil Sampling-Speicher Trigger-Logik Speicherung/Anzeige Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
31 Interner Aufbau eines Logic Analyzers (II) Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
32 Protokoll-Decoding Viele Logic-Analyzer unterstützen Protokoll-Dekodierung. Leitungen werden Rollen in einem Protokoll zugewiesen (z.b. Clock, Data, Chip Select) Serielle Protokolle: SPI, I2C, UART, USB Parallel: Adresss- und Speicherbusse (Adress- und Inhalts-Dekodierung) Wird als weitere, virtuelle Leitungen eingeblendet Bei Dekodierung nach der Aufzeichnung nur für die Anzeige Bei Dekodierung in Echtzeit können diese für Trigger verwendet werden Triggering auf bestimmte Werte/Befehle Triggering auf Protokoll-Fehler Echtzeit-Decoding meist nur bei teureren Geräten Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
33 Protokoll-Decoding (II) Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
34 Open Bench Logic Sniffer Open Hardware von dangerousprototypes.com (etwa 45Euro) 100MHz sampling bei 16 Eingängen (oder Verschiedene Clients (OLS Erweiterbar da Open Source! Sehr gut für Protokoll-Decoder! Java 216K RAM Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
35 Open Bench Logic Sniffer (II) Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
36 Intronix Logicport Kommerzieller, PC-basierter Logic-Analyzer (etwa 350Euro) 34 Eingänge 500MHz sampling bei zeitbasierter Aufzeichnung 200MHz sampling bei zustandsbasierter Aufzeichnung 34 x 2048 samples (unterstützt Sample Compression) Einstellbare Spannungs-Schwellwerte Decoding diverser, serieller Protokolle Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
37 Intronix Logicport (II) Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
38 Hewlett Packard 1663C Kommerzieller, klassischer Logic-Analyzer (ca 15 Jahre alt, war mal sehr teuer ) 34 Eingänge 500MHz sampling zeitbasiert, 100MHz sampling zustandsbasiert 4k samples (8k bei Hälfte der Channels) Einstellbare Spannungs-Schwellwerte Sehr(!) umfangreiche und komplexe Mehrstufen-Trigger möglich! paralleles Decoding (Zahlen, ASCII, leider keine Protokolle) interne Festplatte :) Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
39 Hewlett Packard 1663C Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
40 Zusammenfassung: Logic Analyzer sind eine sehr nützliche Sache! Sie sind relativ einfach einzusetzen (bei geringen Frequenzen) so lange man weiss, was schief gehen kann und wo Grenzen sind. Insbesondere zum Reverse Engineering digitaler Schnittstellen sind sie sehr nützlich Axel (Attraktor e.v.) 16. Elektronik-Stammtisch 6. Mai / 40
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