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引 言 隨著(zhù)科技的不斷發(fā)展，集成電路的制造工藝和設計水平得到了飛速提高，設計者能夠將非常復雜的功能集成到硅片上。將PCB板上多塊芯片的系統集成到一塊芯片內部，這個(gè)芯片就是系統級芯片，即SoC(System on Chip)。SoC芯片的特點(diǎn)主要有兩方面：第一是其高度的復雜性，第二是大量運用可重用的IP(Intellectual Property)模塊。以往的芯片設計往往只專(zhuān)注于某個(gè)特定功能的模塊設計，例如壓縮／解壓、無(wú)線(xiàn)模塊、網(wǎng)絡(luò )模塊等。而一塊SoC芯片的功能可能是多個(gè)獨立模塊的總和。另外，芯片的制造需要經(jīng)歷化學(xué)、冶金、光學(xué)等工藝過(guò)程，在這些過(guò)程中可能引入物理缺陷導致其不能正常工作。因此對芯片的測試成為必不可少的環(huán)節�？蓽y性設計(Design ForTest，DFT)是在芯片的設計階段就考慮以后測試的需要，使芯片測試更加容易和充分，并降低測試成本。一個(gè)SoC包含各種可復用的功能IP核，其中嵌入式微處理器核是其中的關(guān)鍵部分，大部分都嵌有一個(gè)或多個(gè)微處理器核以獲得最好的性能。所以，對微處理器核可測性問(wèn)題的研究越來(lái)越迫在眉睫。 1 傳統測試方法 20世紀七八十年代之前，集成電路還都是小規模電路時(shí)，測試大都通過(guò)加入激勵，探測相應的方式來(lái)完成。這種方式在電路規模不大并且頻率不快的情況下還是可行的，但是隨著(zhù)集成電路規模的增長(cháng)，功能驗證內容增多，或者需要使用異步激勵信號時(shí)，這樣的測試方式就存在局限性。為了提高故障點(diǎn)的測試覆蓋率，出現了自動(dòng)向量生成(ATPG)工具。運用ATPG算法以及強大的計算機，可以檢測到盡可能多的故障點(diǎn)。隨著(zhù)芯片規模的增長(cháng)，芯片門(mén)數相對于引腳數目的比例變得太懸殊，只通過(guò)輸入／輸出引腳進(jìn)行測試的方法幾乎不能再應用了，于是出現了另外一種基于掃描的測試技術(shù)——DFT。但當掃描鏈很長(cháng)而且數量很多時(shí)，單芯片測試時(shí)間還是很長(cháng)。同時(shí)高級測試儀器的價(jià)格急速攀升，使得BIST(Built-In Self-Test)即片內測試方法的產(chǎn)生成為必然。 2 幾種常用的BIST方法及其優(yōu)缺點(diǎn) 片內測試是節省芯片測試時(shí)間和成本的有效手段，外部測試的測試速度以每年12％的幅度增長(cháng)，而片內芯片的速度以每年30％的幅度增長(cháng)，這一矛盾進(jìn)一步推動(dòng)了BIST的應用。由于SoC芯片內部的IP種類(lèi)繁多，對不同的IP核采用不同的BIST測試方法。采用BIST技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：降低測試成本、提高錯誤覆蓋率、縮短測試時(shí)間、方便客戶(hù)服務(wù)和獨立測試。目前BIST測試方法主要有MemBIST和LogicBIST。 2．1 MemBIST MemBIST是面向嵌入式芯片存儲器的測試方式，用于測試存儲器工作是否正常。芯片內部有一個(gè)BISTController，用于產(chǎn)生存儲器測試的各種模式和預期的結果，并比較存儲器的讀出結果和預期結果。MemBIST可分為RAMBIST和ROMBIST。目前較常用的存儲器BIST算法有March算法及其變種。業(yè)界常用的工具有Mentor Graphics的MBIST Architecture。 2．1．1 RAMBIST測試結構 用RAM實(shí)現的數據Cache和指令Cache均使用普通的BIST方法。因為這兩個(gè)RAM的結構完全相同，因此為了減少面積消耗，只使用一組測試電路。在測試時(shí)有外部信號TE0、TE1分別控制RAM1、RAM2是否處于測試狀態(tài)，TE0、TE1不能同時(shí)有效。測試電路結構如圖1所示。 
測試電路結構 控制器在外部輸入信號BIST的控制下，產(chǎn)生讀寫(xiě)控制信號、訪(fǎng)問(wèn)地址和測試碼，對RAM的相應數據進(jìn)行壓縮分析，并將得到的特征值與存放在芯片中的標準特征值比較。通過(guò)兩個(gè)I／O口報告測試結果，還實(shí)現了初步的故障診斷功能。當發(fā)現有故障時(shí)，通過(guò)TAP控制器，可以將出錯的地址移出芯片，為進(jìn)一步的故障診斷和修復提供信息。 2．1．2 ROMBIST測試結構 通常使用循環(huán)冗余校驗(CRC)電路實(shí)現ROM的測試，這種方法雖然測試結果很可靠，但是需要逐位讀取信息，而對ROM的訪(fǎng)問(wèn)是每次32位，如果使用該方法則需要一個(gè)緩沖機制，并且速度會(huì )很慢。在此仍使用RAM測試中并行的數據壓縮，故障覆蓋率能夠達到要求，測試電路也比CRC電路簡(jiǎn)單。測試電路如圖2所示。
ROM可測性設計結構圖 BIST測試信號由TAP控制器的TDT口輸入，是整個(gè)測試電路的使能信號，測試過(guò)程經(jīng)過(guò)觸發(fā)后，完全在電路內部完成，結束后通過(guò)一個(gè)I／O口報告測試結果。多輸入寄存器(MISR)作為T(mén)AP控制器的數據寄存器，測試初始化時(shí)設置為初始狀態(tài)。 2．2 LogicBIST LogicBIST方法是利用內部的向量產(chǎn)生器逐個(gè)地產(chǎn)生測試向量，將它們施加到被測電路上，然后經(jīng)過(guò)數字壓縮和鑒別產(chǎn)生一個(gè)鑒別碼，將這個(gè)鑒別碼同預期值進(jìn)行比較。 LogicBIST通常用于測試隨機邏輯電路，一般采用偽隨機測試圖形生成器來(lái)產(chǎn)生輸入測試圖形，應用于器件內部機制；采用MISR作為獲得輸出信號產(chǎn)生器。由于MI-SR的結構和多輸入序列的鑒別碼的固有特點(diǎn)，這是一個(gè)多對一的映射關(guān)系。不同的輸入序列通過(guò)MISR之后可能產(chǎn)生相同的鑒別碼，這被稱(chēng)之為alias。 LogicBIST測試只能得到芯片能否通過(guò)測試的結果。一旦芯片不能通過(guò)測試，該如何確定芯片內部的故障點(diǎn)在何處呢?這就是診斷工作，不過(guò) LogicBIST對故障診斷的支持太弱，如果一塊芯片未能通過(guò)，單單憑錯誤的鑒別碼是很難確定故障點(diǎn)在何處的。有時(shí)會(huì )出現芯片內部多個(gè)故障點(diǎn)的共同作用使得鑒別碼反而是正確的現象，這被稱(chēng)之為漏測試。它產(chǎn)生的概率非常小，也有算法來(lái)盡量減小漏測試發(fā)生的概率。其中一種方法是將正確的序列輸入，和正確的鑒別碼作單一映射，其他的錯誤輸人一定得到錯誤的鑒別碼。這種方法對MISR、PRRG以及CUT都需要具體分析，以改變其結構或者PRPG的生成順序。 結 語(yǔ) 本文介紹了SoC片上嵌入式微處理器核可測性技術(shù)的研究現狀；介紹了設計時(shí)在電路中植入相關(guān)功能電路，用于提供自我測試功能的技術(shù)，以降低器件測試對自動(dòng)測試設備(ATE)的依賴(lài)程度。BIST技術(shù)可以實(shí)現自我測試，也可以解決很多電路無(wú)法直接測試的問(wèn)題(因為它們沒(méi)有外部引腳)。 可以預見(jiàn)，在不久的將來(lái)即使最先進(jìn)的ATE也無(wú)法完全測試最快的電路，這也是采用BIST的原因之一。但是BIST也存在一些缺點(diǎn)，如額外的電路會(huì )占用寶貴的面積，會(huì )產(chǎn)生額外的引腳和可能出現測試盲點(diǎn)等。BIST技術(shù)正成為高價(jià)ATE的替代方案，但是目前還無(wú)法完全取代ATE，他們將在未來(lái)很長(cháng)一段時(shí)間內共存。 參考文獻 1. Bushnell Michael L,Agrawal Vishwani D.Essentials of Electronic Testing for Digital,Memory and Mixed-Signal VLSI Circuits[M].Boston:Kluwer Academic Publishers,2000:456-485. 2. Semiconductor Industry Association (SIA).International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS),1999. 3. 高樹(shù)靜,沈勝宇,李思坤,等.嵌入式微處理器核的可測性設計技術(shù)研究[J].計算機工程及應用,2002(16):218-222. 4. 李華偉,李曉維,尹志剛,等.可測性設計技術(shù)在一款通用CPU芯片中的應用[J].計算機工程及應用,2002(16):191-194. 5. 虞美蘭,丁琳.互連內建自測試技術(shù)的原理與實(shí)現[J].微計算機信息,2008(1). 6. Petlin O A,Furber S B.Built-In Self-Testing of Micropipelines[C].Taxes:ICCD,1996. 作 者：景德鎮陶瓷學(xué)院 江伴東 牛軍偉 汪志成 來(lái)源：《單片機與嵌入式系統應用》2009（9） |
