（测试计量技术及仪器专业论文）系统芯片（soc）内嵌数字芯核的测试数据压缩技术研究.pdf

摘要 摘要 微电子技术的迅速发展促进了系统芯片 ( s o c ) 的出现， 并由此将集成电路 带入了一个新的发展时期。由于 s o c采用的是以复用 工 p 芯核为主的设计技术， 且将整个系统 ( 或子系统)映射到单个芯片上，因而既能加快开发进度，又可 缩小产品体积、 提高系统整体性能。 但随 着s o c集成ip核数目的增多， 功能越 来越复杂，s o c的测试数据量、测试功耗也随之急剧增加，其测试访问 也变得 更加困难，进而也就为s o c的测试带来了更大的挑战。对此，本论文围绕s o c 内嵌数字芯核的测试数据压缩问题展开了 研究，并针对不同的情况提出了不同 的压缩/ 解压方案;文中同时还就s o c测试t a m及j t a g主控制器的设计问题 进行了 探讨。作者的主要工作有如下四个方面: 1 .研究了如何以较小面积开销为代价， 而仍能获得良 好压缩性能的s o c测 试数据压缩解压方案。内 容包括有: 日在理论上分析了v i h c编码的 不足，指出了该编码在提高压缩性能和降低解码器硬件开销之间存在着 较大的矛盾， 且当0 - 概率p 的取值愈趋近于1 时， 该矛盾将变得越来越 严重:( 2 )提出了一种新的变移霍夫曼编码压缩方法，该方法不同于 v i h c编码的是它充分考虑了待压缩序列中样式消息( p m) 的概率分布， 且根据其分布规律将p m分为了主辅两段，并分别用不同的方法进行了 编码: ( 3 ) 利用样式消息自 身的结构特点， 研究了进一步减少h s c解码 器硬件开销的途径;( 4 ) 应用 i s c a s 8 9电 路的实验，验证了本文方法 在提高压缩性能和降低硬件开销方面， 均具有较大优越性。该方法主要 适用于。 一 概率p 较大的情况。 2 .对二维 s o c测试数据压缩方法进行了 研究。提出了一种基于重复播种 ( r e s e e d i n g ) 和g o l o m b 编码的二维s o c测试数据压缩/ 解压方案， 为 0 - 概率p 取值较小时，用一维编码压缩得不到理想结果的情况下， 提供 了一种新的解决途径。本文同时还给出了r e s e e d i n g优化及一种确定 g o l o m b码参数rn的方法，以 进一步提高压缩比、并减少对应编码工作 的计算量。最后利用相应的国际标准电 路验证了该方案的有效性。 电子科技火学博十论文 研究了降低s o c扫描测试功耗下的编码压缩方法。 本文在引入功耗估算 及wt m模型的基础上，根据最小跳变次数映射准则 ( mt c )映射后， 所得待压缩 0 , 1 ) 序列的特点，提出了一种基于对称霍夫曼( s h c ) 编码 的压缩/ 解压方案;并给出了相应s h c解码器的设计，推导了整个s h c 方案的测试应用时间 ( t a t ) 。利用 i s c a s 8 9电路的实验结果表明，该 编码不仅能显著降低扫描测试功耗、 减少t a t ， 而且还可利用h s c编码 思路来降低解码器的硬件开销，以增加其灵活性。 探讨了几种典型的、 基于总线的s o c测试访问机制( t a m) ， 并着重指出 了i e e e 1 1 4 9 . 1 t a p 接口 在s o c 测试中的应用: 随后结合“ 边缘扫描测 试技术” 项目 的需求， 给出了 一种基于f i f o结构的j t a g主控芯核设 计方案，并由此实现了一个四路j t a g主控制器的设计;实验结果表明 该设计 具有扫描速 度高、占 用 硬件资 源少的 优点; 不仅能 满足边界 扫描 测试的要求，而且还可与测试数据压缩方法相结合，提供一种可供选用 的、低成本的 s o c测试方案。 关键词: s o c测试，内 嵌芯核， 数据压缩， 解码器， 测试访问 机制， j t a g 主控制器 ab s t r a c t a b s t r a c t t h e r a p i d p r o g r e s s i n m i c r o - e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y p r o m o t e s t h e a d v e n t o f s y s t e m - o n - a - c h i p ( s o c ) , w h i c h b r i n g s i n t e g r a t e c i r c u i t ( i c ) i n t o a n e w p e r i o d o f d e v e lo p m e n t . t h e d e s i g n o f s o c m a i n l y a d o p t s t h e t e c h n i q u e o f r e u s a b l e i n t e l l e c t u a l - p r o p e rt y ( i p ) c o r e s , a n d m a p s t h e w h o l e s y s t e m ( o r s u b s y s t e m ) t o a s i n g l e c h i p , s o i t c a n a c c e l e r a t e th e p r o c e s s o f d e v e l o p m e n t , s h o rt e n t h e s i z e o f p r o d u c t , a n d i m p r o v e t h e s y s t e m p e r f o r m a n c e . h o w e v e r , w i t h t h e i n c r e a s e i n t h e n u m b e r o f i p c o r e s i n t e g r a t e d , a n d it s f u n c t i o n b e c o m i n g m o r e c o m p l e x , t e s t d a t a v o l u m e a n d t e s t p o w e r c o n s u m p t i o n f o r s o c g r o w q u i c k l y , t e s t a c c e s s i s a l s o m o r e d i f f i c u l t . a l l t h e c a s e s p o s e t h e m o r e c h a l l e n g e s f o r s o c t e s t . t h i s d i s s e r t a t i o n m a k e s r e s e a r c h in t e s t d a t a c o m p r e s s i o n o f s o c e m b e d d e d d i g i t a l c o r e s , a n d p r o p o s e s s e v e r a l c o m p r e s s i o n / d e c o m p r e s s i o n s c h e m e s f o r d i ff e r e n t c a s e s ; i n t h e m e a n t i m e , i t a l s o d i s c u s s e s t e s t a c c e s s ma c h i n e ( t a m ) f o r s o c t e s t a n d t h e d e s i g n o f j t a g c o n t r o l l e r . a u t h o r s m a i n w o r k c o n c e n t r a t e s o n f o u r a s p e c t s a s f o l l o w s : 1 . t h e s c h e m e o f s o c t e s t d a t a c o m p r e s s i o n / d e c o m p r e s s i o n i s s t u d i e d t h a t c a n h a v e g o o d c o m p r e s s i o n p e r f o r m a n c e a t l e s s c o s t o f a r e a o v e r h e a d . ( 1 ) t h e o r e t i c a l l y a n a l y z i n g t h e l a c k o f v i h c c o d e f o r t e s t d a t a c o m p r e s s i o n , t h i s d i s s e rt a t i o n p o i n t s o u t t h e c o n fl i c t o f v i h c c o d e b e t w e e n i m p r o v i n g c o m p r e s s i o n p e r f o r m a n c e a n d l o w e r i n g t h e a r e a o v e r h e a d o f d e c o d e r , a n d t h e c o n fl i c t w i l l b e c o m e w o r s e w h e n 0 - p r o b a b i l i t y p a p p r o a c h e s o n e ; ( 2 ) a n e w c o m p r e s s i o n m e t h o d b a s e d o n h u f f m a n s h i ft c o d i n g ( h s c ) i s p r e s e n t e d . t h e m e t h o d , w h i c h d i f f e r s fr o m v i h c c o d e , a d e q u a t e l y c o n s i d e r s t h e p r o b a b i l i t y d i s t r ib u t i o n o f p a t t e rn m e s s a g e s ( p m) i n t h e s e q u e n c e s b e i n g c o m p r e s s e d . o n t h e b a s i s o f d i s t r i b u t i o n r u l e , t h e p m a r e s e p a r a t e d i n t o tw o g r o u p s , w h i c h a r e s e p a r a t e l y e n c o d e d u s i n g d i ff e r e n t m e t h o d s . ( 3 ) u t i l i z i n g th e p ms s t r u c t u r e c h a r a c t e r s , t h e a p p r o a c h l o w e r i n g h s c d e c o d e r h a r d w a r e o v e r h e a d i s d e v e l o p e d ; ( 4 ) t h e e x p e r i m e n t s f o r i s c a s 8 9 d e m o n s t r a t e t h a t o u r m e t h o d i s m o r e s u p e r i o r i n b o t h i m p r o v i n g c o m p r e s s i o n p e r f o r m a n c e a n d l o w e ri n g th e h a r d w a r e o v e r h e a d . t h e m e t h o d i s v e r y a p p l i c a b le w h i l e p i s l a r g e 2 . a t w o - d i m e n s i o n a l t e s t d a t a c o m p r e s s i o n s c h e m e f o r s o c b a s e d o n r e s e e d i n g a n d g o l o m b c o d e i s p r o p o s e d . i t s u p p l i e s a n o v e l s o l u t i o n i n t h i s i n s t a n c e t h a t a n i d e a l r e s u l t c a n t b e a c h i e v e d w i t h o n e - d im e n s i o n a l t e s t d a t a c o m p r e s s i o n w h e n 百 片 1 电子科技大学博士论文 0 - p r o b a b i l i t y p i s s m a l l e r . a t t h e s a m e t i m e , t h i s p a p e r g i v e s t h e w a y o f r e s e e d i n g a n d d e t e r m u i i n g g o l o m b c o d e p a r a m e t e r m i n o r d e r t o i m p r o v e c o m p r e s s i o n r a t i o a n d r e d u c e t h e c o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t y f o r t h e e n c o d i n g . f i n a l l y , t h e v a l i d i t y o f t h e s c h e m e i s p r o v e d b y t h e e x p e r i m e n t s w i t h c o r r e s p o n d i n g i n t e rna t i o n a l b e n c h ma r k c i r c u i t s . 3 . o n t e s t d a t a c o m p r e s s i o n u n d e r t h e p r e c o n d i t i o n o f d e c r e a s i n g s o c s c a n t e s t p o w e r . a ft e r i n t r o d u c i n g p o w e r e s t i m a t i o n a n d wt m m o d e l , t h e d i s s e rt a t i o n , i n t e r m o f t h e c h a r a c t e r s o f t h e s e q u e n c e s o b t a i n e d w i th min i m u m t r a n s i t i o n c o u n t ( mt c ) , p u t s f o r w a r d a c o m p r e s s i o n / d e c o m p r e s s i o n s c h e m e b a s e d o n s y m m e t r i c h u f f m a n c o d i n g ( s h c ) ; t h e n s h c d e c o d e r i s d e s i gne d , a n d t e s t a p p l i c a t i o n t im e ( t a t ) f o r t h e w h o l e s c h e m e i s a l s o c a lc u l a t e d . t h e e x p e r im e n t a l r e s u lt s f o r i s c a s 8 9 s h o w t h a t s h c c o d e c a n n o t o n l y d e c r e as e s c a n p o w e r a n d r e d u c e t a t , b u t a l s o l o w e r s i g n i f i c a n t l y d e c o d e r s h a r d w a r e o v e r h e a d a n d e n h a n c e i t s a d a p t a b i l i t y b y c o m b i n i n g wi t h hs c c o d e 4 . s e v e r a l k i n d s o f t y p i c a l t a m b a s e d o n t e s t b u s a r e d i s c u s s e d , a n d t h e u s a g e o f i e e e 1 1 4 9 . 1 t a p i n s o c t e s t i s e s p e c i a l l y e m p h a s i z e d . s u b s e q u e n t l y , t h i n k i n g o v e r t h e r e q u i r e m e n t o f t h e p r o j e c t t h e t e c h n i q u e o f b o u n d a r y s c a n t e s t , t h e s c h e m e o f t h e j t a g m a s t e r c o r e s e m p l o y i n g f i r s t - i n - f i r s t - o u t ( f i f o ) i s g i v e n . t h e j t a g c o n t r o l l e r , w h i c h c a n s u p p o rt s f o u r i n d e p e n d e n t j t a g p o rt s , i s d e s i gne d w i t h t h e c o r e . b y e x p e r i m e n t s , w e v e r i f y t h a t t h e c o n t r o l l e r h a s a d v a n t a g e s o f h i g h s c a n s p e e d a n d l o w - c o s t h a r d w a r e o v e r h e a d ; i t n o t o n l y c a n m e e t th e r e q u i r e m e n t o f b o u n d a r y s c a n t e s t , b u t a l s o m a y b e c o m b in e d w i th t e s t d a t a c o m p r e s s i o n t o p r o v i d e a s e l e c t e d a n d l o w- c o s t s c h e me f o r s oc t e s t . k e y wo r d s : s y s t e m - o n - a - c h i p t e s t , e m b e d d e d c o r e s , d a t a c o m p r e s s i o n , d e c o d e r , t e s t a c c e s s me c h a n i s m , j t a g c o n t r o l l e r i v 第一章绪论 第一章绪论 随着微电子技术的迅速发展，芯片集成度的显著增加，现在在单一硅片上 已能集成上亿计的晶体管。这使得原来要由多个芯片才可以实现的复杂系统被 完 全集 成在单 个芯片上成为 可能， 从而 促进了 系统芯片 ( s y s t e m - o n - a - c h ip , s o c ) 的出 现。 系统芯片一方面不仅能 够缩小系统的体积、 降低成本， 满足市场 对小型化、 低功耗设备的要求， 还可以 减少板级系统 ( s y s t e m - o n - b o a r d , s o b ) 芯片间的互连延迟时间，进而提高整个系统的性能;另一方面更为突出的是它 能 够通过复 用大量具有自 主知识产权 ( i n t e l l e c t u a l p r o p e rt y , i p )的 芯 核， 缩短 开发周期，加快产品上市时间 ( t i m e t o ma r k e t , t t m) 。尽管s o c技术为集成 电路的设计带来了诸多优点，但同时也为如何有效地测试这些越来越复杂的 s o c ， 带 来了 更大的 挑 战u ， 为 此 在该 测 试 领 域已 引 起了 国内 外 厂商 及专 家 学者 们的极大关注2) 1 . 1 研究的背景及意义 目 前，s o c技术己崭露头角，越来越多的板级系统 ( s o b )及子系统正逐 步为系统芯片( 亦称片上系统， s o c ) 所取代。 图l - 1 中分别给出了s o b和s o c 各自 的 开发流程【习 ， 很明 显两者非常 类似， 但它 们的 测试却存 在着很大不同。 对传统的s o b来说，安装在p c b板上的i c器件是 s o b中的部件，因此 s o b的开发可分为i c器件和系统集成设计两部分 ( 如图1 - 1 ( a ) ) 。 前者的设计、 生产及测试主要由i c器件供应商负责;而系统集成商则主要负责整个系统 即 后者)的设计、生产和测试。由于i c器件已通过了供应商的生产测试，通常可 假定它们没有故障， 所以s o b的测试主要集中在i c间的互连测试及系统的整体 功能测试上。 相比较而言，当前的s o c开发同样可分成两个部分，即i p核和s o c集成 设计 ( 如图1 - 1 ( b ) ) 。 不同的是s o c集成的i p 核为虚拟部件， 其主要原因在于 工 p核实际上是以某种核设计描述形式来提供的，它并没有真正通过实物的形式 制造出来，因而核供应商不可能对它们进行具体的生产测试。这样一来，s o c 第一章绪论 速度提高 151 。 两者差距不断地扩大， 无疑降 低了 外部a t e 设备正确区分故障芯片 的能力。更为严重的是:在芯片集成度、管脚数目 、工作时钟等方面增长迅速 的同时， a t e设备的 工 /0 通道数、速度、精度及数据存储深度等方面的提高都 受到了限制， 这也就为s o c的测试带来了非常大的障碍。 本世纪将是s o c技术真正快速发展的时期， 为了不使s o c测试成为制约该 技术发展的“ 瓶颈” ， 同时也为了让我国能紧紧跟上国际微电子技术发展的步伐， 对s o c测试领域展开相关理论和方法的研究，无论是理论上还是在实际应用中 均具有十分重要的意义。 1 . 2 国外研究现状 1 . 2 . 1测试资源划分技术的研究现状 用一个可接受的代价， 来解决急剧增长的s o c 测试数据和有限的a t e 传输 带宽之间的 矛盾， 正变得愈来愈困 难， 测试资源划分( t e s t r e s o u r c e p a r t i t i o n t r p ) 对此提供了 一种颇具前途的 解决方案(2 ) . 1 5 - 2 11 。 在t r p技术的 研究方面，总体上 可归为以下三个方面: ( 1 ) 测 试 集 紧 缩 ( t e s t s e t c o m p a c t i o n ) e - j 。 该 技 术 主 要 通过紧 缩部 分 带 有无关位 ( d o n t c a r e b i t s )的测试立方 ( t e s t t u b e s ) ， 来减少测试数据量， 其 优点是不需要投入附加的硬件开销。 通常测试集的紧缩可用动态或静态的途径来实 现， 动态紧缩22 - 2 6 1 是在测试生 成过程中 进行的，因 此它常常需要修改测试生成器; 而静态紧缩2 7 - 2 9 1 . 2 3 则是对 已得到的 测试集作后处理，以保证不降低故障覆盖率 ( 指固定型故障)的前提 下缩短测试集长度，它不依赖于测试生成过程本身。 早在芯片集成度不高，而采用可测试性设计方案时又存在有较大局限性的 情况下，就有不少学者对测试集紧缩展开了探讨，到目 前为止还不断有相关的 研究 见 诸 报 道 s9 . 3 31测 试紧 缩的 结 果将 直 接导 致 用于 芯 片 测试 矢量数目 的 减 少， 它的 不 利之处 在于 其非 模型 故障的 覆盖率 要受 到影响34 1 ( 2 ) 内 建自 测试( b u i l d - i n s e l f - t e s t , b i s t ) s 5 1 a b i s t 的 基本思想是 利用 芯片本身所带有的测试生成器 ( t e s t p a tt e rn g e n e r a t o r , t p g ) ，在片上直接生成 测试矢量，以降低对 a t e的要求。常采用的 t p g有基于线性反馈移位寄存器 电子科技大学博士论文 ( l i n e a r f e e d b a c k s h i f t r e g i s t e r , l f s r )的t p g和基于细胞自 动机 ( c e l l u l a r a u t o m a t a , c a )的t p g等方案3 5 - 3 8 ) 由于b i s t 生成的多是伪随机测试矢量， 测试时通常要引入随机难侦查故障 ( r a n d o m r e s is t a n t f a u lt ) ， 故 存 在 着故 障 覆盖 率 不高、 测 试 序列 较 长的 弊 端44 1 0 对此虽然可以 通过加权随机矢量测试、 混合模式的b i s t 等方法来进一步提高测 试效率， 获 得更高的 故 障覆盖率45 3 2 1 ; 但随 着电 路规模的 扩大， 难测故障的 增多， 要付出的 硬件开销将显著增加。 因此b i s t目 前仅在存储器的测试中获得了较为 成 功的 应 用6 3 - 5 5 1 ， 相比 之下在逻辑 功能 测 试方面 还显 得不太成熟; 而且只 有当i p 核具备有b i s t 结构时，s o c的设计才可能考虑采用b i s t的测试方案。 ( 3 ) 测 试 数 据 压 缩( t e s t d a t a c o m p r e s s i o n , t d c ) 6 1 . “ 。 ，、 5 9-7 21 o t d c 主 要 采用的是无损数据压缩的方法，来压缩预先计算的测试数据，然后通过片上解 码器进行解码1 9 1 1 5 5 - 7 2 1 。 它同样是将一些测试资 源从a t e 移入到芯片中( 在这点 上 与 b i s t类似) ，以达到减少测试数据量、 缩短测试时间的目 的，并能允许使 用低速a t e而不降低测试质量。该技术是目 前在如何有效减少s o c测试数据、 降低a t e 要求方面的一个重要研究方向。近年来这方面具有代表性的工作有: a .j a s 等人针对连续的 测试矢量中、仅有少数位上的取值不相同的事实，提 出了 用压 缩差 分矢量 序列t d iff 来 代替 直接 压缩测 试矢量 序列t d 的 方案16 9 1 。 由 于 这样可提高待压缩 0 . 1 序列中 0 的个数，相当于增加了信源的冗余度，因而 可提高压缩效果;而在解压时， 则使用了一循环扫描链来将片上解压所得的t d iff 最终还原成 t d e a .c h a n d r a 和k .c h a k r a b a r ry则在此基础上， 相继提出了 采用编码效率较高 的 压缩编码方 法， 如: g o l o m b 0 0 0 6 11 , f d r 65 1 编 码等。 而且 通过实验， 证明了 使用t d iff 及循环扫描链并不总是必须的， 有时直接编码t d 也能获得显著的压缩 效果。 此外， 该作者还在文献【 6 2 中 进一步探讨了 如何利用g o l o m b , f d r编码， 来取得更为有效的压缩效果。 为了减少因片上解码器而带来额外的面积开销，文献 6 3 则采用了一种统 计编 码 ( s t a t i s t i c a l c o d i n g , s c ) 的 方案， 仅 对出 现次 数较多的 样式( p a t t e r n s ) 进行编码，以简化解码器的设计。 p t g o n c i a l 等人则利用h u ff m a n 码为最优编码的特点， 提出了 一种变长输入 霍 夫 曼 编 码 e at ( v a r i a b le - l e n g t h i n p u t h u ff m a n c o d in g , wh o， 以 获得更 佳的 压 第一章绪论 缩效果。 应该指出的是， 上述t d c都是针对测试激励进行的; 关于测试响应的压缩， 目 前的研究大多集中在零混叠空间 压缩、 时间压缩等方面, : - 在本文后面章节 中所研究的t d c ，主要指的是前者 ( 即侧试激励) 。 1 . 2 . 2低功耗测试技术的研究现状 日 趋小型化的 i c设计、以及为保证测试质量应更多地进行快速测试 a t - s p e e d t e s t )的要求，给功耗和散热之间带来了 更大的矛盾。二者的双重作用， 使得对低功耗的测试需求正变得愈来愈迫切。 对此前人已作了大量工作， 并提出 了多种解决方案(i s e o ， 具体来说有: . 低功耗自 动测试矢量生成 ( a t p g ) 利用该技术生成的矢量除了满足所需要的故障覆盖率之外，另一主要目的 是能减少测试功耗。 s .w a n g 等人提出的一种新的 路向 判决法( p o d e m) r ; ， 即是 如此，它在生成测试矢量的过程中，能通过灵活地指定无关位的值， 使作用在被 测电 路 ( c u t )上两相邻的矢量所引起的跳变次数最少，以 达到降低测试功耗 的目的。其缺点是增加了测试矢量的数目。 . 矢量排序及扫描链路重排 如果在测试过程中能降低移位操作时扫描链路中的开关动作，也就相应减 少了 测试中的功率消耗，这可通过矢量排序或重排扫描链路来实现。 在s .c h a k r a v a rt y 和v d a b h o lk a r 所做的 工作中 1 ， 构 建了 一 个 完全 有向 图， 图中每个顶点代表一个矢量，每个边代表对电路施加该矢量后所引起的开关动 作。接着他们使用了一种贪婪的算法去寻找图中最小代价的哈密顿路径，从而 得到排序后的矢量。该方法在c u t较大且需要大量的测试矢量来保证故障覆盖 率时，矢量排序的工作将变得非常大。 当不改变原有测试序列时，可由可测性设计工程师重新排列扫描触发器的 顺序来降低测试功耗，这些触发器能连成一个扫描链路作为移位寄存器使用。 v d a b h o lk a r 等人提出了两种启发式的搜索方法对扫描触发器进行排序，其中一 种为随 机启发式 排 序， 另一 种为 模拟退火 法(am 。 实 验结 果显示该方法能 减少测 试 功耗 1 0 %一2 5 %. . 低功耗测试矢量生成器 ( t p g ) 电子科技大学博上 论文 该 方案常用于b i s t或基于扫描的b i s t中。 对于b i s t , s .w a n g 等人提出 了一种基于双速l f s r的低功耗t p g ( 0 ， 以 减少整个电 路内 部的跳变密度， 从而 降低平均功率和能量消耗;e c o rn o 则提出了另一种基于细胞自 动机的低功耗测 试生成器，它能有效地降低组合电路中的测试功耗，并获得较高的故障覆盖率， 而 测 试时 间 和 面 积开 销 基 本 上 不 受 影 响 bl 。 针 对 基 于 扫 描 的b i s t , x .z h a n g 提 出采用一个加权集来调节伪随机矢量的信号概率，因而减少了能量消耗，增加 了故障覆盖率n 1 . 矢量抑制技术 在l f s r生成的伪随机测试序列中，有些子序列对侦查故障是不起作用的， 构成这些子序列中的矢量被称为无效矢量，如果测试时抑制掉这些无效矢量， 显 然可降低测试功耗。 基于此， p .g i r a r d 提出了一种矢量抑制技术，用一个解码 逻辑来存放无效子序列的首、 尾矢量， 并通过一个d触发器的控制， 实现l f s r 的输出 在使能 / 禁止之间切换，以 到达抑制无效矢量的目 的【m a s .m a n i c h 等人进 一步改进了该技术， 使其能 滤除 所有对侦查故障没有贡献的无效子序列，从而 更 能降 低测试功耗(r s . 测试调度策略及电路分块 在解决复杂i c s 的低功耗测试方面， y z o r i a n 首先提出了一个b i s t调度策 略，它能调度分布式b i s t中各个b i s t单元的实施，以 保证测试时的功耗不超 过规定的限度b f 。该技术虽然减少了平均功耗和峰值功耗， 但它是以 增加测试 时间为代价的，所以总的能量消耗基本上没有变化。 p .g i r a r d 等人提出了 一种基于电 路分块的低功耗b i s t方案【r 7 ) ，它先将原有 电路分为两个子电路， 再用两种不同的b i s t分别对其进行测试，以减少平均功 率和峰值功率。由于两个子电路所需要的测试长度要比原始电路短，因而它也 减少了b i s t总的能量消耗。如将该方法应用于基于扫描的或并行的b i s t ，则 需要修改传统的t p g结构。 . 数据压缩技术 为同 时减少s o c 测 试功 耗 和测 试数据量， a .c h a n d r a 和s . c h a k r a v a r t y 提出 了 一种基于g o l o m b 编码的 低功耗测试数据压缩方法(9 9 ) ， 该方法主要思路是将测 试序列中的无关位全部映射为0 ， 然后用g o l o m b 编码进行压缩，由于这样增加 了 待压缩序列中 0的个数，可获得较高的压缩比，但在扫描功耗的降低上并未 第一章绪论 达到最优。为此，p . r o s i n g e r 等人将测试序列中的无关位按照最小跳变次数 ( m t c ) 准则进行映射， 再用一种对称的g o l o m b 编码来分别压缩待压缩序列中 的0 游程和1 游程，以 进一步降低扫描测试功耗，并同时获得较高的压缩比【h y i a .c h a n d r a 随后提出的a r l c编码方法，同样是按mt c映射准则对测试序列中 的无关位进行映射，但相比较而言它在测试数据压缩方面获得了更好的效果洲 。 此外，也可通过降低 a t e的工作频率来减少测试功耗。但该方法尽管最为 简单，却存着测试时间过长、测试质量得不到保证的弊端，因而在很多情况下 并不可行。 1 . 2 . 3测试访问机制 ( t a m)及a t e的研究现状 测试访问机制 ( t a m)主要为测试激励源与芯核、芯核与响应接收器之间 提供数据传输通道( 如图1 - 4 所示) 9 1 ， 用以 解决s o c内 嵌芯核的测试访问问 题。 来 自侧试 激励 源 用户定义的并行t a i l 至 响应 接收器 p i由早p o 州9 4fnihrisi 洲 w i r 功能 输 出 功能 输 入 p i + 面 1 po* 9i4 * a 囚ss oo i w i f曰 w i r 控制总线 申行t 孟 m 用户定义 a 9 试控制器 申行t a m s o c 图1 - 4 s o c 测试访问 机制的示意图 目 前在t a m 的研究上，主要分为串行t a m和并行t a m两大类: ( 1 ) 串 行t a ma l .w h e t s e l 3 , d .b h a t t a c h a r y a r32 等人 提出 复 用i e e e 1 1 4 9 . 1 边界扫描结构9 9 . a 5 ) 的测试访问 策略，即 是典型的串 行t a m。该t a m不仅易于 满足s o c测试的控制、 隔离等要求， 而且能很好地实现芯核间的互连测试、 甚至 是芯核内部的功能测试，并兼有面积开销小的优点。 但当芯核功能较为复杂时， 它所提供的数据带宽可能会出 现不足，进而会影响其测试效率。 ( 2 ) 并行t a mo v i m m a n e n i 和s .r a m a n 在文献 9 6 中提出基于多路切换 的直接测试访问策略、i . g h o s t 等人提出的基于芯核透明化的测试策略9 7 电子科技大学博士论文 e .j .ma ri n i s s e n的宏测试(9 8 , 9 4 及后来提出的 测试千线技术 l0 4 1 d 公司基于系统 总 线a m b a的测试策略【 m l 、 以 及p .v a r m a 和m. b e n a b d e n e b i 0 等人提出的 基于测试总线的策略等，均属于并行t a m。在这些测试访问策略中，针对基于 测试总线的t a m所进行的研究最为广泛。 由于i e e e p 1 5 0 0 标准并不准备对t a m作出规范，因此在s o c中集成串行 t a m或并行 t a m，或是两者均使用，主要还取决于 s o c集成商在考虑所需的 带宽及其面积开销后，再结合具体情况来作出相应的决定。 在a t e方面，随着 s o c变得越来越复杂，使得 a t e的价格也随之迅速地 攀升，目 前一台能测试当今复杂i c的 测试仪已 高达数百万美元。 按照 1 9 9 9 年 国 际 半导 体 技术指南 lo s 所作出 的 预 测， 如 不 采取其它措 施， 一台高 速afe 的 价 格在2 0 1 0 年将超过2 千万美元， 测试一片i c的成本也将超过其制造成本【 17 因而研究低成本的s o c测试方案己 势在必行，这对那些批量生产的、低成本消 费类电子产品 所用的s o c芯片( 如 数字蜂窝电 话芯片、 p c图 形芯片、 d v d 芯片、 以太网控制芯片等)来说，显得尤为重要。 1 . 3 国内研究现状 从2 0 世纪6 0 年代开始，国内 学者在集成电 路测试生成理论与应用方面， 就 展开了 相应的 研究， 并获得了 实 质性的 进 展， 如提出的 主路 径敏化 法 . g - f 二 值算法l0 7 ， 等， 在当时均产生了 较大的 影响。 电 子科技大学c a t 室 在陈 光藕教 授的带领下，自 承担该领域的“ 八 五”国 家科技攻关以 来c un 8 l ，便一直从事着 这 方 面 理 论 与 方 法的 研究， 也 取 得了 不 菲的 成绩 ，ljg 一 3 。 但在日 新月异的今天，我国整个集成电路领域与欧、美、日、韩相比，存 在着非常大的差距仍是不争的事实。国内目前的集成电路加工水平尽管达到了 0 . 1 8 微米，与当今的国际水平 ( 为0 . 0 9 微米)却依然相差2 - 3 代: 在i c设计 与 验证、 封装与测试等核心技术方面更是受制于人 8 4 3 从整个集成电路发展的趋势来看，s o c技术是其发展的主流，同时也是2 0 世纪9 0 年代发展起来的新技术。 为此我国 近年来围绕集成电路特别是s o c 技术， 出 台了 一 系列重大政策“ 咭 一 ，7， ( 如 现 在正 在实 行的国 家重大基础科学 研究 计划 9 7 3 , “ 十五”国家8 6 3 计划超大规模集成电 路s o c的专项研究， 国家自 然科 第一章绪论 学基金委员会启动的 “ 半导体集成化芯片系统基础研究重大研究计划”等等) ， 并由此掀起了一股研究热潮，s o c测试作为重点研究的内容之一，在其中占据 着极其重要的位置。 1 . 4 本文的主要工作及结构安排 本文以国家自 然科学基金和总装预研项目 为支撑，以 减少s o c测试数据、 缩短测试时间为主要目 标， 并尽可能降低硬件开销及测试功耗，较为系统地研究 了s o c内嵌数字芯核的测试数据压缩问题。 所做的主要工作有: 首先， 本文从理论上深入分 析了 现 有v i h c 编 码【s u) 的 不足， 指出 该编码能在 s o c的测试数据压缩中获得高的 压缩比，主要是以 较大的解码器硬件开销为代 价的;为此， 提出了一种基于变移霍夫曼编码 ( h u ff m a n s h i ft c o d e h s c )的 压缩/ 解压方案， 以 进行改进; 因该方案充分考虑了 样式消息( p m) 的分布规律， 对其进行了 “ 变移”处理，所以不仅显著降低了 解码器的硬件开销，而且仍能 保 证获得高的 压缩比 ; 这在待压缩 0 , 1 序列中0 概率p 的 值愈 趋近于1 ， 进而 要求p m分组参数二取值愈来愈大时，效果会更加明显。 其次，研究了二维 s o c测试数据压缩/ 解压的问题。对有些