（微电子学与固体电子学专业论文）内建自测试的重复播种测试生成研究.pdf

上海大学硕士学位论文内建自测试的重复播种测试生成研究 摘要 微电子技术的迅速发展，使得集成电路的复杂程度不断提高、特征尺寸日益 缩小。基于o 1 8 u r n 、0 1 3 u r n 乃至9 0 n mc m o s 工艺的芯片设计在工业中得到广 泛应用，6 5 n m 设计已经投入量产，4 5 n m 设计也已研发成功，集成电路已经进入 超深亚微米时代。这给芯片设计带来困难的同时，也给芯片的测试带来了巨大的 挑战。芯片的测试已经成为设计过程中的关键问题，测试成本已经占到芯片成本 的5 0 ，甚至更高。如何降低测试成本是一个迫切需要解决的问题。可测试性设 计是解决测试问题的发展方向，特别是内建自测试，已经得到广泛的应用。 测试生成是内建自测试的重要组成部分。测试生成关注的焦点在于生成的测 试向量可以获得足够高的故障覆盖率，同时用于测试的面积开销尽可能低、测试 时间尽可能短。总之，测试生成的最终目标是在保证较高覆盖率的前提下尽可能 降低测试开销。 本文围绕内建自测试( b i s t ) 的重复播种测试生成问题进行了研究。文中 根据重复播种过程中种子的来源不同将重复播种分为存储式重复播种和非存储 式重复播种。通过对b i s t 以及现有测试生成方法特别是对b i s t 的存储式和非 存储式重复播种测试生成方法的研究发现，现有的存储式和非存储式重复播种的 各种实现方法大都存在测试数据压缩率不够高、测试所需的种子多、种子利用率 不高、测试面积开销过大等问题。针对这些问题，本文提出了一种基于双重压缩 的重复播种方法。该方法对测试向量同时进行纵向相容性压缩和横向串接压缩， 使得测试数据的压缩率得到进一步提高。 通过对测试向量进行双重压缩，最终得到了较好的压缩效果，降低了存储种 子所需要的空间，减小了芯片测试的面积开销。同时提高了种子的利用率，减少 了种子的数目，进而减少了重复播种的操作次数，缩短了测试时间。在保证故障 覆盖率的前提下对双重压缩重复播种方案存储测试数据所需的测试开销进行了 验证。对部分i s c a s 8 9 国际标准电路的实验显示：双重压缩方法优于变长多多 项式l f s r 重复播种( v a r i a b l e l e n g t hm u l t i p l e p o l y n o m i a ll f s rr e s e e d i n g ) 方案 等国际上的同类方法。 双重压缩方法作为一种压缩测试向量的方法，在对测试向量进行压缩获得种 v 上海大学硕士学位论文 内建自测试的重复播种测试生成研究 子后，既可以采用存储式重复播种方法将种子存储于r o m 中，实现对测试生成 器的重复播种操作，也可以采用非存储式重复播种方法，用硬件逻辑实现对测试 生成器的重复播种操作，具有较好的灵活性。根据双重压缩的特点，本文还提出 了一种基于双重压缩的重复播种结构。这种重复播种结构采用l f s r 实现，其结 构只需要在l f s r 的基础上添加简单的控制电路，硬件实现相对简单。 关键词：内建自测试，线性反馈移位寄存器，测试生成，重复播种，双重压缩 v i 上海大学硕士学位论文 内建白测试的重复播种测试生成研究 a b s t r a ct w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ti nm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h ec o m p l e x i t yo ft h e i n t e g r a t e d c i r c u i t si s m o u n t i n ga n dt h et e c h n o l o g yd i m e n s i o ni si n c r e a s i n g l y s h r i n k i n g d e s i g n so fo 18 u r n ，o 13 u ma n d9 0 n mw i t hc o m st e c h n o l o g yh a v eb e e n a p p l i e db r o a d l yi nt h ei ci n d e r s t r y 6 5 n r na n d4 5 n mh a v ea l r e a d yb e e nd e v e l o p e da n d u s e di nt h ed e s i g n i cd e s i g nh a se n t e r e dt ot h eu l t r a - s u b m i c r o ns t a g e ，w h i c hb r i n g s g r e a t ec h a l l e n g e sf o ri ct e s t i n gi na d d i t i o aw i t hd e s i g np r o b l e m s t e s t i n gh a sb e c o m e t h ek e yp o i n td u r i n gi cd e s i g n t e s t i n gc o s th a st a k e nu ph a l fo ft h ec h i pc o s ta n d e v e nm o r e h o wt or e d u c et h et e s t i n gc o s ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m s w h i c ha r ec r y i n gf o rs o l v i n g d e s i g nf o rt e s t ( d f t ) t e c h n i q u ei st h em o s ti m p o r t a n t m e t h o dt os o l v et h e s ep r o b l e m sa n db u i l t i n s e l f - t e s t ( b i s t ) h a sa l r e a d yb e e n a c c e p t e db r o a d l y t e s tp a t t e r ng e n e r a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fb i s t t h ef o c u so f t e s tp a t t e r ng e n e r a t i o ni sh o wt og e n e r a t et e s tv e c t o r st h a tc a na c h i e v ef a u l t c o v e r a g es u f f i c i e n t l yw h i l et h ea r e ao v e r h e a da n dt h et e s t i n gt i m es h o u l db ea sl i t t l e a sp o s s i b l e i naw o r d ，t h eg o a lo ft h et e s tp a t t e r ng e n e r a t i o ni st os a t i s f yt h et e s t i n g q u a l i t yw h i l ed e c r e a s i n gt h ec o s to ft e s t i n ga sm o r ea sp o s s i b l e t h ef o c u so ft h i sa r t i c l ei st e s tp a t t e r ng e n e r a t i o nb a s e do nr e s e e d i n gf o rb i s t a c c o r d i n gt ot h es o u r c eo ft h es e e dd u r i n gr e s e e d i n g ，w ec l a s s i f yt h er e s e e d i n gt o r o m b a s e dr e s e e d i n ga n dn o n - r o m - b a s e dr e s e e d i n g t h r o u g ha n a l y z i n gb i s ta n d i t st e s tg e n e r a t i o n ，e s p e c i a l l yt h ep r e s e n tr e s e e d i n gm e t h o d ，w ef i n dt h a tt h e yh a v et h e p r o b l e mo fh i g hh a r d w a r eo v e r h e a d ，l o wu t i l i z a t i o no ft h es e e d sa n ds oo n t h e r e f o r e ， an e ws c h e m ef o rl f s r r e s e e d i n gb a s e do fd u a l c o m p r e s s i o no fs o m et e s tp a t t e r n si s p r e s e n t e di nt h ed i s s e r t a t i o n f i r s t l y , i nt h i sm e t h o d ，i tc o m p r e s s e st h et e s t i n gv e c t o r s a c c o r d i n gt o t h ec o m p a t i b i l i t yb e t w e e nt e s t i n gv e c t o r s ，a n da f t e r c o m p a t i b i l i t y c o m p r e s s i o n ，c o m p a t i b l ev e c t o r sa r ec o m p r e s s e dt oo n ev e c t o r s e c o n d l y , i tu s e st h e h o r i z o n t a l c o n n e c t i n g - c o m p r e s s i o na l g o r i t h mt oc o m p r e s st h ec o m p a t i b l ec o m p r e s s e d v e c t o r st oa d d i t i o n a l l yi m p r o v i n gt h ec o m p r e s s i o ne f f i c i e n c y v i i w i t hd u a l c o m p r e s s i o ns c h e m e ，i tr e d u c e st h es i z eo f s e e d s ，i m p r o v e st h e u t i l i z a t i o no fs e e d ，i n c r e a s e st h ec o m p r e s s i o ne f f i c i e n c y , d e c r e a s e st h ea r e ao v e r h e a d a n dt h et e s t i n gc o s t ，a n da c h i e v e st h eb e t t e rc o m p r e s s i o nr a t i ot h a ns i m i l a rs c h e m e s s u c ha sv a r i a b l e l e n g t hm u l t i p l e p o l y n o m i a ll f s ra n ds oo n a sam e t h o dt oc o m p r e s st e s tv e c t o r s ，d u a l c o m p r e s s i o ns c h e m ec a ni m p l e m e n t t h er e s e e d i n go p e r a t i o nb yc o m b i n i n gw i t hn o to n l yr o m - b a s e dr e s e e d i n gm e t h o d b u ta l s on o n - - r o m - b a s e dr e s e e d i n gm e t h o da f t e r c o m p r e s s i n gt h et e s td a t a , s oi th a sa g o o df l e x i b i l i t y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fd u a l c o m p r e s s i o ns c h e m e ，w e p r o p o s ear e s e e d i n gc i r c u i tb a s eo ni t t h er e s e e d i n gc i r c u i to n l yc o n s i s t so fa nl f s r a d d i t i o n a l l yw i t hs o m ec o n t r o ll o g i c ，w h i c ho u t p e r f o r m ss i m i l a rs c h e m e s k e y w o r d s ：b u i l t i ns e l f - t e s t ( b i s t ) ，l i n e a rf e e d b a c ks h i f tr e g i s t e r ( l f s r ) ，t e s t p a t t e r ng e n e r a t i o n ，r e s e e d i n g ，d u a l - c o m p r e s s i o n 内建自测试的重复播种测试生成研究 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名爱墨丝型日期： i i 上海大学硕士学位论文内建自测试的重复播种测试生成研究 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 随着微电子技术的迅速发展，集成电路的复杂程度不断提高、特征尺寸日益 缩小，测试已经成为迫切需要解决的问题，特别是进入超深亚微米的阶段，集成 电路的集成度达到前所未有的高度，已经进入到了片上系统( s y s t e m o n - c h i p ， s o c ) 阶段。它通过集成各种i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核，使得单芯片的功能更 加强大。但与此同时，这也带来了一系列的设计和测试问题【1 1 。 传统上，芯片测试是通过自动测试设备( a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t ，a t e ) 完成的。然而超大规模集成电路( v l s i ) 技术的发展使得上亿只晶体管集成到一 个芯片上，片内时钟信号的频率超过2 g h z 。这就需要开发高性能的a t e 来完成 对v l s i 的测试。然而，高性能a t e 的发展很难跟上芯片的发展步伐( 系统时钟、 信号精度、存储数据量等) 。另外，高性能a t e 的价格也使人望而却步。而片上 系统的出现更是对测试领域提出了新的挑战。要解决这些测试所面临的问题，就 需要在芯片的设计过程中就考虑测试问题，可测试性设计( d e s i g nf o rt e s t ，d f t ) 【2 3 】的方法就应运而生。 v l s i 可测试性设计是一些应用于v l s i 设计的规则和方法的集合，是通过 在电路中增加一些逻辑结构，使得该设计具有“容易被测试 的特性，并使其能 够实现高质量测试方法的总称。可测试性设计的目的，不仅仅是为了测试向量的 自动生成和故障覆盖率的提高，也不仅仅是为了某种类型测试设备的需要。可测 试性设计的意义在于它以尽可能小的代价获取尽可能高的测试质量【2 】。 可测试性设计是集成电路设计方法学和测试方法学的有机融合。一方面，集 成电路测试方法学的每一个新的突破，都会带来可测试性设计领域新的飞跃。另 一方面，可测试性设计越来越成为v l s i 设计过程中不可或缺的一环，它已经渗 透到集成电路设计的各个层面。可测试性设计的成败，直接影响到整个电路的性 能，影响到芯片设计、制造和测试，乃至芯片成本、开发时间和产品品质等决定 其市场竞争能力的因素。 测试是通过控制和观察电路中的信号，以确定电路是否正常工作的过程。因 上海大学硕士学位论文 内建自测试的重复播种测试生成研究 此，电路的可测试性涉及可控制性和可观察性两个基本概念。可测试性设计技术 就是试图增加电路中信号的可控制性和可观察性。 可测试性设计技术发展的早期，大多采用特定( a dh o c ) 方法。a dh o c 技 术可用于特殊的电路和单元设计，对于具体电路进行特定的测试设计十分有效， 但它不能解决成品电路的测试生成问题。后来，人们开始采用结构化的测试设计 方法，即研究如何设计易测试的电路，进而又考虑在芯片内部设计起测试作用的 结构【4 】。如果电路不仅具有正确的功能，而且有比较高的可测试程度，这样就实 现了可测试性。这种方法的另一个优点是能与e d a 工具结合，以进行自动设计。 结构化设计的目的是减少电路的时序复杂性，减小测试生成和测试验证的困 难程度。结构化设计方法可以应用到所有设计中去，并且通常具有一套设计规则。 结构化设计方法主要有扫描技术( s c a nd e s i g n ) 、边界扫描技术( b o u n d a r ys c a n d e s i g n ) 和内建自测试( b u i l t i n s e l f - t e s t ，b i s t ) 技术。 ( 1 ) 扫描设计 扫描设计是目前采用最广泛的可测试性设计技术。它通过把电路中难以控制 和观测的记忆元件( d 触发器或锁存器) 替换成扫描单元来提高电路中节点的可 控制性和可观测性。扫描设计将电路中的时序元件替换成扫描触发器，再将这些 扫描触发器连接成扫描链。这样，通过扫描链将时序电路分割成组合逻辑电路， 从而提高电路的可测试性。 根据扫描单元替换的方式不同，扫描测试分为全扫描( f u l ls c a n ) 和部分扫 描( p a r t i a ls c a n ) 两者设计方法。 在全扫描设计中，整个设计的所有触发器都被替换为对应的扫描触发器，然 后把它们连成扫描链。其设计思想是控制和观测整个设计的所有存储单元的值， 从而把时序电路的测试转化为对纯组合逻辑的测试和对移位寄存器链的测试。全 扫描技术可以显著地减少测试生成的复杂度，但这是以牺牲芯片面积和降低系统 性能为代价的。 部分扫描设计是一种只把设计中的部分存储器单元替换成扫描单元并连接 成扫描链的设计方法。部分扫描设计方法只选择一部分触发器构成扫描链，降低 了扫描设计芯片的面积开销，缩短了测试时间。其关键技术在于如何选择触发器。 ( 2 ) 边界扫描技术 2 上海大学硕士学位论文 内建自测试的重复播种测试生成研究 边界扫描测试是为了解决印制电路板( p c b ) 上芯片与芯片之间的互连测试 而提出的一种解决方案。它与扫描设计( s c a nd e s i g n ) 的区别在于边界扫描是在 电路的输入输出端口增加扫描单元，并将这些扫描单元连成扫描通路，而扫描 设计( s c a nd e s i g n ) 是将电路中普通的时序单元替换成具有扫描能力的时序单元， 再将它们连接成扫描通路。 边界扫描的原理是在核心逻辑电路的输入和输出端口都增加一个寄存器，通 过将这些i o 上的寄存器连接起来，可以将数据串行输入被测单元，并且从相应 端口串行读出。其最主要的功能是进行板级芯片的互连测试。 ( 3 ) 内建自测试 内建自测试方法通过在芯片内部集成少量的逻辑实现对集成电路的测试。 b i s t 通常由测试向量生成器( t e s tp a t t e r ng e n e r a t o r ，t p g ) 、被测电路( c i r c u i t u n d e l t e s t ，c u t ) 、输出响应分析器( o u t p u t r e s p o n s e a n a l y z e r ，o r a ) 和b i s t 控制单元( b i s tc o n t r o lu n i t ，b c u ) 四部分组成。一个好的b i s t 方案至少应该 具备以下三个特点：较少的硬件开销，较高的故障覆盖率和较短的测试时间。内 建自测试以其减少对昂贵a t e 工具的依赖、可以以工作速度测试电路、可以实 现在系统经常性测试等优点已经被广泛应用在现代集成电路设计中。本文将在第 二章中详细分析内建自测试的各方面内容。 1 2 课题的研究现状 测试生成是集成电路测试中一个非常重要的内容。测试生成的目标是通过向 被测电路提供测试向量，以测试出电路中的故障。测试生成方法研究是目前测试 领域的一个研究热点。自从集成电路测试被提出以来，有各种各样的测试生成方 法被提出，特别是内建自测试的测试生成方法研究。 1 2 1 传统的测试生成方法 测试生成有各种各样的方法，包括穷举测试( e x h a u s t i v et e s t ) 、伪穷举测试 ( p s e u d o e x h a u s t i v et e s t ) 、确定性测试( d e t e r m i n i s t i ct e s t ) 和伪随机测试 ( p s e u d o r a n d o mt e s t ) 。 ( 1 ) 穷举测试 上海大学硕士学位论文 内建自测试的重复播种测试生成研究 如果测试图形包含了原始输入所有可能的排列组合，这个测试图形称为穷举 测试集。把穷举的测试集施加到被测电路的方法就称为穷举测试。穷举测试的优 点在于易生成测试向量和1 0 0 的故障覆盖率，但这样的方法只对小规模的纯组 合电路有效。对于原始输入较多的电路来说，穷举测试所带来的测试时间是不可 接受的【5 1 。而对于时序电路，穷举法并不适合，因为测试图形的时序对被测电路 有非常大的影响。 ( 2 ) 伪穷举测试 伪穷举测试继承了穷举测试的许多优点，但是测试图形长度比穷举测试短得 多。伪穷举测试的主要原理是通过对被测电路进行分块，然后对每个分块电路进 行穷举测试。但是这种方法在电路分块方面存在较大困难。 ( 3 ) 确定性测试 确定性测试是基于故障的测试，它是对待定的故障类型生成测试图形。一般 确定性生成是按照算法，如d 算法、p o d e m 算法等，完成测试生成。这是一个 n p c o m p l e t e 问题，需要迭代法来加速生成过程。确定性测试的优点是生成的测 试图形非常短，测试施加时间最短，难点是测试生成方法非常复杂，测试生成时 间非常长。当和b i s t 相结合时，a t p g ( a u t o m a t i ct e s tp a t t e r ng e n e r a t i o n ) 生成 的测试图形存储在r o m 中。这种方法可以获得理想的故障覆盖率，但是测试开 销太大，成本太高。 ( 4 ) 伪随机测试 伪随机测试的特征是测试图形的每一位都是随机的。集成电路测试中常用线 性反馈移位寄存器( l f s r ) 来产生伪随机测试图形。这种方式产生的测试向量 所需成本最小。l f s r 作为测试图形生成器生成伪随机向量已经成为集成电路测 试生成的主要方法。内建自测试( b i s t ) 中一般都采用伪随机测试。 由于许多电路中都存在难测故障( 抗随机测试故障) ，这使得伪随机测试在可 以接受的测试时间内不能得到足够的故障覆盖率。一般情况下，对于固定型故障， 伪随机测试的故障覆盖率只能达到8 5 t 6 1 。要想获得较高的故障覆盖率就要求较 长的测试长度，这大大增加了测试施加时间。 测试施加时间是集成电路测试中一个非常重要的指标，一般而言，测试施加 时间与测试码序列长度成正比。对于确定性测试方法，测试码序列长度可由测试 4 上海大学硕士学位论文内建自测试的重复播种测试生成研究 所有可能存在的故障所需的故障覆盖率来确定。当然，测试序列越长，故障覆盖 率越高。对于随机测试，故障覆盖率( f c ) 与随机测试序列长度l 的关系可按 下式近似表达， f c = 1 一p 一他1 0 0 ( 1 1 ) 对于每一个给定的电路，五是常量。由( 1 1 ) 式可以得出，f c 是随机测试 序列长度l 的递增函数，但是l c 与l 关系曲线的斜率递减。随着伪随机测试码 序列长度l 的增加，故障覆盖率曲线接近饱和，如图1 1 所示。所以随着故障覆 盖率的提高，相同长度的伪随机测试码序列检测到的故障数越来越少，冗余伪随 机测试码越来越多。这些冗余伪随机测试码检测不出任何故障，不仅不能提高故 障覆盖率，而且会增加测试施加时间和测试功耗。 1 0 0 u 臣 、- ， 静 相 群 避 辐 o 图1 1 伪随机测试f c l 关系曲线 f i g u r e1 1 f c - lc u r v eo fp s e u d o r a n d o mt e s t 1 2 2 新兴的测试生成方法 由上面的内容可知，伪随机测试生成一般只能能够获得8 5 的故障覆盖率。 然而，8 5 的故障覆盖率无法满足当今对系统的高可靠性的要求。提高故障覆盖 率的方法有两种：一种是修改被测电路【7 1 ，另一种是修改测试图形生成器。修改 被测电路可通过在电路中插入测试点( 可观察点和可控制点) 1 7 1 ，或者对电路 进行重新设计来实现 1 8 , 1 9 。伪随机测试图形生成器可通过增加额外逻辑以改变测 试图形权重 8 1 0 】、映射测试图形 1 i ，1 2 1 或者重复播种测试图形生成器【1 3 1 6 】等方法实 现。 修改被测电路使得电路更加可测，从而提高故障覆盖率。b i s t 的e d a 工具 上海大学硕士学位论文内建自测试的重复播种测试生成研究 一般用插入测试点来加强c u t 的可测试性。如果使用足够数量的测试点，可以 保证获得任何期望的可测试性目标，所以这种方法很常用。但是，获得这个保证 的代价是面积开销和潜在的性能损失。面积开销是由于要添加到电路的测试点的 附加逻辑和线路形成的。如果额外电路增加了关键路径的延迟，性能损失将持续。 加权测试是一种修改测试生成器的方法。l f s r 的固有属性是其产生的测试 图形的每一位上0 和1 的概率基本相等。但为了用尽可能少的测试图形来取得高 的故障覆盖率，许多电路的测试图形o 和l 的分布概率不应相同。加权测试生成 就是通过改变测试图形的每一位上o 和1 出现的概率，使得生成的测试图形能够 测试更多的故障。这种方法需要存储数量较大的加权集，使测试的面积开销较大。 另一种修改测试生成器的方法是混合测试生成。混合测试是一种目前研究较 多的方法。这种方法是伪随机测试和确定性测试的有机结合。它采用伪随机测试 检测电路的易测故障，而对于电路中的难测故障，则通过确定性测试生成的方法 生成测试向量。这种方法继承了伪随机测试的优点，也保留了确定性测试生成的 优点，可以在测试面积和测试时间之间进行权衡，是一种非常有效的测试生成方 法，也是目前可测试性设计领域研究的热点。本文的研究就是在混合测试生成方 法中的重复播种方法的基础上进行的。 1 3 本文的研究重点 任何一种可测试性方法的目的都是在获得足够高的故障覆盖率的同时，使得 测试开销最小。也就是说，在满足测试质量要求的前提下，使得测试时间最短， 测试面积开销最少，测试功耗最低，同时还不影响电路的性能或对电路性能的影 响尽可能小。 在各种方法中，重复播种方法是目前国际上研究的热点之一，受到广泛的关 注。自从b e m dk o n e m a n n 在1 9 9 1 年首次提出重复播种的方法的概念【1 3 】之后， 学者们提出了各种各样的改进方法和新的重复播种方法。 重复播种方法是混合模式测试的一种实现形式。其测试方法是先对电路的易 测故障采用伪随机测试方法生成测试向量，对于电路的难测故障，采用a t p g 方 法生成确定性测试向量，而对于这些确定性测试向量或种子，则通过重复播种电 路播种到测试生成器中。 6 上海大学硕士学位论文内建自测试的重复播种测试生成研究 按照重复播种过程中种子的来源不同，可以将重复播种分为存储式重复播种 和非存储式重复播种。存储式重复播种是将确定性测试向量或种子存储在存储器 中实现重复播种的一种方法。而非存储式重复播种则通过硬件逻辑电路实现对测 试生成器的重复播种。 早年提出的方法大多为存储式重复播种，如多多项式l f s r 重复播种方法 ( m u l t i p l e p o l y n o m i a ll f s rr e s e e d i n g ) 【1 4 3 2 ，3 3 】等。多多项式l f s r 重复播种方 法是由s h e l l e b r a n d 等人提出的。这种方法通过改变播种电路的结构，使得可以 对l f s r 的反馈网络进行选择，从而增加了编码的成功率。 之后学者们还提出了各种改进方法，大都是基于存储式重复播种的方法，如 变长种子l f s r 重复播种方法【3 4 3 5 1 、部分动态l f s r 重复播种方法【3 6 3 7 1 以及其它 各种方法 5 0 - 5 9 1 ，这些方法极大地丰富和改进了重复播种方法的内容。 国内学者们也对重复播种方法进行了深入的研究。以梁华国为代表的学者提 出了一种采用折叠计数器实现重复播种的方法 4 3 , 5 1 】，有效地提高了测试数据的压 缩率。李扬等提出的基于部分测试向量切分的l f s r 重复播种方法【5 4 】对含有较多 确定位的测试向量进行切分，即将测试向量切分成多个宽度较小的测试向量，然 后再对其进行处理。这种方法不但提高了编码的压缩率，还减小了计算的复杂度。 但是这种方法需要的种子也因切分数目和份额的增加而增加。 非存储式重复播种是近几年才出现的一种重复播种方法。这种方法是由e k a l l i g e r o s 和a l h m a da a 1 y a m a n i 分别提出来的 4 7 - - 4 9 】。由于在重复播种中不需 要用到存储设备，因此称其为非存储式重复播种方法。这种方法采用硬件电路实 现对l f s r 的重复播种。它通过在l f s r 的各个触发器之间插入异或门或者多路 选择器等方法，在控制信号的作用下有选择性地决定是否对l f s r 的各个触发器 的输出进行反相操作，使得反相后的数值与种子的值相同。这样，当下一个时钟 到来的时候，经过反相后的触发器的值( 种子) 被存储到l f s r 中。 重复播种方法之所以受到如此多的关注，是因为这种方法不但可以达到非常 高的测试覆盖率，而且还可以在测试时间和测试面积开销上进行权衡，可以有效 地降低测试开销，并使测试具有较大的灵活性和可预见性。 本文将重点从测试的面积开销、时间开销两个方面对重复播种测试方法进行 分析，对在保证测试质量的前提下如何降低重复播种方法的面积开销、缩短测试 上海大学硕士学位论文内建自测试的重复播种测试生成研究 时间、降低测试开销等问题进行了深入地研究，并对重复播种的结构进行了分析 和讨论。 1 4 本文的创新点及内容安排 本文通过对内建自测试的研究，特别是对重复播种测试的深入讨论和研究， 提出了一种基于双重压缩的重复播种方法，这种方法通过对测试向量同时进行纵 向相容性压缩和横向串接压缩，进一步减小了测试的数据量，提高了测试数据的 压缩率，减少了测试所需的种子，提高了种子的利用率，从而减小了测试的面积 开销。同时，这种方法由于减少了种子的数目，减少了测试过程中重复播种的操 作次数，因此缩短了重复播种的测试时间。 此外，根据双重压缩的特点，本文还提出了一种基于双重压缩的重复播种结 构。双重压缩方法作为一种压缩测试向量的方法，在对测试数据进行压缩后，既 可以采用存储式重复播种方法将测试数据存储于r o m 中，实现对测试生成器的 重复播种，也可以采用非存储式重复播种方法，用硬件逻辑实现对测试生成器的 重复播种操作，具有较好的灵活性。 全文共分六章，内容安排如下： 第一章中阐述了课题研究的背景、研究现状、本文的研究重点以及创新点。 第二章对内建自测试( b i s t ) 的基本原理和概念、基本框架和方法等相关 内容进行了阐述。同时，对新兴的混合测试生成方法以及重复播种测试方法的基 础知识进行了讨论。 第三章中根据重复播种过程中种子的来源不同，将重复播种方法分为存储式 和非存储式两种，并对存储式重复播种和非存储式重复播种的主要方法进行了详 细的讨论和研究。在对重复播种方法研究的基础上，提出了一种双重压缩重复播 种方法，并对该方法的实现策略进行了分析和阐述。 第四章在第三章的基础上对文中提出的重复播种压缩方法基于双重压 缩的重复播种方法的基本思想、压缩过程、重复播种的硬件结构等相关内容进行 全面的讨论和研究。通过对测试数据的双重压缩，大大提高了测试数据的压缩率， 提高了种子的利用率，减少了测试所需的种子数，从而减小t n 试的面积开销， 缩短了重复播种时间，降低了测试开销。同时，本章中还提出了基于双重压缩的 上海大学硕士学位论文 内建自测试的重复播种测试生成研究 重复播种结构。 在第五章中，为了验证本文提出了双重压缩重复播种方法，文中选取了国际 标准电路i s c a s 8 9 中的部分电路，对该方法进行了验证。通过试验和比较发现， 双重压缩重复播种方法比相关研究的效果要好，可以进一步提高测试数据的压缩 率，减少种子的数目，进而减小存储空间，缩短测试时间，降低测试开销。 第六章对研究工作进行了总结与展望，指出今后需要努力的方向和重点。 9 上海大学硕士学位论文内建自测试的重复播种测试生成研究 第二章内建自测试( b i s t ) 及其测试生成 随着集成电路的集成度和电路的复杂度不断提高，传统的a t p g 测试方法已 经不能胜任对电路的测试，特别是对于复杂的时序逻辑，a t p g 测试方法显得无 能为力。因此应该研究新的设计方法，在i c 设计的前端就解决这些棘手的测试 问题。特别是在深亚微米以及复杂芯片设计的推动下，通过集成各种p 核，系 统芯片( s o c ) 的功能更加强大，但是也带来了一系列更加复杂的设计和测试问 题，对i c 涉及到自动化和测试技术的要求也更为强烈。事实上，在i c 设计的前 端就解决测试问题的设计思想和方法现今得以广泛应用，其核心就是在设计阶段 就进行结构化设计，解决复杂的测试问题，设计出容易测试的电路，这就是可测 试设计的主要内容。 因此，一些符合可测试性( d e s i g nf o r t e s t ，d f t ) 规则的设计应运而生。这 些设计规则的目的是减少测试的复杂度。可测试性设计已经是集成电路测试领域 中不可逆转的潮流，特别是内建自测试( b i s t ) ，它是目前可测试性测试中研究 最多也是应用前景最好的方法之一。 本章首先对内建自测试( b i s t ) 的基本框架、概念、方法等相关知识做简 要的讨论。然后，将主要分析目前关于内建自测试( b i s t ) 测试生成方面的主 要方法混合测试生成方法以及重复播种测试生成方法。 2 1 内建自测试( b i s t ) 传统的测试生成方法的测试生成过程长、测试复杂程度高、故障覆盖率低。 随着电路的日益复杂和集成度的日趋提高，传统的测试生成方法难以应付测试要 求。传统测试需要较长的测试施加时间，最坏情况下随电路的大小呈指数增加。 同时，测试施加和捕获都需要一定的测试设备。上述因素都导致测试开销的增加， 因此需要研究经济、实用的方法来代替传统的测试方法。其中一种有效的解决方 法就是在电路内部建立测试生成、施加、分析和测试控制结构，使得电路能够测 试自身，这就是内建自测试( b u i l t i ns e l f - t e s t ，b i s t ) 。内建自测试克服了上述 缺点，广泛应用于集成电路可测试性设计中。 l o 上海大学硕士学位论文内建自测试的重复播种测试生成研究 2 1 1 内建自测试的基本框架 内建自测试是一种用内嵌硬件实现测试生成和测试施加的可测试性设计技 术【2 l 】。内建自测试方法的主要目的就是通过在芯片上集成测试结构以消除或减 少测试对外部测试仪器的依赖。这样，测试图形的生成不再用外部a t e 生成， 而是用一些特殊的内部b i s t 电路实现。b i s t 方法可以分为两类，一类是在线 b i s t ( o n 1 i n eb i s t ) ，另一类是离线b i s t ( o f f - l i n eb i s t ) 。在线b i s t 在电路的 正常功能条件下进行测试，不用把被测电路置于测试模式。而对于离线b i s t ， 测试不是在电路的正常功能条件下进行，而是在特定的测试模式下进行测试。本 章研究的主题是离线b i s t ，后面各章节中提到的b i s t 也都是离线b i s t 。 一个典型的内建自测试( b i s t ) 的结构如图2 1 所示。 图2 i 典型内建自测试结构 f i g u r e2 1t y p i c a ls t r i l c t i l 托o fb i s t 测试图形生成器( t p g ) 的一般结构包括存储有测试图形的r o m 和线性反 馈移位寄存器( l f s r ) 。测试响应分析器( o r a ) 的典型结构包括存有测试响应 的压缩器和用l f s r 组成的特征分析器( s i g n a t u r e a n a l y z e r ) 。控制单元( b c u ) 用来控制测试和响应分析。被测电路( c u t ) 既可以是组合电路、时序电路、存储 器和其它类型的电路，也可以是电路模块( 如口核) 。 内建自测试的优点主要体现在： ( 1 ) 测试生成和测试响应分析都在片上进行，减少了测试对昂贵测试仪器 的依赖性： ( 2 ) 由于测试在片上进行，可以以工作速度测试集成电路，因此缩短了测 上海大学硕士学位论文内建自测试的重复播种测试生成研究 试时间，并且可以检测实际条件下的故障； ( 3 ) 可以实现在系统经常性测试，这对可靠性要求较高的系统很有意义。 2 1 2 基于l f s r 的测试生成 b i s t 的测试生成方法有穷举测试、伪穷举测试和伪随机测试等，而最受欢 迎的方法是采用线性反馈移位寄存器( l f s r ) 实现的伪随机测试生成方法【2 2 2 4 】。 这主要是由于l f s r 的结构简单、规则，面积开销小。虽然在获得相同故障覆盖 率的条件下，l f s r 所需的测试激励长度要比确定性测试的长度要长得多，但是 用l f s r 产生测试激励实现起来非常简单，并且有较好的伪随机性，因此得到了 广泛的应用。 图2 2 是一种n 位外接l f s r 结构，简称e e ( e x t e r n a l x o r ) 型l f s r ；图 2 3 是n 位内接l f s r 结构，简称i e ( i n t e r n a l x o r ) 型l f s r 。 图2 2e e 型l f s r 结构图 f i g u r e2 2 e x t e r n a l x o rl f s r 图2 3 正型l f s r 结构图 f i g u r e2 3 i n t e r n a l x o rl f s r l f s r 是由存储单元( 锁存器或者触发器) 、异或门( x o r ) 和反馈回路组 上海大学硕士学位论文内建自测试的重复播种测试生成研究 成的移位寄存器。l f s r 除了时钟外不需要其它输入，因此它是完全自动的。在 图2 2 和图2 3 中，c i ( i _ 1 ，2 ，n ) 只取二进制数0 或l ，表示有无异或门 反馈链接，c i = 1 表示反馈接入，c i = 0 表示不存在反馈。触发器的输出 ( y l ，y 2 ，y n ) 构成了测试图形。测试图形的长度将由反馈回路决定，不同的反 馈方式可能得到不同的测试图形长度。反馈的配置可以通过一个多项式来表示， 被称作特征多项式。对于图2 2 和图2 3 ，特征多项式为： p ( x ) = l + c l x l + c 2 x 2 + + c 。x “ ( 2 1 ) l f s r 生成的序列只与寄存器的初始状态和反馈方式有关。对于n 位l f s r ， 最多可以产生( 2 m 一1 ) 个不同的状态。如果一个序列生成器正好产生这( 2 m - 1 ) 个不同的状态后才开始重复产生此序列，则此序列发生器称为最大长度序列发生 器。如果一个l f s r 的特征多项式可以使得l f s r 生成最大长度序列，那么就称 此特征多项式为本原多项式( p r i m i t i v ep o l y n o m i a l ) 。本原多项式是不可分解的， 可以分解的多项式不是本原多项式。 由l f s r 生成的测试向量似乎是随机的，因为它们满足了大多数随机序列的 特征，虽然可以通过l f s r s 初始状态和特征多项式推导出这些序列。但从本质