（计算机应用技术专业论文）soc测试资源优化方法研究.pdf

s o c 测试资源优化方法研究 摘要 深亚微米工艺下i c 规模和复杂度的日益增加，向s o c n 试提出了严峻的 挑战。现有的外部测试设备a t e 在存储容量、测试通道数等测试资源方面满 足不了测试需求，因而有必要研究s o c 测试资源优化方法。本文分别从节省 测试通道、a t e 存储空间、减少测试时间的角度研究了s o c n 试数据压缩、 s o c n 试调度以及低功耗s o c n 试。本文的主要贡献为： 首先，提出了一种适用于s o c n 试数据压缩的新方法。先将不同待测核 对应测试集中的测试向量最大限度地重叠起来，形成一个重叠向量，然后对 这个重叠向量进行变游程编码，进一步对测试向量进行压缩。由于测试应用 时间与重叠向量的长度成正比，而重叠向量的长度要远小于原始测试向量长 度的总和，从而减少了测试时间。实验结果显示，算法的最高测试压缩率为 6 7 4 ，最低值为3 9 5 ，平均测试压缩率达到5 6 。最好情况下，测试数据 被压缩了1 2 3 倍。除了个别情况下算法的测试时间接近最优结果外，二级测 试压缩方法的测试时间均少于已有算法。 其次，提出了基于测试响应复用的s o c n 试数据压缩方法s t c t r 和测试 调度方法s t s h c 。先对各个测试集进行预处理，通过预处理，用前一个核的 测试响应压缩本待测核的测试激励，然后从本待测核的测试集中删掉与它前 面核的测试响应相容的测试向量。在实际测试时，对于待测核的测试序列， 除了最后一个核外，直接将与后一个核的测试激励相容的本待测核的测试响 应作为后一个核的测试输入，对其余的测试重复上述操作。若前一个待测核 的测试响应与所要施加的测试向量都不相容，则直接从a t e 中取测试数据。 硬件实现上只需几个二选一的多路选择器m u x ，即可控制测试数据取自何 处。给出了调整待测核测试顺序及与各个待测核对应的测试向量施加顺序的 启发式算法，使测试效果接近最优。提出的方法不需要解码器。考虑功耗的 核测试流水降低了测试应用时间。已有s o c 钡, g 试调度方法的硬件开销较大， 与之相比较，采用层次聚类分析的方法s t s h c 解决基于测试响应复用的s o c 测试调度，算法实现起来比较简单。实验结果表明，与经典的算法比较，本 文的算法s t s h c 的测试应用时间最少：本算法的测试压缩率平均值高达5 0 哈尔滨丁程大学博士学传论文 三i i ；暑；i i ；宣；昌；i i ；昌；i i ；i i i m i ；i 左右，与以往的算法是可比较的。值得一提的是，本文的方法分别将s o c 基 准电路p 9 3 7 9 1 和p 3 4 9 3 2 的故障覆盖率提高了1 3 2 和5 0 8 。可见，算法 s t c t r 不但没有降低各测试集的故障覆盖率，反而提高了一些测试集的故障 覆盖率。 再次，提出了基于进程代数的s o c i a l 试调度方法。为了降低测试应用时 间，可采用测试流水，然而测试过程中产生的功耗可能会毁坏待测系统，鉴 于这一点，流水测试时应将测试功耗控制在允许范围之内。进程代数是处理 并发进程的有力工具，以进程代数为理论基础，给出了并行测试进程的时间 标记变迁系统模型( t l t s ) ，并形成了将前者转化为进程代数a c s r ( a l g e b r a o fc o m m u n i c a t i n gs h a r e dr e s o u r c e s ) 描述的几个定理，建立了s o c 钡t 试调度模 型s t s a c s r 。将核的并行测试映射为并发执行的进程，把测试资源建模为 a c s r 资源，优先级可以解决测试冲突，从而使得功耗约束下的测试获得最 大并行性同时使测试应用时间最小。实验结果证明了进程代数在处理s o c 测 试调度问题方面优于经典的算法。 关键词：s o c 测试压缩；s o c 测试调度；测试响应重用；进程代数a c s r s o c 测试资源优化方法研究 a b s t r a c t s o ct e s th a sa t t r a c t e dr e s e a r c h e r s a t t e n t i o nf o ry e a r s h o w e v e rw i t ht h e i n c r e a s i n gc o m p l e x i t ya n ds c a l eo fi ci nv d s m ( v e r yd e e ps u b m i c r o n ) ，i ct e s t g r o w sc o s t l ya n dt i m e c o n s u m i n g ，a sp o s e ss e v e r ec h a l l e n g e st os o ct e s t m o r e o v e rt e s tr e s o u r c e ss u c ha ss t o r a g ec a p a c i t i e so fe x t e r n a le q u i p m e n ta n dt h e n u m b e ro ft e s tc h a n n e l sd o n ts a t i s f yt h et e s tr e q u i r e m e n t s c o n s e q u e n t l ys o ct e s t r e s o u r c e so p t i m i z a t i o ni sn e c e s s a r yf o rc o s t e f f e c t i v et e s t t h i st h e s i se x p l o r e s s o ct e s td a t ac o m p r e s s i o n ，s o ct e s ts c h e d u l i n ga n dl o wp o w e rs o ct e s tf r o mt h e p e r s p e c t i v eo fr e d u c i n gt e s tc h a n n e l sr e q u i r e m e n t ，a t es t o r a g er e q u i r e m e n t ，t e s t a p p l i c a t i o nt i m ea n dp o w e rd i s s i p a t i o n t h ec o n t r i b u t i o n so ft h et h e s i sc o n c l u d e ： f i r s t l y , t h i st h e s i sp r e s e n t san o v e la p p r o a c ht oc o r e b a s e ds o ct e s t c o m p r e s s i o n a tf i r s ts e t p ，t h et e s tv e c t o r sf r o md i f f e r e n tt e s ts e t sa r eo v e r l a p p e d t ot h em a x i m u ml i m i tt of o r mo v e r l a p p e dt e s tv e c t o r s ，t h e nv a r i a b l e r u n l e n g t h ( 之l ) c o d i n gi sa p p l i e dt ot h eo v e r l a p p e dt e s tv e c t o r s h e n c et h et w o 1 e v e l c o m p r e s s e dt e s td a t aa r ef o r m e d d u et ot h ef a c tt h a tt h et e s ta p p l i c a t i o nt i m ei si n p r o p o r t i o n a lt ot h el e n g t ho fo v e r l a p p e dt e s tv e c t o r , a n dt h el e n g t ho fa c t u a l o v e r l a p p e dv e c t o r si sf a rl e s st h a nt h a to ft h es u mo ft h el e n g t ho ft e s tv e c t o r s ，t h e t e s ta p p l i c a t i o nt i m ei sr e d u c e ds i g n i f i c a n t l y a n dv r l h a n d l e sb o t hr u nl e n g t ho f z e r oa n dl - u nl e n g t ho fo n e ，t h u sm a x i m i z i n gt h ec o d i n ge f f i c i e n c y e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o da c h i e v e st h eh i g h e s tt e s tc o m p r e s s i o nr a t i o o f6 7 4 a n dt h el o w e s t3 9 5 w h i l et h ea v e r a g et e s tc o m p r e s s i o nr a t i or e a c h e s 5 6 i nt h eb e s tc a s e ，t e s td a t ai sr e d u c e db y1 2 3t i m e s i na d d i t i o nt oaf e wc a s e s t h ep r o p o s e dm e t h o dc o n s u m e st h el e a s tt e s tt i m e s e c o n d l y , t h i st h e s i sp r e s e n t sam e t h o df o rs o ct e s tc o m p r e s s i o na n dt e s t s c h e d u l i n gb a s e do nt e s tr e s p o n s er e u s ei d e a t h et e s ts e t sa r ep r e p r o c e s s e db e f o r e t e s t t h et e s tr e s p o n s e sf r o mp r e v i o u sc o r e sa r eu s e dt oc o m p r e s st h et e s ts t i m u l i o fc u r r e n tc o r e su n d e rt e s t t h r o u g hp r e p r o c e s s i n g t h e nd e l e t e t h et e s tv e c t o r s f r o mt h et e s ts e to fc u r r e n tc o r e su n d e r t e s t ，w h e ns u c ht e s tv e c t o r sa r ec o m p a t i b l e 哈尔滨丁稃大学博十学位论文 w i t ht h et e s tr e s p o n s e so fp r e v i o u sc o r e s d u r i n gt h ea c t u a lt e s tp r o c e d u r e f o ra u t h ec o r e se x c e p tt h el a s to n e ，i ft h e i rc o r r e s p o n d i n gt e s t v e c t o r sa r ec o m p a t i b l e w i t ht h et e s ts t i m u l io fn e x tc o r e s ，t h e nt a k et h et e s tr e s p o n s e so fc u r r e n tc o r e s u n d e rt e s ta st h et e s ti n p u t so fn e x tc o r e s t h e nr e p e a tt h ea b o v eo p e r a t i o n su n t i l t e s tv e c t o r so fa l lt h ec o r e sa r ep r o c e s s e d i ft h et e s tr e s p o n s e so fp r e v i o u sc o r ea r e n o tc o m p a t i b l ew i t ht h et e s tv e c t o r st ob ea p p l i e d ，t h e nf e t c ht h et e s t d a t ao f c u r r e n tc o r e su n d e rt e s td i r e c t l yf r o ma t e o nh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n ，o n l ya c o u p l eo f2 - t o - 1m u x sa r en e e d e dt oc o n t r o lw h e r et h et e s td a t ac o m ef r o m t h e a d j u s t m e n th e u r i s t i c sf o rt e s ts e q u e n c e so fc o r e su n d e rt e s t ，a n dt h o s eo ft e s t v e c t o r sa p p l i c a t i o nc o r r e s p o n d i n gt oe a c hc o r e su n d e rt e s ta r eo u t l i n e dt og e tt h e o p t i m a lt e s te f f e c t t h ep r o p o s e dm e t h o dd o e sn o tr e q u i r ed e c o d e r ，t h u sr e q u i r e s l i t t l eh a r d w a r eo v e r h e a d p o w e rc o n s t r a i n e dc o r et e s tp i p e l i n i n gf u r t h e rr e d u c e s t e s t a p p l i c a t i o nt i m e f o rt e s tr e s p o n s er e u s e b a s e ds o ct e s t s c h e d u l i n g ， h i e r a r c h i c a lc l u s t e r i n gs t s h ci sa d o p t e df o rt e s tt i m em i n i m i z a t i o n c o m p a r e d t op r e v i o u sp u b l i s h e dm e t h o d s ，t h i sm e t h o di s e a s yt oi m p l e m e n ta n dc o n s u m e s l i t t l eh a r d w a r e e x p e r i m e n t a lr e s u l t so nb e n c h m a r k ss h o wt h a t ，c o m p a r e dt ot h e e x i s t i n gm e t h o d s ，s t s h cc o n s u m e st h el e a s tt e s tt i m ea n dt h a to u rt e s t c o m p r e s s i o nr a t i oi sr e l a t i v e l yh i g h e lt h ea v e r a g et e s tc o m p r e s s i o nr a t i or e a c h e s u pt o5 0 i na d d i t i o n ，t h ef a u l tc o v e r a g ef o rs o cb e n c h m a r kc i r c u i tp 9 3 7 9 1a n d p 3 4 9 3 2i si n c r e a s e db y1 3 2 a n d5 0 8 r e s p e c t i v e l y t h e r e f o r e a l g o r i t h m s t c t ri n c r e a s e sf a u l tc o v e r a g eo fs o m et e s ts e t s ，a tl e a s ti td o e sn o tc o m p r o m i s e t h ef a u l tc o v e r a g eo fe a c ht e s ts e t t h i r d l y , t h i st h e s i sp r e s e n t sp r o c e s sa l g e b r a b a s e ds o ct e s ts c h e d u l i n g t e s t p i p e l i n i n gc a b ea d o p t e dt om i n i m i z et e s ta p p l i c a t i o nt i m e h o w e v e r ，i no r d e rt o a v o i dt h eh i g ht e s tp o w e rd e s t r o y i n gs y s t e mu n d e rt e s t ，t h et e s tp o w e ro c c u r r e d d u r i n gt e s ti st ob ek e p tu n d e rc o n t r 0 1 p r o c e s sa l g e b r ai sk n o w nf o rh a n d l i n g c o n c u r r e n tp r o c e s s e s t h i st h e s i sf o r m s t i m e 1 a b e l e d t r a n s i t i o n s y s t e mm o d e lf o r c o n c u r r e n tp r o c e s s e sb a s e do np r o c e s sa l g e b r a ，a n de s t a b l i s h e ss o m et h e o r e m s a n dd e f i n i t i o n st oc o n v e r tt h ef o r m e rt ot h ea c s r ( a l g e b r ao fc o m m u n i c a t i n g s h a r e dr e s o u r c e s ) d e s c r i p t i o n a n ds o ct e s t s c h e d u l i n gm o d e ls t s a c s ri s s o c 测试资源优化方法研究 o u t l i n e d t h ec o n c u r r e n ts o ct e s ti sm a p p e di n t oc o n c u r r e n t l ye x e c u t e dp r o c e s s e s a n dt e s tr e s o u r c e sa r em o d e l e da sa c s r r e s o u r c e s p r i o r i t ya s s i g n m e n t sa v o i dt e s t c o n f l i c t s t h u st h e p o w e r c o n s t r a i n e ds o ct e s ta c h i e v e sm a x i m u mt e s t c o n c u r r e n c ya n dl e a s tt e s ta p p l i c a t i o nt i m e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h e e f f i c i e n c yo fp r o c e s sa l g e b r ai nh a n d l i n gs o ct e s ts c h e d u l i n gi nc o m p a r i s o nt ot h e c l a s s i c a la l g o r i t h m s k e y w o r d s ：s o ct e s tc o m p r e s s i o n ，s o ct e s ts c h e d u l i n g ，t e s tr e s p o n s er e u s e ， a l g e b r ao fc o m m u n i c a t i n gs h a r e dr e s o u r c e s ( a c s r ) 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：召千晶次 日期：卯g 年，1 月日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究的意义 1 1 1 芯片设计规模 四十多年以来，半导体工业的飞速发展使得它的产品不断更新换代。摩 尔定律预测，每隔1 8 个月，单个芯片上集成部件的数目翻一番，集成电路 ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，1 c ) 的特征尺寸呈指数级缩小【1 1 。半导体工业产品的发展趋 势为：集成度越来越高、单位功能的成本越来越低、微处理器吞吐量越来越 大、笔记本或移动电话的电池寿命越来越长、小的轻量级产品越来越紧凑。 而其中最显著的趋势是单位功能成本在不断降低，这使得计算机、通信及其 他工业和消费电子产品的生产力和总体质量在不断提高。自1 9 9 2 年以来，单 位功能成本的减少( 历史上，约每年减少2 5 2 9 ) 促进了i c 市场的的增长( 历 史上，平均每年增长1 7 ，近年来增长较缓慢) 。 集成电路制造工艺的进步使芯片上可集成的晶体管数量不断增长，预计 在2 0 1 0 年芯片上可集成晶体管的数量将达到百亿数量级。芯片规模和复杂度 的不断提高，导致芯片制造能力与设计能力的差距越来越大。为了缩短i c 产 品的设计周期和上市时间，人们采用基于i p 核的芯片设计方法。这种方法可 复用已有的i p 核，从而减少了设计工作量，加快了产品设计速度和面市时间。 因此基于i p 核的s o c ( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 设计方法一经提出，就得到了集成 电路设计商、电子设计自动化( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ，e d a ) 厂商和无 晶圆半导体公司( f a b l e s s ) 的热烈响应。i p 核种类也日渐丰富。 1 1 2s o c 测试复杂性 随着i c 规模的增加，测试过程也越来越复杂。主要有以下几个方面的原 因提高了测试过程的难度【l j 。 第一，器件定制的程度和项目复杂性的不断提高使测试过程越来越复杂。 测试过程越来越多地围绕如何评估芯片的质量，以及如何分辨更改、区分或 定制特定芯片的实际处理过程。例如存储器块冗余修复，芯片配置熔丝的烧 哈尔滨t 程大学博七学位论文 制，r o m 编程，或其他产品的编程。另外，一些商业部门看到，由于物理上 的分离成为制造测试流的一部分，同个芯片的种类增长十分可观。所有这些 问题对制造测试过程、扩展设备、制造自动化和集成基础组织的要求越来越 - l 局。 第二，为维持成本，分布式测试越来越多地被使用。d f t 技术支持分布 式测试的要求和仪器与设备平台的制造需求，这种技术将仍是工业测试过程 广泛使用的集成方案，这种方案可以优化测试制造的资金开销，运作的测试 成本以及产品出厂质量。设计验证与制造测试所需的不同类型机器的分布与 区别仍将继续下去。这种区别将以验证工具和制造工具的速度、精确性、数 量、通道类型为核心。集成各类的c m o s 电路、混合信号等产品将使得分布 式测试方案成为更有魅力的解决方法，这比提高a t e 平台复杂性、使制造测 试成为包揽所有的平台更有优势，然而，这又提高了测试过程流本身的复杂 性。 第三，测试数据量剧增。测试数据除了用来区分一块给定的芯片是否有 故障外，由于下面几个原因，它的地位越来越重要一需要增加、修补测试数 据，并把它集成到测试系统和基础组织内。从某种意义上来说，部件测试过 程的输出是数据，是衡量不同产品芯片的测试过程应用标准的结果，因而需 要更好地集成芯片工艺产品经验曲线等的测试数据。 第四，适应性测试的动态测试流。减少总体测试成本的种新出现的方 法是打破运行固定测试流的惯例，形成一种方法，使最近测试的芯片或单元 的结果可以用来确定需要特别测试的概率。统计学上讲，如果一个或一组测 试被认为“很重要”的概率很低，那么这个( 些) 测试可被暂时丢弃或被其他 测试取代。可根据概率来增加执行的测试数目。 1 1 3s o c 测试费用 s o c 的测试必须插入d f i ( d e s i g nf o rt e s t a b i l i t y ) 策略，这样才能实现嵌入 式核的测试和对整个系统的测试。d f f 策略是s o c 钡, o 试的一个重要问题，而 另一个很大的问题就是测试费用，据估计，如果以目前的增长速度，测试费 用越来越接近设计费用甚至会超过它。随着芯片设计技术的不断发展，每个 晶体管的制造费用在逐年减少，而硅片的测试费用在增加。 第1 章绪论 摩尔定律预测的由于i c 规模的不断扩大而得到的经济节约并不适用于测 试。换言之，l c 规模的不断增加没有降低i c 测试成本。可测性设计的创新， 结构测试技术的广泛使用如扫描测试，更高级别的测试并行性已经成功地将 测试成本控制在许可范围之内。然而复杂度不断增加的新的测试需求、不断 增加的质量需求和对并行测试的限制持续对测试成本提出严峻的挑战。尤其 是测试工具成本比如探卡并没有升级，威胁着测试成本，如果这种趋势继续 下去，探卡有可能控制着测试总成本。产品成本优化应该保证总体产品质量 的同时在设计、制造、成品经验曲线和测试之间找一个平衡点。a t e 测试生 成程序的自动化，测试的收敛以及系统的可靠性解决方案，将测试接口硬件 和仪器的建模和模拟集成到器件设计过程中都在挑战着测试成本。 1 1 4s o c 测试面临的问题 基于口核的s o c 设计模式一方面缩短了s o c 设计周期、加速了s o c 上市时 间，另一方面却使s o c n 试面临巨大挑战。这是因为： 第一，口核供应商与s o c 集成商是不同的企业，为了保护知识产权，i p 核供应商不愿意向s o c 集成商提供i p 核的结构信息。但是i p 核的测试是由s o c 集成商完成的，这样对s o c 集成商来说，i p 核测试是黑盒测试，也就很难对 测试进行优化。 第二，口核的多样性带来测试的复杂性。就i p 核的设计形式而言，有软 核、固核、硬核三种；就电路类型而言，有数字逻辑核、存储器核、模拟 混合核；就功能而言，有处理器核、d s p 核、多媒体核等；就电路可测试性 设计方法而言，有内建自测试( b u i l t i n s e l f - t e s t ，b i s t ) 、扫描测试、测试点 插入等；就时钟而言，有处理器核禾i j d s p 核等需要高频时钟的i p 核，也有外 设控制器等只需要低频时钟的i p 核。s o c 集成商必须考虑对多样性的支持。 第三，测试资源是有限的，外部测试设备所能提供的测试通道数， a t e ( a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t ) 的测试通道深度和测试时间都是稀少资源。 s o c n 试必须考虑所有与此有关的细节，因而使测试日渐成为s o c 设计流程中 的瓶颈。 不断增加的设备i o 带宽需求驱动着更快速、更宽的高速接口的发展，向 测试接口控制的接触阻抗极限提出了挑战。s o c 中全新半导体技术的不断集 哈尔滨t 程大学博士学位论文 成对每个核的可测性设计管理、s o c 核外壳测试的标准化提出了挑战。新出 现的技术如r f 、模拟和微电机系统引入了特殊的难题，并且在测试方法上有 重大的突破。这些问题越来越普遍，而且有的已经被集成到数字c m o s 技术 中。一些设备的结构朝着更复杂的电源管理或自修复机制方向发展，这可能 违背了长久以来确定存储测试激励和测试响应的测试模式，而且增加了更多 的测试情况包括与单值温度、电压和频率相对的多电源、多电压、多频率拓 扑等等。 1 1 5s o c 测试资源优化的意义 随着芯片集成度和复杂度的不断提高，与i c 测试相关的问题如测试生成、 测试时间、测试速度、测试成本、测试调度、测试访问机制、输入的可控性 和输出的可观察性变得越来越复杂与尖锐。国际半导体技术路线图i t r s ( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o r s ) 预测，到2 0 1 0 年，测试 占s o c i a l 造成本的绝大部分。在制造测试成本中a t e 成本占主要部分。a t e 成本受测试速度、时序的精确度、引脚数、混合信号和射频核的内存深度以 及特殊功能影响。越来越高的s o c 设计复杂性对测试资源提出了更高的要求， 比如需要更多的引脚和测试数据量来保证较高的故障覆盖率，容纳更大测试 数据量的测试通道深度，更多的测试通道数，进而使得a t e 的成本越来越高。 因而，s o c 澳j 试需要新的低成本测试策略，比如小规模的测试集，少量 的引脚数目需求，小的带宽需求。另外，测试时被测电路中各个点都在频繁 跳动，功耗比电路正常运行状态下要大得多，所以s o c 低成本设计必须要考 虑测试总功耗。因此，设计划算的封装芯片散热技术在可预见的未来仍是很 重要的。 为了使有限的测试资源满足s o c 测试，有必要优化s o c ；1 9 1 , o 试资源。s o c k , 4 试资源的优化包括s o c 测试数据压缩、s o c 澳j j 试调度以及低功耗s o c 测试等。 1 2s o c 测试 1 2 1 基于核的s o c 测试 构成s o c 的关键成分是称为“核”或i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 的功能块。 核可以分为三类：软核( s o f ti p ) 、固核( f i r mi p ) 、硬核( h a r di p ) 。软核是可 4 第1 章绪论 i i ip ifs_ ii 一一w i i ；i 高 综合的高层或行为描述，缺少实现的细节。固核通常是在结构上已经优化了 的网表。硬核是提供版图的完全实现的电路。典型情况下，硬核的提供者也 提供了专门的测试集用于核的测试；而软核和固核的测试集则由系统集成者 ( 即s o c 设计人员) 自己开发。当核被集成到系统内部后，很难通过系统的输 入对内部的核施加有效的测试数据，并从系统的输出捕获内部核的响应。因 此，s o c 钡, q 试就成为测试领域一个新的挑战。它主要涉及三个方面的问题： 核级的测试、核测试访问、核测试封装( c o r e t e s tw r a p p e r ) ，这三个问题体现 在图1 1 中。 图1 1 嵌入式核测试 f i g 1 1t e s tf o re m b e d d e dc o r e s o c 澳o 试结构包含三个部分( 见图1 1 ) ：测试激励源( t e s ts o u r c e ) 、测试 访问机制( t e s t a c c e s sm e c h a n i s m s ，t a m ) 和测试响应宿( t e s ts i n k ) 。测试源用 于产生测试数据；测试宿用于比较测试响应；测试访问机制用于传递测试数 据( 由于不可通过基本输入直接访问s o c 上嵌入的核，需要专门的测试访问机 制来方便s o c 测试) ；测试外壳用于封装嵌入式芯核( 作为接口，核外壳连接 测试访问机制与嵌入核) ；测试访问机制和测试外壳主要解决芯核的可访问性 问题。 核级的测试指测试一个单独的核采用的方法，包括使用的d f t 技术、产 生测试集等，测试的施加既可以使用外部a t e ，也可以使用b i s t ( 片内的测试 源和测试宿) 。为了测试基于核的复杂芯片，必须重新考虑嵌入核的模块级测 试，特别是在设计的早期阶段或较高层次( 寄存器传输级及其以) 上重用的核， 气 哈尔滨1 二程大学博士学位论文 必须慎重考虑它们的可测试性设计方案或内嵌测试方案。因此，需要在早期 设计阶段考虑测试的质量和测试开销，研究包含嵌入核的可测试性设计的测 试结构技术【2 , 3 l 。 基于i p 核的芯片设计意味着对过去设计的复杂的功能模块进行重复使 用。嵌入的核必须能够参与目标芯片设计所期望的芯片级测试约束，并且对 核本身的测试应该能够封装到整个芯片中，其测试结果要与外部的测试方法 兼容。尤其是对各种i p 核的复杂内嵌测试技术的使用，测试结构的设计增加 了难度。因此，有效的测试资源管理，即合理的测试结构，已经成为s o c 测 试领域的一个重要课题。 1 2 2s o c 测试遇到的问题 基于i p 核的s o c 技术提高了芯片结构化设计及集成度，然而s o c n 试也带 来了很多的问题。由于s o c 中包括数字、模拟、射频、电源等各种模块或核， 而且s o c 芯片的复杂度在不断增长加，对芯片的测试变得越来越困难，加之 由于s o c 的特殊性，s o o n 试面临着独特的难题。 第一，由于i p 核被嵌入至r j s o c 中，i p 核的测试访问不能像板级系统设计那 样在物理上即可直接访问芯片的输入输出引脚，i p 核的输入输出端口不可控 制、不可观测。因此，必须为口核提供相应的测试访问通道，实现测试访问。 第二，由于s o c 其自身的特性，一个完整的s o c 芯片经常集成多个i p 核， 而一般情况下i p 核的提供者与s o c 集成者是独立的。为了保护知识产权，m 核提供者不会向s o c 集成者提供i p 核的结构信息，而是在提供i p 核的同时提供 一个测试数据集。这样，对s o c 集成者来说，i p 核测试就是黑盒测试，因而 很难对测试进行优化。 第三，由于一个s o c 上通常嵌入了多个i p 核，而且还可能包含一些用户 定义逻辑u d l ( u s e r d e f i n e dl o g i c ，u d l ) ，因此，需要在测试i p 核的过程中对 核进行隔离。即在测试i p 核过程中将核输入输出端口与片上其他互连逻辑的 输入输出端口相隔离，从而使得i p 核在测试过程中与其他逻辑不至于相互干 扰。 第四，在s o c 中，片上可能复用了很多不同类型的i p 核，这些l p 核不可能 同时被测试，而是要分批进行测试，因此就需要一种测试控制策略来控制片 6 第1 章绪论 上i p 核的测试。从系统集成的观点来看，有效的测试策略必须把系统当作一 个整体来测试。s o c 钡, o 试包括系统中每个芯核的测试、u d 棚0 试、系统中其 他部分的测试。也就是说，s o c 钡, t l 试要包括从芯核到系统的各个部分、各个 阶段的测试。为了评价s o c 测试方法的好坏，必须考虑以下几个尺度： 1 ) 总的测试时间。总的测试时间定义为从开始测试到测试完全结束所经 历的时间。测试时间越小，测试费用也会相应的减少。可以考虑通过减少测 试向量个数和采用更好测试调度策略来减少总的测试时间。 2 ) 故障覆盖率。s o c 是个复杂的系统，其中包括u d l 等，所以要达到高 测试覆盖率，必须对s o c 各个部分进行测试，这势必造成很大困难。 3 ) 面积开销。面积开销是指为了进行s o c 钡, o 试而增加的硅片面积开销。 如何减少面积开销也是个难题。 4 ) 测试功耗。测试时，电路各个结点都在频繁跳动，所以测试时的功耗 比电路正常运行下的功耗大得多。而过大的功耗可能会损坏系统。所以如何 减少测试功耗是衡量测试策略好坏的又一标准。 第五，由于s o c 规模很大，需要进行适当的测试资源划分。测试资源是 指用于完成测试的外部测试设备和片上测试电路。测试外壳除了包含标准的 外壳机制外，还可以包含一些其他的片上测试资源，如测试数据解压缩资源， 这些资源用于减少测试时间和测试数据量，对降低测试成本有重要意义。通 过合理地调度各个i p 核实现并发测试，能有效地缩短s o c 测试时间，降低测 试成本。 1 2 3s o c 测试结构设计 基于核的s o c 澳j j 试结构设计主要包括三方面的内容：核测试封装设计、 t a m 设计以及核测试的调度。 核测试封装和t a m 的设计对测试硬件开销和测试应用时间有很大影响。 主要有三种t a m 访问嵌入核的方法。第一种方法是测试总线结构，使用专用 总线f 4 ，5 j 在测试模式下将被测核与其他逻辑隔离开来，传送测试数据。第二种 方法则使用边界扫描结构在测试模式下隔离被测核【6 , r l 。第三种方法使用的是 核旁路模式( b y p a s sm o d e ) 【8 】和透明( t r a n s p a r e n c y ) 模式【9 - 1 1 1 。t a m 用来传递测 试数据。t a m 设计包括核封装优化、核与t a m 衔接、t a m 线的路由、t a m 哈尔滨_ 程大学博士学位论文 的规模控制等。核测试封装和t a m 的协同设计【1 2 j 是s o c n 试结构的重要研究 方向之一。 测试壳提供了嵌入式核与它所在的测试环境之间的接口，也就是测试访 问机制必须通过测试壳才能访问每个核。通过把芯核放到测试壳内可以最大 限度地减少测试冲突，所以测试壳的设计也至关重要。文献【4 ，5 】分别提出了 t e s t s h e l l 和t e s t c o l l a r 的芯核外壳设计方法。而i e e e 关于芯核外壳的标准提案 非常接近于t e s t s h e l l 和t e s t c o l l a r 设计。 对于t a m 设计，文献 4 】提出了t e s t r a i l 结构，这种结构结合了测试总 线和边界扫描的优点，支持芯核共享测试线和测试旁路机制，从而能更灵活 地提供单芯核调试能力和并行测试能力。文献 5 】提出了t e s t b u s 结构，这种 结构可以从芯片引脚直接访问芯核，多个芯核可以被连接到一条测试总线上， 除了正在进行测试的芯核外，其他共享这一总线的芯核都保持高阻状态。这 种访问机制可以通过复用功能总线的方式，很好地应用于基于a r m 的a m b a 系统。其他测试访问机制还有直接并行连接、基于边界扫描或片上网络等多 种方法。 1 2 4s o c 测试标准 在s o c 中，i p 核只是一种r t l 、网表级或版图级的设计描述，可能已经包 含可测试性设计。系统集成商需要对这些i p 核进行功能集成并设计测试方案。 这样，i p 核供应商应向s o c 集成商提供必要的测试信息。由于i p 核的多样性， 如何建立标准的接口以简化复杂的测试过程，是各s o c n 试标准的共同目的。 下面简要介g 召s o c n 试标准i e e e1 5 0 0 。 1 9 9 5 年，i e e e 计算机学会的t e s tt e c h n o l o g yt e c h n i c a lc o u n c i l ( 1 盯c ) 开 始研究嵌入式芯核的测试问题，并于1 9 9 7 年建立了s t a n d a r df o re m b e d d e d c o r et e s t t 作组，2 0 0 5 年制定 i e e e1 5 0 0 标准【1 3 l 。i e e e1 5 0 0 测试外壳标准 的主要目标是：除了测试系统芯片的胶合逻辑、边界控制电路外，主要测试 各个i p 核心电路。 i e e e1 5 0 0 沏, 0 试外壳为了分别测试这些不同的项目，提供了几种测试模 式：正常功能测试、i n