（计算机应用技术专业论文）基于fpga的可测性设计方法研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 现场可编程门阵列( f p g a ) 是一种现场可编程专用集成电路，它将门 阵列的通用结构与现场可编程的特性结合于一体，如今，f p g a 系列器件已 成为最受欢迎的器件之一随着f p g a 器件的广泛应用，它在数字系统中 的作用日益变得重要，它所要求的准确性也变得更高因此，对f p g a 器 件的故障测试和故障诊断方法进行更全面的研究具有重要意义。随着f p g a 器件的迅速发展，f p g a 的密度和复杂程度也越来越高，使大量的故障难以 使用传统方法进行测试，所以人们把视线转向了可测性设计( d 玎) 问题。 可测性设计的提出为解决测试问题开辟了新的有效途径，而边界扫描测试 方法是其中一个重要的技术。 本文对f p g a 的故障模型及其测试技术和边界扫描测试的相关理论与 方法进行了详细的探讨，给出了利用布尔矩阵理论建立的边界扫描测试过 程的数学描述和数学模型。论文中首先讨论边界扫描测试中的测试优化问 题，总结解决两类优化问题的现有算法，分别对它们的优缺点进行了对比， 进而提出对两种现有算法的改进思想，并且比较了改进前后优化算法的性 能。另外，本文还对f p g a 连线资源中基于边界扫描测试技术的自适应完 备诊断算法进行了深入研究。在研究过程中，本文基于白适应完备诊断的 思想对原有白适应诊断算法的性能进行了分析，并将独立测试集和测试矩 阵的概念引入原有自适应诊断算法中，使改进后的优化算法能够简化原算 法的实现过程，并实现完备诊断的目标。最后利用测试仿真模型证明了优 化算法能够更有效地实现完备诊断的目标，在紧凑性指标与测试复杂性方 面比现在算法均有所改进，实现了算法的优化。 关键词：f p g a ：可测性设计；故障诊断；边界扫描测试；自适应诊断 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p o a ) i san e wk i n do fd e v i c e , w h a t c o m b i n e st h es t r u c t u r ei nc o n l m o l lu s eo fg a t ea r r a ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f f i e l dp r o g r a m m a b l et o g e t h e r n o w , t h ef p g as e r i a ld e v i c e sa mb e c o m i n go n e ：o f t h em o s tp o p u l a rd e v i c e s w i t ht h ee x 把m i v ca p p u c a t i o no f f p g a , t h ef u n c t i o n i nt h ed i g i t a ls y s t e mi sm o r ei m p o r t a n t s o ，t h em o t o v e r a l lr e s e a r c h0 1 1t h e f a u l tt e 茹n ga n dd i a g n o s i n gi ss i g n m c a n t w i t ht h ef a s te x p a n do ft h es c a l eo f t h ei n g r a t e dc i r c u i t ，t h es m l c m l 呛o f t h ec i r c u i tb e c o m e sm o i ec o m p l e x 。w h i c h m a k e sn u m b e 幅o fd e f a u l t sa f n o te a s yt ot e s t , r e q u i r i n gf p g ad e s i g n e r st o c o n s i d e rt h ep r o b l e mo fd e s i g n - f o r - t e s t a b i l i t y ( d f r ) t h ep r o p o s i t i o no ft h e p r o b l e mo f d e s i g nf o rt e s t a b i l i t yo f f e r san e we f f e c t i v ew a yt os o l v et h ep r o b l e m o f t e s t i n g , a n do n co f t h ei m p o r t a n tt e c l m o l o g i e so f d f t i sb o u n d a r ys c a n “笃l t h i sp a p e ri m r o d u c c st h e 硎蚋_ 。i mc h a r a c t e r i s t i c sa n d t e s t i n gt e c h n i q u e so f f p g ad e v i c e s a n dt h ep r i n c i p l es i 矾】c 血删a n dt h e o r i e so fb o t m d a ys c 锄l e s t t h em a t h e m a t i c sd e s c r i p t i o n sa n dm a t h e m a t i c sm o d d so fb s tu t i l i z i n gt h e m a u i xt h e o r ya r eg i v e 也f i r s t , t h ep r o b l e mo ft e s t0 】廷砸l i 西丑gi nt h eb s ti s d i s c u s s e d ，a n dt h ee 耐s t m ga r i t h m e t i cw h i c hs o l v e st w ok i n d so fo p t i m i z a t i o n p r o b l e m si sp m v i d s d t h i sp a p e ra n a l y z e st h e i ra d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g s , p u t sf o r w a r di m p r o v e m e n t st ot w ok i n d so fe x i s t i n ga l g o r i t h m s ，a n dc o m p a r e s t h ep e r f o r m a n c e so fb o t ho p t i m i z a t i o na l g o r i t h m st h a tb e f o r ea n da f t e rb e r g i m p r o v c d i na d d i t i o n , t h i sp a p e rg i v e st e s t i n go p t i m i z a t i o ns t r a t e g ya n dp r o c e s s t h o r o u g hr e s e a r c ho na d a p t i v ea l g o r i t h m sb a s e d b o u n d a r ys c 鼢t e s t i n g t e c h n i q u ef o r 皿旧x i m a ld i a g n o s i so fi n t e r c o n n e c tr e s o u r c e so l lf p g a d e v i c e s d l l i i n gt h ep r o c e s so ft h er e s e a r c h , t h ep a p e ra n a l y z e st h ep e r f o r m a n c e so f o r i g i n a la d a p t i v ea l g o r i t h m sb a s e do nt h et h o u g h to f a d a p t i v em a x i m a ld i a g n o s i s , a n d 画e e l s t h ec o n c e p t so ft h ei n d e p e n d e n tt e s ts e ta n dt h et e s t i n gm a t r i xi n t o o r i g i 瑚da d a p t i v ea l g o r i t h m s , w h i c hm 炽t h ei m p r o v e do p t i m i z a t i o na l g o r i t h m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s i m p l i f yt h er e a l i z a t i o np r o c e s s e so f o r i g i n a la l g o r i t h m sa n da c h i e v et h eg o a lo f n 埔x i m a l d i a g n o s i s f i n a l l y , t h i sp a p e rd e s i g n sa n dl 镬d i z c $ as e to ft e s t e m u l a t i o nm o d e l st os h o wt h a tt h eo p t t m i z e da l g o r i t h mh a ss o m ei m p r o v e m e n l s i nb o t ht h ec o m p a c ( n e s sa n dc o m p l e x i t yo ft e s t , a n dc a na c h i e v et h eg o a lo f m a x i m a ld i a g n o s i sm o r e e f f e c t i v e l y k e y w o r d ：f p 6 a , d e s i g nf o rt e s t a b i l i t y , f a u l td i a g n o s i s ，b o u n d a r ys c a nt e s t , a d a p t i v ed i a g n o s i s 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。 遍 一 ， 儿 年 字 以 错 妇 者 期 作 日 第1 章绪论 f f g a 器件是现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r m y ) 的简 称，由美国x i l i n x 公司于1 9 8 5 年推出，它是一种现场可编程a s i c ( a p p l i c a f i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 。随着半导体技术、集成技术和计算机技术的发展， 电子系统的设计方法发生了质的飞跃，并且已经渗透到了电子系统设计的各 个领域，f p g a 系列器件的种类日益丰富，性能不断地完善，价格越来越便 宜，相配套的e d a 软件越来越完善，已成为最受欢迎的器件之一。 1 1 现场可编程门阵歹j j f p g a 的概述 1 1 1f p g a 的简介 现场可编程门阵列是一种新出现的可由用户自行定义配置的高容量密度 的专用集成电路，由掩膜可编程门阵列和可编程逻辑器件两者演变而来，因 此将门阵列器件的高集成度和通用性、单片逻辑集成的优点和可编程逻辑器 件的设计灵活，工艺实现方便，产品上市快捷的长处结合起来，目前已成为 一类标准的产品。由于f p g a 的前景看好，越来越多的工厂，包括i n t e r 、 m o t o r o l a 正在参与这一领域的角逐，f p g a 的性能不断完善，产品日益丰富。 f p g a 作为专用集成电路的一种类型，以其特有的原理和特征在数字系统设 计中得到不断的推广和应用。其主要特点有：设计编程十分容易，设计修改 方便，设计者可通过反复修改逐步达到设计目的和优化；可多次重复编程， 且可在开发系统中直接进行系统仿真，无工艺实现的损耗；可提供比p l d 和 e p l d 器件大的多的有效逻辑容量密度，功耗更低，功能更强，适应性更加 广泛。以x i l i n xf p g a 为代表，f p g a 器件在集成电路工厂按高的容量密度 来大量生产，然后由用户在现场，利用专用的开发系统，根据专门的应用设 计要求，进行设计、编程、实现，从而可将以前由几个乃至几百个r r l ，p l d ， e p l d 逻辑器件执行的逻辑功能在现场直接集成到单片的f p g a 器件之中， 从而可以有效地避免定制a s i c 设计的高成本，高风险和较长的设计周期的 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不足，为数字系统应用设计者，特别是对少批量产品、试制产品，提供了新 的实现路径。 f p g a 由可编程逻辑单元门阵列、布线资源和可编程的y o 单元阵列构 成，一个f p g a 包含丰富的逻辑门、寄存器和y o 资源。在f p g a 的布线资 源中有快速可编程内连线，通过这些内连线将排成阵列形式的可编程逻辑单 元连接在一起，实现一定的逻辑功能。f p g a 的密度大，单片中的等效逻辑 门从几千、上万甚至多达数百万，y o 引脚多达4 0 0 个以上，因此，一片f p g a 芯片就可以实现数百或更多个标准数字集成电路实现的系统功能【1 1 。 f p g a 的结构灵活，其逻辑单元、可编程内部连线和y o 单元都可以由 用户编程，可以实现任何逻辑功能，满足各种设计需求。其速度快、功耗低、 通用性强，特别适用于复杂系统的设计1 2 1 。使用f p g a 还可以实现动态配置、 在线系统重构( 可以在系统运行的不同时刻，按需要改变电路的功能，使系 统具备多种空间相关或时间相关的任务) 及硬件软化、软件硬化等功能。f p g a 中包含丰富的触发器资源，有些还具有诸如片上r a m 、内部总线等许多系统 级的功能，因而可以实现片上系统的集成。就互连结构而言，典型的f p g a 通常采用分段互连式结构，具有走线灵活，便于复杂功能的多级实现等优点， 但与此同时也带来了布线复杂度增加、输入至输出的延时变大及总的性能估 计较困难等问题。 1 1 2f p g a 的发展动态 随着用户对f p g a 性能要求的多样化，出现了各种改进结构的f p g a ， 如a l t e r a 公司2 0 世纪9 0 年代初推出的f l e x s 0 0 0 系列产品。这些产品将 c p l d 中的连续互联结构引入f p g a 中，采用功能块内局部互联与功能块间 用快速通道( f a s tt r a c k ) 互联相结合的方法，较好地解决了高集成度芯片的 走线规则性和延时可预测性问题。就编程工艺而言，出现了采用反熔丝作开 关元件的f p g a 和用闪速e p r o m 单元控制开关元件的f p g a 。目前，f p g a 的生产厂家已由最初的一家增加到十几家，产品种类日益丰富，性能不断完 善，成为最受欢迎的a s i c 器件之一。 目前，f p g a 的主要发展动向是哪： 1 深亚微米技术的发展正在推动了片上系统( s o c ) 的发展 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 越来越多的复杂i c 需要利用s o c 技术来制造，而s o c 要利用深亚微米 技术才能实现。随着深亚微米技术的发展，使s o c 的实现成为可能。与以往 的芯片设计不同，s o c 需要对设计i c 和在产品中实现的方法进行根本的重 新评价。 为了实现s o c 。国际上著名的现场可编程逻辑器件的厂商a l t e r a 公司、 x i l i n x 公司都为此在努力，开发出适于系统集成的新器件和开发工具，这又 进一步促进了s o c 的发展。 2 芯片朝着高密度、低压、低功耗的方向挺进 采用深亚微米的半导体工艺后，器件在性能提高的同时，价格也在逐步 降低由于便携式应用产品的发展，对现场可编程器件的低压、低功耗的要 求日益迫切。因此，无论那个厂家、哪种类型的产品，都在踏准这个方向而 努力。 3 口库的发展及其作用。 为了更好的满足设计人员的需要，扩大市场，各大现场可编程逻辑器件 的厂商都在不断的扩充其知识产权( m ) 核心库。这些核心库都是预定义的、 经过测试和验证的、优化的、可保证正确的功能。设计人员可以利用这些现 成的m 库资源，高效准确的完成复杂片上的系统设计。典型的口核心库有 x i l i n x 公司提供的l o g ；i c o r e 和a l l i a n c c c o r e 。 4 f p g a 动态可重构技术意义深远 随着数字逻辑系统功能复杂化的需求，单片系统的芯片正朝着超大规模、 高密度的方向发展。与此同时，人们却发现一个有趣的现象，即一个超大规 模的数字时序系统芯片，在其工作时，从时间轴上来看，并不是每一瞬间系 统的各个部分都在工作，而系统是各个局部模块功能在时间链上的总成。同 时，人们还发现，基于s r a m 编程的f p g a 可以在外部逻辑的控制下，通过 存储于存储器中不同的目标系统数据的重新下载，来实现芯片逻辑功能的改 变。正是基于这个称之为静态系统重构的技术，有人设想，能不能利用芯片 的这种分时复用特性，用较小规模的f p g a 芯片来实现更大规模的数字时序 系统。在研究过程中，有人尝试了这种设想，发现常规的s r a m 的f p g a 只 能实现静态系统重构。这是因为该芯片功能的重新配置大约需要数毫秒到数 十毫秒量级的时间；而在重新配置数据的过程中，旧的逻辑功能失去，新的 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 逻辑功能尚未建立，电路逻辑在时间轴上断裂，系统功能无法动态连接。但 是，要实现高速的动态重构，要求芯片功能的重新配置时间缩短到纳秒量级， 这就需要对f p g a 的结构进行革新。可以预见，一旦实现了f p g a 的动态重 构，则将引发数字系统的设计的思想的巨大转变。 可以断定f p g a 在结构、密度、功能、速度和灵活性方面将得到进一步 的发展。随着工艺和结构的改进，f p g a 的集成度将进一步提高，性能将进 一步完善，成本将逐渐下降，在现代电子系统设计中将起到越来越重要的作 用。 1 2 数字系统故障测试技术的研究动态 随着f p g a 的普及和推广，人们对数字系统可靠性的要求越来越高。数 字系统的可靠性很大程度上取决于测试的质量，利用测试手段可确定一个系 统的生产与工作是否正确，高速发展的集成电路计数使得测试开销成为逻辑 设计、生成代价的主要部分同时由于数字系统已经广泛应用于各行各业， 为保证其可靠运行，故障的检测和诊断是必不可少的重要环节。早期的数字 系统故障诊断是依靠工程技术人员凭借自己的丰富经验和理论知识，并借助 一些常规的工具来完成的。这对技术人员的素质有很高的要求，而且故障诊 断的速度慢，质量差。尤其是系统日趋复杂，这个矛盾更加突出。这种情况 迫使人们采用新的方法和技术来完成这项工作，而计算机的迅速发展，为故 障检测和诊断提供了物质基础，使测试与诊断的自动化技术得以发展h 。 数字系统的故障测试技术主要有两大研究课题，一是测试码的生成问题， 另一个是电路系统的可测性设计d f t ( d e s i g nf o rt e s t a b i l i t y ) 问韪目。下面 对国内外这两个方面的发展现状作简单的介绍 1 测试码的生成方法 由电路故障检测的基本思想可以知道，电路故障诊断的关键是如何得到 测试集。测试码的生成是一个非常复杂的问题。如何迅速准确地得到测试码， 如何判断测试码的有效性，如何保证测试码尽量简单，是测试码生成算法研 究的主要内容。目前，故障测试与诊断的测试码生成方法主要有以下几种方 式1 6 1 ： 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 ) 测试生成算法 根据逻辑电路本身的结构用算法自动生成测试码，称为测试码自动生成 ( a t p g ) 。自从电路的故障诊断成为一个重要的、独立的研究领域，国内外 诸多学者就在研究测试生成算法。发展至今，己诞生了许多测试生成算法， 其中大多数的测试算法是针对组合电路的，主要有两大类：一是基于故障传 播路径的方法，如敏化路径法、d 算法等；类是基于逻辑函数表达式的方 法，如布尔差分法。 2 ) 穷举测试码 根据输入端个数，将所有可能的输入向量组合作为测试集。对组合逻辑 电路来说，穷举测试码是完备的测试集，经过化简可以产生最小化的故障测 试集。但随着电路的规模不断扩大，测试码的数目随输入端数增加而指数增 加，这种方法往往不可接受。 3 ) 伪随机数测试码 。 对于n 个输入端电路产生一些n 位二进制伪随机数作为测试向量。 4 ) 故障模拟 以前在测试数字系统时，只有通过实际的调试才能发现其是否存在错误。 现在可以用计算机在特定软件支持下，建立一个模拟所要设计数字系统逻辑 行为的模型。在模拟过程中插入故障，模拟数字系统在出现某一故障时的逻 辑行为，称为故障模拟。故障模拟往往与其他方法结合起来使用，以生成一 个最小的测试集。 2 可测性设计 虽然针对与大多数集成电路来说，d 算法、p o d e m 算法、f a n 算法、 s o c r a t e s 算法、t r a n 算法及递归学习算法在不同程度上将测试生成研究 推向了一个新的阶段，但是这些方法只能成功解决了组合电路的测试生成问 题，对于高度集成化韵电路( 特别是含时序逻辑较多的电路) ，采用现有的测 试生成算法仍不能达到让人满意的结果。通过采用一些技术来提高测试码的 生成效率己不可能从根本上解决问题。解决问题的主要方法之一是进行可测 性设计。可测性设计是通过在电路中加入可测试逻辑来提高测试码生成效率， 提高测试生成效率的另一个有效途径是采用并行测试生成。并行测试生成是 采用并行处理机来提高测试生成效率，每一处理机只处理一个测试生成子任 s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 务 逻辑测试的发展趋势是：可测试性设计必须从测试生成的实际复杂性出 发，可测试性综合是在电路设计完成以前将可测试性设计因素考虑进去以指 导设计，这类方法的优点是不需要在电路设计完成后加入硬件逻辑来改进电 路的可测试性。由于测试生成算法已经不能大幅度降低测试生成代价，所以 采用并行处理机来产生测试码可有效地提高测试生成效率。非固定型故障的 测试生成与可测试性设计是测试研究的又一趋势。非固定性故障可以覆盖许 多固定型故障所不能检测到的缺陷。这类故障有转换故障、路径延迟故障和 桥接故障等。 1 3f p g a 器件测试技术的发展现状 随着f p g a 的密度和复杂程度越来越高，现有的技术不可能保证所有的 f p g a 器件中完全没有故障，而且其精细程度使机械探针的接触变得非常困 难，甚至不可能实现，i c 的复杂程度的提高也使其测试矢量的开发越来越困 难，这就要求f p g a 设计人员在设计系统和电路的同时，必须考虑f p g a 的 测试问题。现在，要对一个f p g a 进行完整的测试，需要对被测f p g a 进行 反复编程，并对编程实现的电路进行测试。通常，测试编程实现的电路所用 的时间较短，而对f p g a 进行编程则比较费时，通常需要几毫秒到几百毫秒 的时间。因而，对f p g a 进行测试的时间主要取决于编程的次数 目前已有的关于f p g a 的测试文献主要讨论基于s r a m 的f p g a 的测 试，也有讨论反熔丝型f p g a 的测试的。此外，按照所测试的f p ( 陵的部分 来划分，已有的关于f p g a 测试的文献中，既有讨论逻辑资源c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 的测试，也有一些讨论连线资源的测试。我们大 致可以将f p g a 器件测试技术的研究分为三个部分q 。 1 连线资源的测试 因为在实际电路中，故障发生于f p g a 连线资源的概率远大于发生于逻 辑块的概率，所以f p g a 连线资源故障的定位对提高f p g a 的成品率有重要 意义。当连线资源进行测试时，对于检测测试，通常允许多故障；而对于诊 断测试，则常采用单故障模型。而且测试连线资源通常都不考虑线段与逻辑 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 单元的连接。测试时线段通过开关连接成若干组类似总线的并行线网，然后 施加必要的测试图形。 具体的连线资源的测试主要涉及两方面的问题，即如何通过最少的编程 次数对连线资源进行全面测试，和在测试时施加什么样的测试图形。在非自 适应方式下，现有连线资源的单故障诊断方法，在给定故障模型下检测和诊 断所有连线资源的单故障，所需要的最少编程次数分别为三次和六次。而在 测试时施加什么样的测试图形的，则涉及到测试算法生成的问题。 2 可编程逻辑资源的测试 在测试可编程逻辑单元时，最简单的方法是通过编程把每一个可编程的 c l b 的输入输出单元i o b ( i n p u t o u t p u tb l o c k ) 与f p g a 的i o b 连接起来， 直接对每个c l b 内的逻辑单元电路进行测试。当然对每个逻辑单元来说，要 通过若干次编程才能完整地测试整个c l b 的功能。为了减少编程次数，到目 前为止，提出了几种把整行( 列) 或若干行( 列) 可编程c l b 连在一起进行 测试的方法和只需很少i o b 的内建自测试方法。 3 可测性设计 随着逻辑电路日趋复杂，大规模集成和超大规模集成电路迅速发展，使 芯片的集成度越来越高，而供外部测试的引脚却很少，测试问题日趋困难， 甚至使芯片测试比芯片本身的设计和生产要付出更高的代价。为解决这一难 题，出现了可测性设计的概念和技术。在进行可测性设计时，应根据电路中 各组成部分测试的要求，采用不同方法设计可测试电路。可测性设计的方法 有两类：一类是专项设计，即按功能基本要求设计系统和电路，采用有效而 又简便的措施，提高可测试性；另一类是结构设计，根据可测性设计的一般 规则和基本模式来进行电路的功能设计。这两种方法的指导思想是来自于上 述两种不同的基本策略，但其基本思想都是一致的，即首先要将电路分块， 便于测试和隔离；另一个就是要提高电路的可观察性和可控制性。现在比较 常用的一种可测性设计是在功能电路中寻找有限的测试点和控制点，来提高 系统和电路的可观察性和可控制性，从而提高可测试性以边界扫描技术为代 表的可测性设计技术同样适用于f p g a 器件。自从边界扫描技术规范提供了 有效地测试引线间隔致密的电路板上零件的能力后，几乎所有公司的f p g a 器件均遵守i e e e1 1 4 9 1 规范，为输入，输出引脚及专用配置引脚提供了边界 7 一堕玺鎏苫耋查耋鎏圭兰堡垒兰一一一 扫描测试的能力，从而可以使用边界扫描的技术进行内建自测试和互连铡试， 使得在f p g a 器件中应用边界扫描技术进行测试成为一个新的发展方向。 1 。4 课题的意义及本文的主要工作 1 4 1 课题提出的背景及意义 随着微电子技术、微封装技术和印刷板制造技术的不断发展，f p g a 器 件越来越小，密度和复杂程度越来越商，而现有的技术还不能保证在f p g a 器件中完全消除故障，所以f p g a 器件的故障检测方法的研究是必不可少的。 随着f p g a 器件的广泛应用，对其准确性的要求也变得越来越高，所以，更 需要对f p g a 器件的故障检测、诊断方法以及各种可测性设计进行全面深入 的研究，从而使f p g a 器件出现故障的可能性尽可能的小，当f p g a 器件出 现意外故障时能迅速地进行定位并及时修正，将损失降到最低。 由数字系统故障诊断技术的发展概况以及f p g a 器件测试技术的发展现 状可以看出，只研究测试激励的各种生成方法已经是远远不够了，一定要在 芯片设计的同时就考虑故障的测试和诊断问题，这就是研究可测性设计的主 要目的。到目前为止，可测性技术主要出现了诸如扫描测试技术、内建自测 试技术等，而近几年发展起来的边界扫描技术从某种程度上，可以说是上两 种技术的结合。由于边界扫描测试技术具备诸多优点，已在工业界得到广泛 的支持与应用。鉴于边界扫描技术的重要意义以及国内相对落后的现状，有 必要大力开展边界扫描技术的应用研究。目前边界扫描测试方法的研究主要 集中在对边界扫描测试生成算法的研究上，缺乏对边界扫描测试基本理论和 方法的研究，这是边界扫描测试生成算法难以取得重大突破性进展的关键问 题。同时由于f p g a 在航空、航天等高可靠性要求部门的大量应用，所以本 文将研究的重点专注于基于边界扫描的f p g a 连线资源测试方法的实现上。 本课题就是为了解决以上问题，实现连线资源的完备诊断，针对f p g a 器件连线资源中存在的各种故障，根据f p g a 特有的结构特点，f p g a 测试 技术的现有理论，以及可铡性设计与边界扫描技术的基本原理与结构而提出 的。课题主要研究f p g a 器件边界扫描测试技术相关的理论与方法。 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 2 本文的主要工作 根据课题产生的背景和研究的意义，本文的主要工作有： 1 对f p g a 现有的测试技术进行分析，并总结归纳f p g a 中主要存在的 典型故障模型。 2 对可测性设计与边界扫描技术的原理进行总结概括，并对边界扫描测 试相关的基本理论与方法进行深入研究。 3 对边界扫描技术中的测试向量集生成优化算法进行研究，并分别给出 解决两类优化问题的现有算法，根据具体数据分析其优缺点并提出对两种现 有算法的改进。 4 介绍自适应诊断与完备诊断的基本思想，通过对原有自适应诊断算法 的分析来提出针对完备诊断目标的自适应算法的改进，并在此基础上分析比 较优化前后算法的性能。 5 具体分析了f p g a 测试过程中如何判别故障的存在与诊断，设计边界 扫描逻辑和仿真故障网络的边界扫描测试仿真模型，并利用该测试仿真模型 对优化算法进行算法验证的工作。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章f p g a 的典型的故障模型及测试技术 最近几年来，测试f p g a 的技术获得了迅速的发展。由于在实际电路中， 故障发生于f p g a 连线资源的概率远大于逻辑块的概率，而且对f p g a 连线 资源的定位对提高f p g a 的成品率具有重要意义，许多文献针对连线资源的 故障提出了各种不同的测试方法。 2 1f p g a 中典型的故障模型 故障诊断的目标是确定每一个故障的类型和位置，因此如果一个故障的 类型和位置都能够完全确定，我们就可以准确诊断这个故障。f p g a 中，物 理故障是千变万化的，一方面故障的种类是各种各样的；另一方面，故障的 数目在各种系统中有很大差异。因此，为了研究故障对电路的影响，诊断故 障的位置，有必要对故障作一些分类，并选择最典型的故障，此过程叫做故 障的模型化下面对目前常用的几种模型化故障进行概述 4 1 。 2 2 。固定型故障 固定型故障模型主要反映电路或系统中某一根信号线上的信号不可控 性，即在系统运行过程中固定在某一个值上在数字系统中，主要有以下两 种模型：固定1 故障( s t u c k - a t - 1 ) 和固定0 故障( s t u c k - a t - 0 ) 。固定型故障模 型在实际应用中用得最普遍，因为电路中元件的损坏，连线的开路和相当一 部分的短路故障都可以用固定型故障比较准确地描述出来，而且由于它的描 述比较简单，因此故障的处理也比较方便。 根据电路中固定型故障的数日，可以把固定型故障分为两大类；如果一 个电路中只存在一个固定型故障，则称之为单固定型故障；如果一个电路中 有二个或二个以上的固定型故障，则称之为多固定型故障在处理刚刚生产 出来的加载p c b 板时，一般应考虑多固定型故障；而在修理一个系统或一个 电路时，如果不是毁灭性的事故所致，则通常以单固定型故障居多 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2 桥接故障 桥接故障即短路故障，由于其情况比较复杂，在实际应用中常见的有两 种桥接故障( b r i d g i n gf a u l t ) ，即元件输入端之间的桥接故障和输入端输出端 之间的反馈式桥接故障。因为一个元件的输入和输出在一块印刷板上是离得 比较近的，所以产生短路故障的可能性比较大。 一个系统或电路中发生了短路故障，而短路故障的情况又是多种多样的， 则完全有可能改变电路的拓扑结构，导致系统或电路的基本功能发生根本性 的变化，这将使自动测试与故障诊断变得十分困难。 ， 2 2 3 暂态故障 暂态故障是相对固定型故障而言的，有两种类型：瞬态故障和间歇性故 障。瞬态故障不是由电路或系统中硬件引起的故障，而是由电源的干扰和a 粒子的辐射等原因造成的，因此这一类故障无法人为予以重复出现。一般说 来，这一类故障不属于故障诊断的范畴，但在研究系统的可靠性时应该考虑 这个问题。间歇性故障是可重复出现的非固定型故障，产生这类故障的原因 有：元件参数的变化，焊点的虚焊和松协，以及温度、湿度和机械振动等其 它环境原因等。因此有些间歇性故障应该在改善使用条件和制造工艺方面来 加以防止。 从间歇性故障产生的原因可以看出，它的影响是随机的，不是确定性的， 因此必须采用概率分析的方法对它作模型化。至今已有多种模型化方法，下 面简要介绍几种主要的模型。 1 一阶马尔科夫模型 这种模型是b r e u e r 于1 9 7 3 年提出的，它适用于描述“输入独立”、。作 用与非作用状态有明显界限”的间歇性故障。 2 零阶连续参数的马尔科夫模型 这个模型是k a m a l 和p a g e 于1 9 7 4 年提出的，它主要针对非冗余组合电 路中满足b r e u e r 条件的间歇性故障提出的。 3 一阶连续参数的马尔科夫模型 k o r e n 等人子1 9 7 8 年提出了基本结构同b r e u e r 相似的一阶连续参数的间 歇性故障马尔科夫模型。 l l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 五状态间歇性故障模型 1 9 8 0 年由s t i f l e r 提出。这个模型虽然比较复杂。但它比较全面地反映了 间歇性故障的动态物理过程。 2 2 4 时滞故障 时滞故障主要考虑电路中信号的动态故障，也即电路中各元件的时延变 化，脉冲信号的边沿参数的变化等等。这类故障主要导致时序配合上的错误， 因此在时序电路中影响较大。这可能是由于元件参数变化引起的，也可能是 电路结构设计不合理引起的，后者经常可以用故障仿真的方法来解决，对前 者的检测和诊断往往是很困难的。 上面叙述的四种典型故障，事实上还不能包括一个电路或系统可能发生 的全部故障。因此，人们通常针对一定的电路或系统，在所需要的研究范围 内采取一些切实可行的特殊处理方法，以解决其主要矛盾。根据统计得到如 下结论：固定型故障在故障总数中占到9 0 e 以上，因此必须对固定型故障作 充分的研究。而间歇性故障对系统的可靠住有重要影响，因此在作可靠性设 计时需要考虑。 2 2f p g a 中的测试技术 对于用f p g a 编程实现的电路，其测试方法和一般的数字电路是一样的 但是，若把f p g a 作为用其所实现的一个特定电路进行测试，只能测试该 f p g a 的一部分功能。要对一个f p g a 进行完整的测试，可以通过对组成 f p g a 的各个部分进行完整的测试，或者通过对一个f p g a 编程后实现的能 够覆盖f p g a 完整功能的若干个电路进行测试。不论采用哪种方法，都要对 被测f p g a 进行反复编程。为使测试变得容易，通常使f p g a 所实现的作为 测试用的电路比较简单，所以测试这些电路所用的时间较短，而对f p g a 进 行编程则比较费时。因而，对f p g a 进行测试的时间复杂性主要取决于编程 的次数。 f p g a 器件测试技术的研究主要可分为以下两个部分研。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 t 逻辑资源的测试 测试逻辑资源的最简单的方法是通过编程把每一个可编程逻辑单元的输 出和f p g a 的输入输出单元连接起来，直接对每个逻辑单元内的逻辑电路进 行铡试。当然对每个逻辑单元来说，要通过若干次编程才能完整地测试整个 逻辑单元的功能。因此逻辑资源测试的主要目标是减少编程次数，并提出了 几种把整行( 列) 或若干行( 列) 可编程逻辑单元连在一起进行测试的方法 和只需很少输入输出单元的内建自测试( b i s t ) 方法。 1 以阵列为基础的方法呻 这种方法采用单c l b 混合故障模型。这种方法通过编程把每一个行的 c l b 连接起来形成一个一维的阵列而作为一个整体进行测试。所有阵列可并 行进行测试，在同一列的c l b 可共用垂直输入，因而减少测试时间和所需的 输入输出单元。采用阵列为基础的方法有二个主要的缺点： 1 ) 这一种方法，不仅要求前一个逻辑单元能够产生后一个逻辑单元所需 的测试向量，还要求当前一个逻辑单元有故障时，其后的逻辑单元能够把故 障逻辑单元的故障信息( 错误的输出) 传输到输入输出单元； 2 ) 如果某一次编程使用了逻辑单元中的d 触发器，那么所形成的阵列 就是一个一维时序阵列，测试这个阵列的所需的时间就和阵列的大小( 阵列 中逻辑单元的数日) 有关，这就增加了测试时间。 2 基于异或门级联电路的方法【l l 】 f 图2 1 利用异或门级联电路传送错误信息 这种方法仍采用单c l b 混合故障模型，也是把整个行( 列) 的c l b 连 哈尔滨工程大学硕士学位论文 起来作为一个整体来测试，但此方法是通过相邻行编程形成的异或门级联电 路来传递错误信息。被测行中的所有c l b 所加的测试向量是一样的，整个 f p g a 中的被测行都可并行地进行测试，因而能公用i o b 且测试时间较短。 这种方法的缺点是编程次数要比基于阵列的方法多。这是因为每次编程只有 部分( 通常为一半) 行作为被测行，而另一部分行则被编程为异或门级联电 路。这些被编成异或门级联电路的行必须在其他的编程过程中作为被测行。 如图2 ，l 所示。 3 基于与门级联电路和或门级联电路的方法【l 习 此方法与上述二种方法不同，这种方法采用多逻辑单元故障模型，也就 是说，允许一个f p g a 中有多个可编程逻辑单元有故障。它和基于异或门级 联电路的方法十分类似，所不同的是用与门级联电路和或门级联电路来传送 故障逻辑单元所产生的故障信息。对于异或门级联电路，如有一个以上的输 入端有相同错误信息，并且有错误信息的输入端数是偶数，那么在它的输出 端就不能观察到错误信息。而对于与( 或) 门级联电路，如果有一个以上的 输入端有正常为1 ( o ) 错误为0 ( 1 ) 的错误信息，其输出端总能观察到错误 信息0 ( 1 ) ，如果同时采用与门级联电路和或门级联电路，那么不论有什么 样的错误信息，都能在与门级电路的输出端或或门级联电路的输出端观察到。 和以异或门级联电路为基础的方法一样，不论被测单元编程后的电路是否会 有触发器与否，被测行中的所有逻辑单元是并行测试的，所有被测行也是并 行测试。但山于使用了二个行来传送错误信息，所以需要更多的编程次数， 才能使每一个行作为被测行而被测试，编程次数较多是这种方法的主要缺点。 4 内建自测试法【1 珂 内建自测试法通过编程把一个f p g a 内的所有可编程逻辑单元分成三种 电路旧：第一种是将逻辑单元作为被测单元，通过编程而作为被测电路c u t ( c i r c u i tu n d e rt e s t ) ；第二种是将逻辑单元通过编程组成测试图形产生电路 t p g ( t e s tp a t t e r ng e n e r a t o r ) ，所产生的测试图形用于测试被测电路；第三种 是将逻辑单元通过编程组成测试响应检验电路o r a ( o u t p u tr e s p o n s e a n a l y z e r ) 。内建自测法的最大优点是不需专用测试仪器，只需用简单的仪器 观察测试响应检验电路o r a 的输出即可由于只需要观察测试响应检验电 路的输出，因此所需的输入输出单元很少其必要的测试条件可利用边界扫 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 描寄存器提供。这种方法的主要缺点有- - ：首先是f p g a 编程后要形成的整 个电路( 包括三种电路之间的相互连接) 比较复杂，有时会因f p g a 中的连 线资源的限制而不能实现；第二是和基于异或门级联电路的方法和基于与门 级联电路和或门级联电路的方法类似，逻辑单元的作用要通过编程改变，使 得每一个逻辑单元都能来构成被测电路而被测试，这就增加了需要的编程次 数。 2 。2 。2 连线资源的测试 在v l s i 芯片中，连线资源发生故障的概率大大高于逻辑元件，对于 f p g a 情况也是如此，而且f p g a 连线资源故障的定位对提高f p g a 的成品 率有重要意义，因此连线资源的测试是f p g a 测试的重要组成部分。 对连线资源进行测试通常考虑线段的固定型( s t ：l l c k - a t ) 故障、线段的开 路( s t u c k - o p e n ) 故障、线段间的桥接故障、可编程开关的常闭( s t i l c k - o n ) 故障和可编程开关的常开( s t _ i l c k - o f f ) 故障等。为了简化测试问题，对于桥 接故障通常还假定： 1 ) 只有相邻的线段问会发生桥接故障( 这就是相邻假定) ； 2 ) 如果两根不相邻的线段间发生桥接故障，则这两根线段问的所有