（电路与系统专业论文）复用noc结构的嵌入式+ip核测试研究.pdf

nanjing university of aeronautics and astronautics the graduate school college of electronic and information engineering research on embedded ip cores testing by reusing noc structure a thesis in electronics science and technology by tian bing advised by professor wu ning submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering january, 2012 南京航空航天大学硕士学位论文 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。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经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 基于 noc 系统内嵌 ip 核测试所采用的主流方案是复用 noc 自身通信链路作为测试访问通 路，以实现测试数据的传输。但是传统的 noc 系统是针对正常功能模式下的传输特性进行设计 和优化的，这就为高效、可靠地复用 noc 结构对嵌入式 ip 核进行测试带来了挑战。本课题的 研究内容是综合分析 noc 的通信特点， 在深入研究适用于 noc 中嵌入式 ip 核测试的 ieee 1500 标准的基础上，设计并实现一种高效的复用 noc 通信结构的嵌入式 ip 核的测试访问机制，并 将其应用于所搭建的 2d-mesh 拓扑结构 noc 各资源节点的测试。 在深入研究 noc 通信特点的基础上，本文将计算机网络中的多播传输模式引入到 noc 路 由器的设计中，通过多播测试模式的开发，实现了 noc 中对多目的节点大量测试数据的并行传 输，完成了复用 noc 结构对嵌入式 ip 核的高效测试访问。针对 noc 中集成的 ip 核结构互异 而造成的测试电路难以被复用的问题， 本课题为嵌入式 ip 核设计了兼容 ieee 1500 标准的测试 壳，使得不同类型的 ip 核从测试集成的角度来看是同构的，从而方便了测试电路的复用，提升 了测试效率。基于所开发的测试访问机制与设计的通用型测试壳，利用所构建的 4 4 2d-mesh 结构 noc， 对所嵌入的 ip 核进行子网模式和多播模式的测试。 综合评估测试所使用的端口数量、 测试功耗及测试时间等因素的结果表明，带有 8 个目的地址的多播测试模式是 4 4 2d-mesh 结 构 noc 中嵌入式 ip 核测试的最佳方案。 论文采用 verilog hdl 实现支持多播传输模式的 noc 结构及 ieee 1500 测试壳的 rtl 级模 型的设计，通过 synopsys eda 平台中的 vcs 完成各模块的功能仿真及整个系统的测试仿真， 并使用 dc 完成系统的综合及功耗、面积开销分析。论文对 2d-mesh 结构片上网络中嵌入式 ip 核测试机制的研究，为 noc 整个系统的测试提供了有效的参考。 关键词：片上网络，嵌入式核，ieee 1500，测试访问机制，测试壳 复用 noc 结构的嵌入式 ip 核测试研究 ii abstract the main test mode of embedded ip cores based on noc is reusing the inherent channels to transmit testing data. but the design and optimization of traditional framework of noc are based on the normal function mode, which puts forward the severe challenge for how to reuse the channels of noc to test the embedded cores efficiently and reliably. based on the synthetical analysis of communication characteristic of noc and ieee 1500 standard, the subject of study is to seek an efficient tam of embedded ip cores by reusing the communication structure of noc. as a result, the ip cores of 2d-mesh topology can be tested by this way effectively. based on studying the communication characteristic of noc in detail, this paper introduces the multicast of internet to the routers design of noc. through the design of the multicast for noc, the parallel transmission of a large number of test data for multi-node can be realized. by mean of this way, the access of the embedded cores under test mode is accomplished. because of the fact that the structures of ip cores are different, it brings more difficulties to the reuse of the test circuits. through designing the ieee 1500 wrapper for different embedded ip cores, all the cores become homogeneous from the point of test integration and can be tested by the same way conveniently and effectively. after designing the tam and various wrapper for the ip cores of noc, the cores embedded in the noc are tested by using the test platform of 4 4 mesh topology. with the synthetic analysis of the factors such as the number of ports, the test power dissipation, the test time and so on, the paper finally obtains the best test solution of embedded ip cores of 4 4 mesh topology is multicast mode with eight destinations. the rtl model of noc and ieee 1500 wrapper are realized by using verilog hdl. we accomplish the function simulation of modules and the test simulation of system on vcs of eda platform of synopsys. the simulation results demonstrate that the design satisfies the request. finally, we synthesize the algorithm on dc of synopsys to analyze area and power cost. the study of test mechanism of embedded ip cores of noc provides a valuable reference to the test of noc system. keywords: network-on-chip, embedded core, ieee 1500, tam, wrapper 南京航空航天大学硕士学位论文 iii 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题背景及研究的意义 . 1 1.1.1 嵌入式 ip 核测试所面临的挑战 . 1 1.1.2 片上网络简介 . 2 1.1.3 课题研究的意义 . 2 1.2 集成电路测试的相关标准 . 3 1.2.1 ieee 1149.1 标准 . 3 1.2.2 ieee 1500 标准. 4 1.3 国内外研究的现状 . 5 1.4 课题研究的主要内容 . 6 1.5 论文结构安排 . 7 第二章 noc 架构及其测试访问机制概述 . 8 2.1 noc 的常见拓扑结构 . 8 2.2 路由算法 . 9 2.3 数据交换策略 . 11 2.3.1 虚切通交换 . 11 2.3.2 虫孔交换 . 12 2.4 单播传输与多播传输 . 12 2.5 noc 的典型故障介绍 . 13 2.6 复用 noc 结构的测试访问机制 . 14 第三章 被测 noc 结构的设计与实现 . 15 3.1 数据包微片格式 . 15 3.2 路由器模块实现 . 17 3.2.1 多播路由算法 . 18 3.2.2 仲裁算法 . 22 3.2.3 交换开关 . 23 3.2.4 网络适配器 . 23 3.2.5 路由器的功能仿真 . 25 3.2.6 路由器的面积功耗开销分析 . 26 复用 noc 结构的嵌入式 ip 核测试研究 iv 3.3 4 4 mesh结构的整体架构 . 27 第四章 基于 ieee 1500 标准的 ip 核测试壳设计与实现 . 29 4.1 ieee 1500 测试壳标准架构 . 29 4.2 iscas89 基准时序电路集 . 32 4.3 ip 核扫描链插入 . 33 4.4 测试壳电路结构 . 33 4.4.1 测试壳接口 . 34 4.4.2 边界寄存器结构 . 35 4.4.3 旁路寄存器结构 . 37 4.4.4 测试控制指令集 . 37 4.4.5 测试响应比较器 . 38 4.5 测试壳的加载 . 39 4.6 测试壳功能仿真及性能评估 . 42 4.6.1 测试壳功能仿真 . 42 4.6.2 测试壳面积开销分析 . 43 第五章 复用 mesh结构的内嵌 ip 核测试机制 . 45 5.1 本课题所采用的复用 noc 结构的测试策略 . 45 5.2 子网测试模式 . 46 5.2.1 外围映射模块 . 46 5.2.2 数据包传输路径 . 48 5.3 多播测试模式 . 50 5.3.1 测试数据包结构 . 50 5.3.2 数据包传输路径 . 50 5.4 测试性能评估 . 51 5.4.1 测试数据传输功耗估算 . 51 5.4.2 测试时间评估 . 52 第六章 总结与展望 . 54 参考文献 . 56 致 谢 . 59 在学期间的研究成果及发表的学术论文 . 60 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图表清单 图 1.1 边界扫描结构图 . 3 图 1.2 ieee 1500 测试架构 . 4 图 2.1 2d-mesh 拓扑结构 . 8 图 2.2 立方连接循环结构 . 9 图 2.3 fat-tree 拓扑结构 . 9 图 2.4 xy 维序路由算法数据传输路径 . 10 图 2.5 自适应 xy 路由算法 . 11 图 3.1 noc 分层与 osi 分层映射关系 . 15 图 3.2 noc 中数据传输流程 . 15 图 3.3 单播数据包结构 . 16 图 3.4 多播数据包结构 . 17 图 3.5 测试答复数据包结构 . 17 图 3.6 路由器结构框图 . 18 图 3.7 多播数据包中目的地址和子包对应关系图 . 19 图 3.8 数据包路由流程图 . 20 图 3.9 源节点位于四角路由器的排序方法及传输路径 . 21 图 3.10 源节点位于非四角路由器的排序方法及传输路径 . 21 图 3.11 仲裁算法框图 . 22 图 3.12 交换开关电路示意图 . 23 图 3.13 网络适配器电路结构图 . 24 图 3.14 多播路由算法仿真时序图 . 25 图 3.15 仲裁算法仿真时序图 . 26 图 3.16 4 4mesh 结构整体架构 . 27 图 3.17 4 4mesh 结构多播数据包传输仿真结果 . 28 图 4.1 ieee 1500 测试壳标准架构 . 29 图 4.2 wip 标准时序图 . 31 图 4.3 插入扫描链后的 ip 核框图 . 33 图 4.4 添加测试壳后的 s444 核 . 34 图 4.5 wrapper 接口电路结构图 . 35 复用 noc 结构的嵌入式 ip 核测试研究 vi 图 4.6 wbc、wbr 示意图 . 36 图 4.7 wbc 电路结构. 36 图 4.8 wby 电路结构 . 37 图 4.9 指令控制寄存器电路结构 . 38 图 4.10 测试控制状态转换流程 . 40 图 4.11 串、并行旁路模式传输路径 . 41 图 4.12 串、并行内核测试传输路径 . 41 图 4.13 串、并行外测试传输路径 . 41 图 4.14 串行旁路仿真结果 . 42 图 4.15 并行旁路仿真结果 . 42 图 4.16 串行内测试仿真结果 . 42 图 4.17 并行内测试仿真结果 . 43 图 4.18 串行外测试仿真结果 . 43 图 4.19 并行外测试仿真结果 . 43 图 4.20 ip 核添加 wrapper 前后面积比较 . 43 图 5.1 插入 ip 核后的 noc 结构 . 46 图 5.2 noc 外部映射模块结构图 . 46 图 5.3 不划分子网模式和八子网模式 . 47 图 5.4 四子网模式和二子网模式 . 47 图 5.5 外围电路结构 . 48 图 5.6 不划分子网和八子网模式外围配置电路 . 48 图 5.7 四子网和八子网模式外围配置电路 . 49 图 5.8 多播数据包包头格式 . 50 图 5.9 多播数据包传输过程 . 51 图 5.10 各种方案测试时间对比 . 52 表 3.1 支持多播传输的路由器面积开销