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基于测试源划分的系统芯片测试数据压缩方法研究 摘要 超深亚微米技术的发展促成了系统芯片s o c 的出现，并由此将v l s i 带入 了一个新的发展阶段。由于s o c 采用复用i p 核为主的设计技术，从而使s o c 不论在开发周期，还是在系统功能、性能方面，均具有无可比拟的优点。但随 着s o c 集成i p 核数目的增多，测试数据量和测试应用时间急剧增加，若通过 提高传统的自动测试设备的存储量和增加其传输带宽的途径来解决该难题，将 使测试成本显著上升。因此，压缩测试数据成为减少测试时间和降低测试成本 的一种有效途径。 本文从国内外几种经典的基于测试源划分的测试数据压缩方法入手，对各 种方法的优缺点进行了分析，总结了每种方法各自的适用范围，并在此基础上 提出了以下两种新颖的编码方案： 第一种，状态翻转连续长度码。其基本思想是对测试数据流中连续的“0 ” 和“1 ”的长度以相同的方法编码，不像g o l o m b 码和f d r 码仅仅限制对连续 “0 ”的长度进行编码。另外，所建议的方案直接编码一个预先计算的测试集， 也不需要为了获得最大的压缩，重新排列这个测试集，而构造那个优化的差分 序列，并使用c s r 进行解压。这种方案仅仅需要一个有限状态机作为一个解压 器。 第二种，数据块前向相容标记码。其基本思想是先将测试数据流分成等长 的数据块，再将与参考数据块相容的数据块用“1 ”标记来替换。在该方案中， 标记“l ”是动态的，它代表除参考数据块以外所有与之相容的数据块，而字典 编码中的索引都是静态的，每个索引只能代表一个字符块。同时，标记仅为一 位，故测试集得以有效压缩。该方案的解压体系结构只需要一个有限状态机和 一个与数据块等长的c s r ，相比在g o l o m b 码和f d r 码中所需要与测试向量等 长的c s r 而言，本方案所引入的硬件开销是相当小的，并且解压通讯协议非常 简单。 实验结果表明，所建议的两种方法都可以有效地压缩测试数据，并且更优 于g o l o m b 码和f d r 码。 关键词：s o c 、测试数据、压缩、o o l o m b 码、f d r 码 t h er e s e a r c ho fs o ct e s td a t ac o m p r e s s i o nm e t h o d b a s e do nt e s tr e s o u r c ep a r t i t i o n a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n ti nv e r yd e e ps u b m i c r o nt e c h n o l o g yp r o m o t e st h ea 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 hb r i n g sv e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e d ( v l s i ) c i r c u i t s i n t oan e wp e r i o do fd e v e l o p m e n t t h ed e s i g no fs o cm a i n l ya d o p t st h et e c h n i q u e o fr e u s a b l ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ( i p ) c o r e ，s oi th a si n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e sn o t o n l yi nd e v e l o p i n gp e r i o d ，b u ta l s o i nt h es y s t e mf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c e h o w e v e r ，w i t ht h ei n c r e a s ei nt h en u m b e ro fi n t e g r a t e di pc o r e s ，t e s td a t av o l u m e a n dt e s ta p p l i c a t i o nt i m ea l s og r o wq u i c k l y i ft h i sp r o b l e mi ss o l v e db ye n l a r g i n g s t o r a g ec a p a c i t ya n dt r a n s m i s s i o nb a n dw i d t hi na u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t ( a t e ) ， t e s tc o s tw i l lr i s er e m a r k a b l y t h e r e f o r e ，c o m p r e s s i n gt e s td a t ab e c o m e sa n e f f e c t i v ew a yt or e d u c i n gt e s ta p p l i c a t i o nt i m ea n dt e s tc o s t t h et h e s i sf i r s ti n t r o d u c e ss o m ed o m e s t i ca n df o r e i g nc l a s s i ct e s td a t a c o m p r e s s i o nm e t h o d sb a s e do n 如s tr e s o u r c ep a r t i t i o n ，a n a l y z e st h e i ra d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s ，a n ds u m m a r i z e sa p p l i c a b l es c o p eo fe a c hm e t h o d t h e n ，o nt h e b a s i so ft h ep r e v i o u sm e t h o d s ，t w on e we n c o d e ds c h e m e sa r ep r e s e n t e da sf o i l o w s ( 1 ) s t a t e sr e v e r s a lr u nl e n g t hc o d e s ( s r r l ) i t sb a s i ci d e ai st h a tt h e l e n g t h so fr u n so f0 sa n dlsi nt e s td a t as t r e a ma r ee n c o d e db yt h es a m em e t h o d w i t h o u tl i m i t a t i o no n l yt ot h er u n so f0 sa sg o l o m bc o d e sa n df d rc o d e s f u r t h e r m o r e ，s r r ld i r e c t l ye n c o d e sap r e c o m p u t e dt e s ts e ta n dd o e s n tr e q u i r ea n o p t i m i z e dd i f f e r e n c es e q u e n c eb yr e o r d e r i n gt h et e s ts e tt oe f f i c i e n t l yc o m p r e s s i t s d e c o m p r e s s i o na r c h i t e c t u r eo n l yn e e d saf i n i t e s t a t em a c h i n e ( f s m ) a n dd o e s n t r e q u i r eac y c l i c a ls c a nr e g i s t e r ( c s r ) ( 2 ) f o r e c o m p a t i b l em a r k e dc o d e so fd a t ab l o c k s ( f c m d b ) i t sb a s i ci d e a i st h a tf i r s tt e s td a t as t r e a mi sd i v i d e di n t od a t ab l o c k sw h o s el e n g t h sa r ee q u a l t h e n 。t h ed a t ab l o c k sw h i c ha r ec o m p a t i b l ew i t ht h er e f e r e n c ed a t ab l o c k sa r e r e p l a c e db ym a r k “l t h em a r k “l ”i nt h ep r o p o s e da p p r o a c hi sd y n a m i c a n d e x c e p tf o rt h er e f e r e n c ed a t ab l o c k si tc a nm a r ka l lo t h e rd a t ab l o c k sw h i c ha r e c o m p a t i b l ew i t ht h er e f e r e n c ed a t ab l o c k s ，b u tt h ei n d e xi ne n c o d i n gb a s e do n d i c t i o n a r yi ss t a t i c ，a n de a c hi n d e xi n d i c a t e so n l yas y m b o lb l o c k s i m u l t a n e o u s l y , t h em a r ki nt h ep r o p o s e ds c h e m eo n l yh a so n eb i t s ot h et e s ts e tc a nb ee f f i c i e n t l y c o m p r e s s e d i t sd e c o m p r e s s i o na r c h i t e c t u r er e q u i r e so n l yaf s ma n dac s rw h o s e l e n g t hi st h es a m ea so n eo ft h ed a t ab l o c k c o m p a r e dt ot h el e n g t ho ft h ec s r r e q u i r e di no o l o m ba n df d rc o d e s ，w h i c hi se q u a lt ot h el e n g t ho ft h et e s tv e c t o r , h a r d w a r ec o s ti np r o p o s e ds c h e m ei sl e s st h a ni ng o l o m ba n df d rc o d e s f u r t h e r m o r e ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li nf c m d bi sv e r ys i m p l e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h et w os c h e m e sc a n e f f i c i e n t l yc o m p r e s s t e s td a t aa n do u t p e r f o r mg o i o m bc o d e sa n df d rc o d e s k e yw o r d ：s y s t e m o n a - c h i p ；t e s td a t a ；c o m p r e s s i o n ；g o l o m bc o d e s ；f d rc o d e s 图1 1 图l 一2 图1 3 图1 - 4 图2 一l 图2 - 2 图2 - 3 图3 一l 图3 - 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 - 6 图4 - 1 图4 - 2 图4 3 图4 4 插图清单 芯片的制造成本和测试成本 b i s t 层次结构图 t r p 框图 基于编码的压缩和解压方案 核的测试结构 s o c 的结构框图 i e e ep 1 5 0 0w r a p p e r 概念示意图 g o l o m b 码解码器 基于c s r 解压结构 f d r 码解压体系结构 编码实例 解压结构 状态转换图 基于字典的压缩实例 编码实例一 解码器结构方框图 状态转移图 1 0 1 2 2 2 2 7 2 8 2 9 3 1 3 3 3 4 3 7 3 9 4 1 4 2 表3 1 表3 - 2 表3 - 3 表3 4 表4 1 表格清单 g o l o m b 码表( = 4 ) f d r 码表 状态翻转连续长度码的编码方案 三种方案的压缩比较 三种方案的压缩比较 2 6 2 9 3 0 3 5 4 3 独创性声明 本人声明所呈交的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。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，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 金起王些盘堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我一同工作的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 明并表示谢意。 学位论文作者签字亨初红签字瞧劲，7 年? 月绸 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盒胆兰些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金艘王些厶堂 可以将学位论文的全部或部分论文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授权书) 学位论文者签名：菁初红导师签名： 签字日期：z 一7 年l 月，占日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 铆p 穆 签字日期：9 历；7 年石月，罗，日 电话。 邮编： 致谢 首先要衷心的感谢欧阳一鸣老师和粱华国老师，硕士论文的顺利完成离不 开他们的悉心关怀和教导，在学术上他们具有广阔的视野、前瞻性的眼光、清 晰的思路以及渊博的知识，以高屋建瓴的角度为我的论文指引了研究方向。同 时帮助我解决了论文研究所遇到的难题，高效的办事效率都给我留下了极其深 刻的印象。几年来他们对我学术上的指导，思想上的启迪，生活上的关心和为 人处事的教诲，令我受益匪浅，同时他们给我创造了自由、民主和宽松的工作 环境，为我顺利完成学业提供了优良的条件。导师为人和蔼，工作认真，我的 论文和研究成果无不凝聚着他的智慧和心血，能够师从欧阳老师对我今后的工 作、学习和生活具有深远的影响。谨在此向两位老师表示最诚挚的感谢和敬意! 同时，我要深深地感谢系统结构研究室的所有成员。在研究室所举办的研 讨会中，老师和同学们的交流，不仅使我认识到自己科研工作中的不足，也使 我在开展课题方面受到了颇多的启发。 此外，我还要感谢研究生院和计算机与信息学院的院系领导和各位老师对 我的帮助和支持。 最后，衷心感谢在百忙之中抽出时间来参加我论文评阅和答辩的各位专家。 作者：肖祝红 2 0 0 7 年6 月 1 1 引言 第一章绪论 芯片是信息时代最重要的基础产品之一，如果把石油比作传统工业“血 液”的话，那么芯片则是信息时代i t 产业的“心脏”和“大脑”。无论是小到 日常生活的电视机、v c d 机、洗衣机、移动电话、计算机等家用消费品，还是 大到传统工业的各类数控机床和国防工业的导弹、卫星、火箭、军舰等都离不 开这小小的芯片。 在需求牵引和技术推动的双重作用下，国际微电子发展的趋势是集成电 路的特征尺寸将继续缩小，集成电路将朝向系统芯片方向发展，也就是说将一 个完整的电子系统集成在单一芯片上，这便是系统芯片( s y s t e m o n a c h i p ， s o c ) 。在s o c 中嵌入若干预先设计和验证并可重复使用的功能模块是高效实现 s o c 的重要途径，这些内嵌模块称为内嵌芯核( e m b e d d e dc o r e s ) ，这种基于芯 核的设计风格大大增加了设计产量，创新的技术加快了产品投放市场。但与此 同时，s o c 给测试带来了诸多挑战。工作频率的不断提高和芯片尺寸的不断缩 小给这些不同类型的元件及其复杂的连接带来棘手的测试问题，传统的验证和 测试方法已不再适用，一些有效的系统芯片测试方法的提出迫在眉睫，工程上 的需求也就为学术研究指出了一个方向。因此，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 2s o c 测试的瓶颈 随着i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核复杂性提高和单个芯片上集成更多i p 核， 从而，对系统芯片s o c 集成者而言不仅要负责核之间互连逻辑的测试，还要负 责单个核内部的测试。而核的内部及其连接之间缺少直接的可控制性和可观察 性，因而对系统芯片s o c 的测试比传统的测试复杂，同时测试数据量和测试功 耗也随着i p 数目的增多而急剧增加，因此需要高容量的自动测试设备和多引脚 的内嵌芯核的测试访问机制，使得测试成本显著上升。据1 9 9 7 年i t r s 在 1 中 预计到2 0 1 2 年，芯片的测试成本将和制造成本持平，如图卜1 所示： 、1 l 、 、卜叫 卜 ? 、 。、 - jl 一p 一 、1k l - 图i - 1 芯片的制造成本和测试成本 1 3s o c 测试的研究现状 为了解决1 2 所述的诸多瓶颈问题，目前国际上有两种主流研究方法： 第一种，采用内建自测试技术( b u i l t - i n s e l f - t e s t ，b i s t ) 2 3 实现对系统 芯片的芯核进行测试，这种技术直接在芯片上建立测试器，实现测试模式生成、 控制测试以及响应评价等。其优点是芯片无需额外i o 管脚，克服了测试难以进 入的问题，除了芯片的生产测试外，同时也能满足日常的维护测试和在线测试。 在 4 中给出了规范化的b i s t 的层次结构图，可以简化为如图1 - 2 所示： 图i 一2b i s t 层次结构图 2 当前国际对b i s t 的研究主要集中在测试激励的生成。常见的b i s t 结构是通 过线性反馈移位寄存器( 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 ) 5 生成伪随 机测试模式对待测系统芯片进行测试，能够实现测试硬件成本达到最小并且使 待测系统芯片工作性能趋于正常化，因而，它已经被企业界和学术界广泛地认 同为经典的b i s t 方法。但由于随机模式阻尼故障的存在，从而很难对待测系统 芯片得到1 0 0 的故障覆盖率。 为了克服经典的b i s t 方法所带来的阻尼故障，科研人员引入测试点插入技 术 6 8 ，来对待测系统芯片进行逻辑调整，使其变得容易测试，并提高伪随机 模式的测试能力。可是这种额外的硬件插入任务逻辑中，将会降低系统的性能。 利用加权随机测试能够避免系统性能的降低 9 - 11 ，通常加权随机测试生成偏 向阻尼故障的随机模式，减少测试长度。由于增加的控制逻辑和存储所需的加 权集，有时这种技术所引入的硬件成本令人难以接受。 近年来，为了以较少的硬件代价和测试时间开销来获得对被测电路测试集 的完全覆盖，采用了基于扫描的混合模式的自测试方法 1 2 - 1 3 。该技术是通过 对具有最大序列周期的l f s r 的结构和初态的选择来提高伪随机测试故障覆盖 率和缩短测试时间。对经上述伪随机测试未能覆盖的故障，依据某种规则，通 过修改伪随机模式中的相关位来生成难测故障的确定性测试向量，实现了对测 试集的完全覆盖。通常它们以压缩形式存储确定模式，在测试期间重新生成， 或者依赖外部控制逻辑。这与在要求高故障覆盖率时存储确定性测试向量相比， 显著降低了硬件开销，故特别适用于b i s t 方案。但是。在测试模式中还有较少 的无关位时，采用的l f s r 长度将增加，因此，硬件需求量和复杂性上升，选择 特别逻辑值固定和翻转冗余随机模式位的方法 1 4 1 6 ，以低的硬件成本，提供 高质量的测试模式，但是有时综合翻转逻辑需要难以接受的时间，另外，被测 试电路微小改变。需要重新综合整个自测试硬件，自测试结构也要有大的改动， 从而该技术自适应能力很差。 一种基于折叠计数器重新播种的存储与生成的混合模式测试方案 1 7 - 1 8 ，使用最小的硬件成本，在合理的测试应用时间里，获得完全故障覆盖 率。实验结果表明，这种压缩方法是目前国际上最好的方法之一对于伪随机 测试后所获得的硬故障集，通过输入精简技术 1 9 ，压缩测试模式的宽度，然 后将这些精简的模式嵌入首次发现并应用的折叠计数器状态序列中，有时我们 也称之为带有反馈可编程的约翰逊计数器，小数量的折叠种子。足以覆盖完整 的测试数据。虽然这种方法具有非常高的压缩率，但是，由于采用输入精简技 术，在测试应用期间必须重新组织扫描链，因此，这一方案不能完全相容基于 扫描的标准设计流中。 一种相容于标准扫描设计的b i s t 新技术，两维测试数据压缩方案 2 0 - 2 1 ， 它有效的组合折叠计数器以及l f s r 编码技术 2 2 - 2 4 ，利用l f s r 编码折叠计数 器的种子作为l f s r 的种子，显著地压缩确定测试集的模式数和模式宽度。由于 无需调整任何扫描链，这一方案完全相容标准扫描设计，而不需要任何额外费 用。因此，从整体上来看，此方案为迄今为止世界上最佳b i s t 方案之一，并且 正待实现嵌入e d a 设计工具中。 第二种，采用测试源的划分技术( t e s t r e s o u r c e p a r t i t i o n ，t r p ) 2 5 - 2 7 ， 将部分芯片上的测试模式生成资源移到离线的自动测试设备上，通过数据压缩 技术来减少存储需求和测试时间，芯片上的解压器成为一种无存储数据源，因 此，可以进一步减少测试硬件成本，更好地权衡自动测试设备与片上测试器的 成本分配。其测试框图如图卜3 所示； 帼 i i帼 叠 客 琢 徊 图卜3t r p 框图 为了能够继续有效地应用传统的自动测试设备来测试s o c 芯片，首先必须 解决传输大量测试数据和有限的芯片管脚需要高带宽的要求。随着自动测试设 备的带宽增加，设备的成本上升，目前高性能的自动测试设备每个探针费用在 5 8 千美元之间e 2 8 ，随着性能的增长，一台高速测试器到2 0 1 0 9 将需要2 千万 美元 2 9 ，测试一个芯片的成本将超过生产它的费用。解决这一问题主要采用 测试源划分技术，将a t e 中的部分测试功能转移到被测试的芯片上，芯片之外主 要建立一个经过变换的测试数据存储源，以期减少测试数据的传输，同时在芯 片上又不需要花费太多的硬件执行数据变换，实现测试模式的生成，常见的方 法有： ( 1 ) 基于自动测试模式生成( a m o m a t i ct e s tp a t t e r ng e n e r m i o n ，a t p g ) 算法的动态压缩 3 0 - 3 2 。这种方案是在测试向量生成过程中进行的，因此经常 需要修改a t p g 算法。在该方法中，当一个测试向量生成后，如果这个向量的 无关位比例超过了用户规定的百分比，就对向量的无关位赋予具体的逻辑值l 或0 ，再对该向量进行故障模拟。若检测到新的故障，则将这些故障从故障列表 中删除，这样便减少了故障列表中的故障数，从而减少了覆盖故障所需的测试 4 向量个数，以便达到减少测试数据量的目的。a t p g 算法，从早期的d 算法演化 到p o d e m 算法、f a n 算法，以及一些高级算法如：t o p s 算法、s o c r a t e s 算 法等，其测试的效率不断提高。随着人工智能理论的不断成熟。人们正在尝试 将人工智能理论应用到a t p g 算法中，运用启发式方法。使测试效果更加完善。 可以说，a t p g 算法的整个历史就是一个改善启发式算法和程序的过程。这种 压缩方案通常不需额外的硬件投资，直接经过动态压缩过程实施压缩即可，但 是存储这样的压缩集往往仍然需要大量的存储器，如果放置该压缩测试集在自 动测试设备中，同样需要大量的数据传输。 ( 2 ) 基于编码的静态压缩，按被编码对象的不同可以分为直接编码预先 计算的测试集和间接编码预先计算的测试集两类。 州母徊 i ； 州母涸叠 薯 藤 州丑徊 圈卜4 基于编码的压缩和解压方案 第一类，直接编码确定的测试集实现压缩和解压方法。如图卜4 基于编码的 压缩和解压方案，这些方法利用芯片上的硬件，解压存储在自动测试设备中， 被编码的预先计算的测试集。例如：统计码 3 3 - 3 4 将一个测试集分成固定长度 的b 位块，然后统计每一块在这个测试集中出现的频率，仅仅那些出现频率高的 块被选择用小于b 位的编码字替代它们，剩下块保持不变。因此，编码字的位 数总和要比这个测试集小得多。但是随着被编码的b 位块的位数增加，相应的解 压硬件也要提高。 第二类，间接编码确定的测试集实现压缩和解压方法 3 5 - 3 8 。它们依据测 试集中，测试向量之间不同的数值位较少事实，通过测试向量之间的异或运算， 生成一个差分向量序列，在这个序列中，连续“0 ”值要比连续的“l ”值多， 所以编码这个差分向量序列中连续的。0 ”以便压缩测试数据。在解码体系结 构中，必须采用一个循环扫描移位寄存器实施恢复原测试集，这个循环扫描移 位寄存器通常必须是和被测试电路中的扫描链相同长度，因此，对于测试电路 含有较长的扫描链时，将会相当大地增加解压电路的硬件。 5 近年来，为了提高上述编码差分向量序列方法的编码效率，以及删除解压 器中的循环扫描移位寄存器，一种混合式的编码方案 3 9 被提出，这种方案采 用连续长度码和基于字典码，直接对预先计算的测试集进行编码，由于发挥了 各自编码的优点，编码效率有了相应提高。另一种交替与连续长度码 4 0 ，是 针对确定的测试集中测试模式含有较多的交替变化位时，它将会发挥较大的编 码优势。其解码方式与上面几种方案类同。 从解决问题的着重点来看，合理的分配测试资源能够较好地权衡自动测试 设备与芯片上嵌入测试器的测试成本近年来世界上许多集成电路设计公司， 例如，i b m 、c a d e n c e 、s y n o p s y s 、m e n t o rg r a p h i c s 、s y n t e s t 等，重点研究与开 发可测试性设计，现已推出相关的工具软件。像国际上著名集成电路生产公司： i n t e l 、i b m 和p h i l i p h s 等，正投入大量的入力和物力研究与开发系统芯片的测试 方法。纵观近几年的国际测试会议i t c ( i n t e r n a t i o n a lt e s tc o n f e r e n c e ) ，系统芯 片测试已连续多年被列为研究热门主题，今年又把系统芯片测试和测试源划分 研究列为焦点主题，可见国际学术晃和企业晃对系统芯片测试的重视程度。 目前，为了促进我国电子工业高速、持续地发展，国家自然科学基金委员 会已经把“半导体集成化芯片系统基础研究”列为重大研究项目计划：8 6 3 国家 高技术研究发展计划将系统芯片( s o c ) 设计以及关键支撑技术列为计划重点 项目，其中s o c 的可测试性设计，是需要解决s o c 芯片关键的测试问题。我国高 等院校如：合肥工业大学、清华大学、北京大学、复旦大学、上海同济大学、 浙江大学等，以及中国科学院计算所等研究机构曾经做过有关嵌入芯片的内建 自测试基础研究与开发工作 4 1 4 4 ，但是对于系统芯片测试研究却很少见到， 并且系统芯片测试也是发展我国集成电路事业中的薄弱环节之一。如果我国将 要开发拥有知识产权的高质量系统芯片产品，就必须解决好系统芯片的测试问 题，因此，对于系统芯片测试的研究不仅是国内集成电路发展的迫切需要，也 是我国改变微电子领域的落后面貌、赶超世界先进水平，所不可缺少的重要的 一环，同时，对我国国民经济和现代化国防建设具有重要意义。 综上所述，虽然s o c 的芯片测试研究在当今国际上，已有了一定的发展， 但是，多数还是停留在理论研究与开发阶段，实际应用主要是基于扫描设计的 b i s t 技术，对于测试源划分测试研究还处于在探索和研究之中，迫切需要解决 测试成本问题。目前合肥工业大学系统结构研究室以具备良好的嵌入系统测试 研究基础，并将迸一步研究和开发适合系统芯片的测试方法，以满足系统芯片 低成本，多元化的测试要求。 1 4 本文的内容安律 本文研究的重点是解决当前测试数据压缩方法瓶颈，探索一些新的测试数 据压缩方案，通过对国内外高校和研究机构所提出的测试数据压缩方法的理解、 6 对比和综合，形成新的测试数据压缩方案一状态翻转连续长度码和数据块前向 相容标记码。同时，在具体的实验中运用上述方法，对实验结果进行充分的分 析、总结和归纳，对所建议的测试数据压缩方案进行评估。 本文的研究得益于国家自然科学基金重大研究计划( 9 0 4 0 7 0 0 8 ) ，国家自 然科学基金重点项目( 6 0 6 3 3 0 6 0 ) ，安徽省自然科学基金( 0 5 0 4 2 0 1 0 3 ) 等资助。 论文分为五章，对基于测试源划分的系统芯片测试数据压缩方法进行全面的论 述。各章内容安排如下： 第一章引入研究s o c 测试的重要性、目前s o c 测试技术的瓶颈以及讨论国 内外对s o c $ 0 试的研究现状 第二章系统地介绍s o c $ 9 试的相关理论。首先归纳了s o c 测试概述，包括 测试的预备工作；由单个内部节点的测试来引入s o c 测试及其内部 核的测试：常用的测试设备及其工作原理。随后全面地总结了测试 向量的生成与压缩以及s o c 可测试性设计策略最后介绍了s o c 测 试的三种标准及其发展趋势和挑战。 第三章在本章提出了一种有效的基于测试源划分的s o c 测试数据压缩方 法一状态翻转连续长度码。全面地介绍了该方案的编码原理，并给 出了相应的解压体系结构，最后通过实验结果，与传统的g o l o m b 码和f d r 码相比，所建议的方法具有更高的压缩率，并且其解压硬 件开销小。 第四章考虑到测试数据流中数据块之间具有很好的相容性，为此。在本 章提出了另一种有效的基于测试源划分的s o c 测试数据压缩方法 一数据块前向相容标记码。与第三章结构类似，先介绍该方案的编 码思想，再给出相应的解码器设计，最后通过实验结果将所提出的 方法与传统的g o l o m b 码和f d r 码进行比较。 第五章对全文的工作进行了总结，并展望了进一步的研究和发展方向。 7 2 1s o c 测试概述 2 1 1 测试的预备工作 第二章s o c 测试相关理论 要测试分析电路，首先需建立故障模型。概括地讲，故障模型有两种；描 述影响元器件间连接的故障模型和描述可能改变元器件真值表的故障模型。前 一种故障模型研究的前提是元器件无故障，只研究元器件间的互连问题；后一 种故障模型与电路的功能模型相关，不接受r t l 操作。常用的故障模型有： ( 1 )s s a 故障 对于电路中一根线固定于逻辑1 或0 的缺陷，用单固定型故障( s i n g l e s t u c k a tf a u l t ) 模型描述，简称s s a 故障。s s a 故障即所谓的经典或标准故障 模型，这种故障模型最早被提出，研究和应用也最广泛。虽然s s a 故障模型的 合理性和代表性还有待理论论证，但用于检测电路中存在的“错误”十分有效， s s a 故障的这种有用性具有以下属性： s s a 故障模型表达了许多不同的失效方式； s s a 故障模型是与工艺无关的故障模型； 实践证明，s s a 故障的测试模式可以检测许多非经典性故障； s s a 故障模型比其他类型的故障模型的数目少，通过故障化简方法此 数目还可以减少。 可以用s s a 故障表达其他类型的故障。 ( 2 ) m s a 故障 如果一根以上的线同时固定于逻辑l 或0 ，这样的缺陷可用多重固定型故 障( m u l t i p l es t u c k a tf a u l t ) 模型描述，简称m s a 故障，重的意思是指固定于 同一逻辑值的线条的个数。随着器件对称性的降低和门密度的增加，m s a 故障 出现的概率提高电路中的故障的数目随线条个数呈指数增加，m 条线可能有 2 “个s s a 故障，而n 条线中m 重线的总个数为： c c 帅，= 茄 m 极故障数为2 ”c ( n ，m ) ，故n 条线中可能存在的s s a 故障的总个数为： y ”2 4 c ( n ，m ) 。尽管可以用穷举或伪穷举测试来检测m s a 故障，但对v l s i 不适用，有趣的是用s s a 故障的测试生成来检测m s a 故障，得到的故障覆盖 率高，因此m s a 故障分析只要直接处理s s a 故障的测试模式不能测试的故障 即可。 ( 3 )桥接故障 l 当电路中两根或两根以上不相连的线短路接在一起并形成线逻辑时，对此 缺陷用桥接故障( b r i d g i n gf a u l t ) 模型来描述，当桥接故障涉及的线条数r 2 2 时， 则称该故障为多重桥接故障，否则为单桥接故障。芯片的原始输入容易出现多 重桥接故障。随着器件尺寸的减小和门密度的增加，桥接故障上升为主要的故 障类型之一。对于n 条线的电路，单桥接故障的可能个数为c ( 。2 ) ，实际上大 多数线条并不容易成对地短接，因此单桥接故障的数量远比此个数小，而且与 版图有关。为了便于系统化地研究桥接故障，可对其进行以下分类： 逻辑元件内部的桥接故障 逻辑元件指一个门电路或复杂的门电路。在逻辑元件内一些节点并不能用 布尔逻辑表达，只能在晶体管级进行桥接故障研究。 元件逻辑节点无反馈的桥接故障 此类桥接故障模型只研究逻辑节点桥接的情况，如逻辑元件的输入和输出 节点。要研究此类故障的效应，需要晶体管级的检验。 元件逻辑节点反馈的桥接故障 由于反馈的引入，节点的逻辑值与其他节点的逻辑值有关，有可能使得反 馈节点的逻辑值不确定，因此这类故障类型的分析比较复杂。 ( 4 )延迟故障 即使电路结构无误，信号传播的延迟也可能导致异常，此种情况用延迟故 障( d e l a yf a u l t ) 来描述。检测此类故障的最终目标：在设计的时钟频率下电路 工作不出现异常。在对某一条线的某一故障进行检测时，应先约定电路正常工 作的范围，它是时钟周期与最长的延迟路径之差。延迟测试就是确定电路是否 包含这样的路径，输入转换时信号沿这样的路径是否传播得太慢或太快。延迟 测试主要用两种模型：源于门的门延迟故障( g a t ed e l a yf a u l t ) ；源于路径的路 径延迟故障( p a t hd e l a yf a u l t ) 。 2 1 2 单个内部节点测试方法 对节点的测试思想就是假设在待测节点存在一个故障状态，然后反映和传 送这个故障到输出观察点。在实测中如果在输出观察点测到该故障效应，则说 明该节点确实存在假设的故障，如果不是故障效应则说明该节点不存在假设的 故障。直接对电路内部的各节点测试可以大大地降低测试的工作量，提高测试 效率。 2 1 3s o c 测试 ( 1 ) 引入s o c 基本概念 到目前为止，s o c 还没有一个标准的定义，但一般认为它有三大技术特征： 采用深亚微米工艺技术，i p 核复用技术以及软硬件协同设计技术。s o c 的开发 9 是从整个系统的功能和性能出发，利用i p 复用和深亚微米技术，采用软件和硬件 结合的设计和验证方法，综合考虑软硬件资源的使用成本，设计出满足性能要求 的高效率、低成本的软硬件体系结构，从而在一个芯片上实现复杂的功能，并 考虑其可编程特性和缩短上市时间。使用s o c 技术设计的芯片，一般有一个或 多个微处理器芯片和数个功能模块。各个功能模块在微处理器的协调下，共同 完成芯片的系统功能，为高性能、低成本、短开发周期的嵌人式系统设计提供 了广阔前景。 ( 2 )s o c 测试结构模型 图2 - 1 所示是基于芯核的s o c 测试结构模型，它由三部分组成：测试源 ( t e s ts o u r c e ) 和测试收集器( t e s ts i n k ) ；测试存取机制( t e s ta c c e s $ m e c h a n i s m ， t a m ) ；测试壳( t e s tw r a p p e r ) 。各部分功能如下 测试源是为了嵌入核生 成测试激励，而测试收集器是把核的测试响应与理想进行比较。这两部分可以 由离线的a t e 来完成，也可以由在线的b i s t 来完成，且不要求它们采用同一 种形式；测试存取机制起到传输测试数据的作用，它把测试激励从测试源传输 到被测核的测试壳，把核的测试响应从测试壳传输到被测核的测试收集器；测 试壳是核与核的周边电路的接口，测试存取机制和i c 的其他部分要访问核的内 部，必须通过测试壳。其功能是通过提供测试、诊断和正常几种功能方式的切 换，来实施核测试、互连测试和隔离测试功能。 图2 - i 核的测试结构 ( 3 ) s o c 测试方法 随着集成电路朝向系统芯片s o c 方向发展，系统中各个内部节点将不可直 接探测，因而，传统的测试方法已不再适用。为了适应超大规模集成电路的发 展，目前，针对片上系统s o c 测试，有以下两种常见方法： 确定性测试 确定性测试是基于故障的测试，它是对特定的故障类型生成测试向量，一 般确定性测试向量生成是按照a t p g 算法，如d 算法、p o d e m 算法等，完成测 试生成，它是一个n p c o m p l e t e f 司题，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向量非常少，难点是测试生成方法非常复杂，测试生成时 间非常长。 l o 伪随机测试 伪随机测试的特点是测试向量的每一位都是通过l f s r 随机产生的。该方法 的优点是产生测试向量所需的成本最少。伪随机测试方法需用故障模拟器来排 列测试序列和计算测试覆盖率，对于固定型故障其故障覆盖率可达8 0 以上， 从而伪随机测试在电路测试中特别是内建自测试中越来越得到广泛应用。其缺 点是一般要增加额外的硬件，此外有一些故障难以用伪随机方法来检测得到， 譬如原始输入、原始输出和扇出电路一般会出现这种情况，此时需要确定方法 来生成测试向量。 ( 4 ) s o c 测试问题 s o c 测试遇到以下一系列闯题： 时序再验证； 缺少扫描和内建自测试： 嵌入引脚的到达； 不同i p 核、不同测试方法的结合： 高速测试； 硬核测试向量的可靠性； 存取； 可控性； 可观性； 测试复用： 可测试复用； 混合信号测试； 缺少边界扫描链； 同步。 2 1 4 常见的s o c 核的测试方法 ( 1 ) s o c 核的分类 为了加快电子产品投放市场，将各种预先设计和验证的i p 核集成在一个芯 片上，这便形成了系统芯片s o c 。典型的基于i p 核设计的s o c 的结构如图2 - 2 所示，它由几种常见的芯核构成，有时也把这种芯核称为模块或宏，这些术语 可以替换使用。s o c 中的核可能是存储器s r a m d r a m 、r o m 和f l a s hm e m o r y 模块；锁相环p l l ；a d c d a c 功能模块；特定功能核，例如d s p ；微处理器 核；用户自定义逻辑( u s e rd e s i g n e dl o g i c ，u d l ) ：接口核，例如p c i 、u s b 和 u a r t 。这些核有可能是以r t l 描述形式向用户提供，也有可能以优化后的晶 体管级版图提供，也就是说用户得到的核的形式不固定，为此就有了软核( s o f t c o r e ) 、硬核( h 盯dc o r e ) 和固核( f i r mc o r e ) 的定义。 软核：以可综合的r t l 描述形式或生成的库单元的网表形式向用户提 供的可复用模块。用户负责核的实际应用和版图。 硬核：按照性能、功率、面积已经优化并映射到特定工艺的可复用模块。 硬核以完全的布局、布线网表或固定的版图形式向用户提供，但用户不 能修改。 同核：通过布局布线对面积和性能进行了结构上和拓扑图上优化的可复 用模块。固核以可综合的代码或生成的库单元的网表形式向用户提供。 图2 - 2s o c 的结构框图 ( 2 ) s o c 核的测试方法 数字逻辑核测试 针对电路的结构测试，首先需要将电路的物理缺陷模型化，建立故障模型， 产生测试激励。然后将测试激励从原始输入引入故障点，并将故障点的测试响 应传播到电路的原始输出，最