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基于等确定位切分的s o c 内建自测试方法研究 摘要 随着超大规模集成电路集成度的增加及其制造工艺的飞速发展，单个芯 片上集成的晶体管数目越来越多，原有的垂直型芯片设计模式已向水平型设 计模式转变，通过复用i p 芯核，片上系统( s o c ，s y s t e m o n c h i p ) 的功能愈发 强大。s o c 设计缩短了电路设计周期、降低了设计风险，但同时也带来了测 试数据量的快速增加和测试应用时间的快速增长，使得s o c 测试面临着巨大 的挑战，而内建自测试( b i s t ，b u i l t i ns e l f - t e s t ) 方法很好地解决了这一难题。 与传统的外部测试方法相比，内建自测试方法将全部测试资源都移到了 芯片上，通过在电路内部建立测试向量生成、测试向量施加、测试响应分析 和测试控制结构，使电路进行自身测试，彻底摆脱了对昂贵的自动测试设备 ( a t e ，a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t ) 的依赖，从而可以大大降低测试成本。鉴于 线性反馈移位寄存器( l f s r ，l i n e a rf e e d b a c ks h i f tr e g i s t e r s ) 重播种方法是工 业界广泛使用的一种b i s t 方案，本文重点研究基于l f s r 重播种的测试数据 压缩方法。 本文在分析比较了国内外几个典型的l f s r 重播种方法和研究了 i s c a s 一8 9 部分标准电路的硬故障集的基础上，结合l f s r 重播种方法中生成 种子的长度受到测试集中测试向量确定位最大数目s m 。x 制约的特点，提出了 一种基于等确定位切分的l f s r 重播种方法。该方案先将所有测试向量通过 某种排序策略将其串成一条数据流，按照确定位个数相等的策略对该数据流 进行切分，使得到的新测试向量集中的每个测试向量所含有的确定位个数相 等，然后对得到的新测试向量集进行l f s r 编码，达到了测试数据压缩率高、 硬件开销小的目的。同时本论文还推导出了建议方案的马尔可夫链理论模型 和选择帕累托最优基准值s 的理论模型。针对i s c a s 8 9 部分标准电路硬故障 集的实验结果显示：建议方案的测试数据压缩率要优于目前国内外同类方法， 且建议方案具有解压结构和传输协议简单等特点。 关键词：内建自测试、等确定位、切分、线性反馈移位寄存器、重播种、马 尔可夫链、帕累托最优 r e s e a r c ho nb i s to fs o c t h r o u g hd i v i d i n gt e s tc u b e s b ye q u a ln u m b e ro fs p e c i f i e db i t s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fv l s im a n u f a c t u r i n gc r a f t ，m o r ea n dm o r e t r a n s i s t o r sc a nb e p a c k e di n t o as i n g l e c h i p t h eo r i g i n a ld e s i g nm o d eo f i n t e g r a t e dc i r c u i th a sc h a n g e df r o mv e r t i c a lm o d et oh o r i z o n t a lm o d e d u et o i n t e g r a t i n gv a r i o u si p c o r e si n t oac h i p ，t h ef u n c t i o no fs o ci sb e c o m i n gm o r e p o w e r f u l t h ed e s i g no fs o cs h o r t e n st h ed e s i g nc y c l eo fi n t e g r a t e dc i r c u i ta n d r e d u c e st h ed e s i g nr i s k ，b u ti ta l s ob r i n g sa r a p i di n c r e a s ei nt e s td a t av o l u m ea n d t e s ta p p l i c a t i o nt i m e s ot h et e s t i n go fs o ci sf a c i n ge n o r m o u sc h a l l e n g e s t h e m e t h o do fb i s ti sag o o ds o l u t i o nt os o l v et h e s ep r o b l e m s c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a le x t e r n a lt e s t i n gm e t h o d s t h em e t h o do fb i s t m o v e sa l lt e s tr e s o u r c e si n t oac h i p b ye s t a b l i s h i n gg e n e r a t i o no ft e s tp a t t e r n s ， i m p o s i t i o no ft e s tp a t t e r n s ，a n a l y s i so ft e s tr e s p o n s e sa n dc o n t r o la r c h i t e c t u r e so f t e s t i n g ，b i s te l i m i n a t e sc o m p l e t e l yt h en e e df o re x p e n s i v ea t e i nv i e wo ft h e l fs rr e s e e d i n gm e t h o di s w i d e l yu s e db yi n d u s t r ya r e a sa sab i s t ，t h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h e p r o b l e m so ft e s td a t ac o m p r e s s i o nb a s e dl f s r r e s e e d i n g i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，s e v e r a l t y p i c a ls c h e m e sf o ri m p r o v i n gt h ee n c o d i n g e f f i c i e n c yo ft h eb a s i cl f s rr e s e e d i n gm e t h o da th o m ea n da b r o a da r ea n a l y z e d a n da tt h es a m et i m e ，t h et e s tp a t t e r n so fp a r t i a li s c a s 8 9b e n c h m a r k sa r e r e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es i z eo fl f s rs e e dd e p e n d so nt h em a x i m a l n u m b e ro fs p e c i f i e db i t si nt e s tp a t t e r n s t h e r e f o r e ，an o v e ls c h e m eo fl f s r r e s e e d i n gb a s e do nd i v i d i n gt e s tc u b e sb ye q u a ln u m b e ro fs p e c i f i e db i t si s p r e s e n t e d i nt h i ss c h e m e ，a 1 1o ft e s tp a t t e r n sa r ec o n c a t e n a t e dt oad a t af l o wb ya p a r t i c u l a ro r d e r t h ed a t af l o wi sd i v i d e db ye q u a ln u m b e ro fs p e c i f i e db i t si n t o n e wt e s tp a t t e r n s ，a n dt h e nt h e s en e wt e s tp a t t e r n sa r ee n c o d e db yl f s r t h u st h e p r o p o s e ds c h e m er e a c h e st h ea i mo fi n c r e a s i n gt h ee n c o d i n ge f f i c i e n c y t h i s d i s s e r t a t i o na l s od e d u c e st h em a r k o vc h a i n st h e o r e t i c a lm o d e lo ft h ep r o p o s e d s c h e m ea n dt h ep a r e t o - o p t i m a lt h e o r e t i c a lm o d e lo fr e f e r e n c ev a l u es t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o rt e s tp a t t e r n so fp a r t i a li s c a s 8 9b e n c h m a r k ss h o wt h a t t h ep r o p o s e ds c h e m eh a sab 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 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 ea n dt r a n s m i s s i o np r o t o c o la r ev e r ys i m p l e k e yw o r d s ：b i s t ，e q u a ls p e c i f i e db i t s ，d i v i d e ，l f s r ，r e s e e d i n g ，m a r k o vc h a i n s ， p a r e t o - o p t i m a l i t y 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 。5 图2 6 图2 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 10 图3 1 l 图3 12 图3 1 3 图3 1 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图5 1 插图清单 s o c 的典型结构2 i t r sp r o d u c tf u n c t i o ns i z et r e n d s c e l ls i z e ，l o g i cg a t e ( 4 t ) s i z e 3 s o c 测试压缩结构原理5 编码压缩方法的典型结构一6 b i s t 方法的典型结构6 s o c 中i p 芯核测试结构9 测试向量集中确定位个数分布示例1 0 测试响应时间和空间压缩原理图1 1 i e e ep 15 0 0 串行测试访问机制1 2 i e e ep 1 5 0 0 并行测试访问机制1 2 i e e ep 1 5 0 0 测试外壳结构1 3 扫描设计方案一1 4 基于时钟的b i s t 1 8 基于扫描的b i s t 18 标准线性反馈移位寄存器结构1 9 状态转移矩阵m 1 9 标准线性反馈移位寄存器的实际数字电路2 0 标准线性反馈移位寄存器的另一种状态转移方程2 0 取模线性反馈移位寄存器结构一2 0 取模线性反馈移位寄存器的状态转移方程一2 1 多多项式l f s r s 重播种的硬件结构2 2 变长种子l f s r s 重播种的数据形式2 3 变长种子l f s r s 重播种的硬件结构2 4 部分动态l f s r 重播种示例2 4 部分动态l f s r 重播种示例对应的方程组一2 5 部分向量奇偶切分l f s r 重播种的硬件结构2 5 等确定位切分的示例2 8 改进策略的排序示例3 0 马尔可夫链的结构3l s 5 3 7 8 总存储位数的理论值与实际值的比较j 3 4 p a t e t o o p t i m a l 基准值s 3 5 基于等确定位切分的l f s r 重播种的硬件结构3 7 表格清单 表1 1f o r e c a s ts u m m a r yo fw s t s 1 表1 2超大规模集成电路芯片的发展趋势2 表5 1原实现策略的实验结果3 8 表5 2建议方案与其它方案的比较一3 8 表5 3改进实现策略的实验结果3 9 表5 4改进实现策略、原实现策略及其它方案的比较3 9 表5 5建议方案与奇偶切分方案的面积开销比较4 0 独创性声明 本人卢明所呈交的学位论文是本人在导师指导卜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j 芯和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得金日曼：i 二些厶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j ：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。 学僦文储擗孑m 塾签字魄加碑毋脚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥日巴工些太堂有关保留、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。本人授权金月巴王些 厶兰l 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) 文：讯1 j 龟垒一名： 签字日期曲，口年4 - 月鹋日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： i ：作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 日 致谢 白驹过隙，日月如梭，转瞬间三年的硕士研究生生活即将结束，站在毕 业的门槛上，回首在工大度过的将近l 0 0 0 个日日夜夜，感慨万千。工大的一 草一木、一情一景将成为我永生的记忆，她以其优良的学习风气、严谨的科 研氛围、包容的情怀胸襟、和谐的校园环境育我成长。值此毕业论文完成之 际，我谨向所有关心我、爱护我、帮助我的人们表示最诚挚的感谢与最美好 的祝福! 衷心感i 勇 我的导师梁华国教授，正是因为梁老师的悉心指导，我才得以 进入s o c 测试这一极具挑战性领域，我在硕士研究生期间取得的每一点进步， 都凝聚着梁老师的心血和汗水。梁老师渊博的专业知识，严谨的治学态度， 精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风 范，朴实无华、平易近人的人格魅力时刻感染着我、激励着我。此外，梁老 师还在生活中给予了我如父亲般的无私关爱和鼓励。在此，我谨向导师表示 崇高的敬意和衷心的感谢! 衷心感谢本研究室欧阳一鸣副教授、易茂祥副教授、刘杰、黄正峰、陈 田、李扬、王伟、詹文法等老师，感谢孙科、王保青、宋灏龙、覃敏东等师 兄，你们为我的学习和科研提供了许多无私的支持与帮助! 感谢陈秀美、吴珍妮、张敏生、毛蔚、罗强、曹源、郭凯等同学，感谢 李松坤、吴义成、徐三子、顾婉玉、王俊等师弟妹，和你们一起学习生活的 这段时间，必将成为我人生中的美好回忆! 感谢我的父母和家人在我的求学生涯中一如既往地支持我、鼓励我! 感谢所有关心和支持我的亲人和朋友! 最后，衷心感谢为评阅论文而付出辛勤劳动的各位专家学者，以及本论 文所引用参考文献的作者们! 作者：程旺燕 2 0 10 年4 月 第一章绪论 据美国连线杂志报道，19 5 8 年美国德州仪器公司研制出了全球第一块 集成电路板，这标志着人类社会从此进入到了集成电路的时代。集成电路具有 体积小、重量轻、寿命长和可靠性高等优点，同时其成本也相对低廉，便于进 行规模性生产。用集成电路来装配电子设备，其装配密度相比晶体管可以提高 几十倍甚至几千倍，而且设备的稳定工作时间也可以大大提高。在此后的几十 年时间里，伴随着集成电路制造水平的不断提高，集成电路行业进入了高速发 展时期。如今，集成电路的应用早己深入到人类生活、生产和科研等方方面面， 在工业、军事、遥控、金融、通信、医疗和航空航天等各个领域得到广泛应用。 全球半导体贸易统计机构( w s t s ) 在2 0 0 9 年11 月份做出了最新预测，如表 1 1 所示。2 0 1 0 年全球半导体行业将增长1 2 ，金额达到2 4 7 0 亿美元，2 0 1 1 年全球半导体行业将达2 6 9 8 亿美元。从2 0 0 8 年至2 0 1 1 年半导体行业的年均 增长率达2 8 ，其中包括因全球金融危机影响导致负增长的2 0 0 9 年。 表1 1f o r e c a s ts u m m a r yo fw s t s 从表1 1 的最后两行可以看出，集成电路( i c ，i n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 行业占整 个半导体行业的比重基本上都维持在8 4 左右。然而i c 中存在的一个细小的 故障也有可能导致巨大的损失，因此采取有效措施来保证i c 的高可靠性对于 整个i c 行业甚至整个半导体行业都显得异常重要。 1 1s o c 测试概述 s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 设计技术始于上个世纪9 0 年代中期，伴随着半导体 工艺的快速发展，集成电路设计者能够将越来越复杂的功能集成到单个芯片 上，s o c 正是在集成电路向集成系统转变的大方向下产生的。它能够将信号采 集功能、处理功能和输出功能等集成在一起，使其具有某种特殊的应用目的， 从而实现全电子系统的集成。s o c 把系统的模型算法、处理机制、芯片结构、 各层次电路直至器件的设计紧密结合，在一个或若干个单片上完成整个系统的 功能。s o c 的出现成为电子系统设计领域的一场革命，目前它已成为大规模集 成电路设计的主流方法，其典型结构图如图1 1 所示。从图1 1 中可以看到， s o c 中复用了大量的i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ，知识产权) 芯核，如处理器芯核、 d s p 芯核、多媒体芯核等等。 图1 1s o c 的典型结构 随着时代的前进，超深亚微米工艺的应用使得产品功能尺寸越来越小、芯 片工作频率能够达到1g h z 以上，并使得芯片的集成度大幅提高，能够在一个 s o c 上集成数亿个晶体管。表1 2 是半导体工业协会( s i a ) 对超大规模集成电路 ( v l s i ，v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 芯片发展趋势的预测2 1 。 表1 2超大规模集成电路芯片的发展趋势 同时，国际半导体技术发展蓝图( i t r s ) 在2 0 0 8 年更新的技术文档中给出了 产品功能尺寸发展趋势图，如图1 2 t 3 】所示。从图1 2 中可以看出，产品功能尺 寸有逐年变小的趋势。 2 嘉 量藿 蕃 x v 、 k 卜d r a mc e l ls i z ec u 2 ) 1 广- f l a s hc e l ls i z e ( u 2 ) s l c 精。一f l a s he q vb i ts i z e ( u 2 ) 2 b i t m l c - - x - 1f l a s he q vb i ts i z e ( u 2 ) 4 b i t m l c n e w 甘一m p ug a t es i z e ( 4 t ) ( u 2 ) b m p us r a mc e l ls i z e ( 6 t x u 2 ) 2 0 0 7 - 2 0 2 2i t r $ r a n g e 其中：s l c 一一s i n g l e - l e v e l c e l l ，m l c 一一m u l t i - l e v e l - c e l l ，t 一一t r a n s i s t o r 图1 2 i t r sp r o d u c tf u n c t i o ns i z et r e n d s c e l ls i z e ，l o g i cg a t e ( 4 t ) s i z e 因此，表1 1 和图1 2 呈现的这种趋势均对s o c 测试的成本和难度产生了 深刻的影响。 1 2s o c 测试研究意义 一方面，随着高新技术的快速发展，s o c 产品的市场寿命与其开发周期相 比变得越来越短；另一方面，随着经济和市场全球化，s o c 产品的市场竞争正 在日益加剧。因此，在s o c 产品产业化之前对其进行测试以确保成品质量，对 它的上市时间、开发周期将会产生举足轻重的作用。 原有的垂直型芯片设计模式已向水平型芯片设计模式一一设计复用转变， 即通过i p 芯核的复用来快速构建复杂的片上系统，也即s o c 。s o c 的核心问题 是i p 芯核复用带来的产品测试问题。水平型芯片设计模式的优点是它缩短了 s o c 产品的设计周期，但缺点是导致s o c 产品的测试面临着前所未有的挑战。 主要原因如下【4 1 ：第一，通常情况下，i p 芯核的提供商和s o c 产品的集成商分 别属于两类不同的企业，i p 芯核提供商为了保护自己的知识产权，一般不会把 i p 芯核的内部结构信息提供给s o c 产品集成商。然而s o c 产品的测试工作是 由s o c 产品的集成商来进行的，由于s o c 产品的集成商不能得到其所使用i p 芯核的详细内部结构信息，从而只能进行功能性测试( 也即黑盒测试) ，因此测 试者很难对s o c 产品的测试进行一些优化和改进。第二，i p 芯核的多样性给 s o c 产品的测试增加了复杂性。就i p 芯核功能的多样性和涉及电路的类型分类 有：d s p 芯核、处理器芯核、多媒体芯核、数字逻辑芯核、存储器芯核、模拟 混合电路芯核等等；就i p 芯核的设计形式分类有：软核、固核、硬核三种； 就电路可测试性设计方法分类有：扫描测试设计方法、边界扫描测试设计方法、 测试点插入设计方法、内建自测试设计方法等等。第三，由于传统a t e 的测试 通道数量非常有限，为了满足日益增长的芯片频率和带宽需求，就需要增加 a t e 的内部通道容量和存储器大小，这就使得a t e 的成本变得越来越高，进 而导致s o c 产品的测试成本剧增。 在当前我国s o c 行业发展势头大好的情势下，s o c 产品在i c 产品中所占 比重越来越大，产值也越来越大，s o c 市场的飞速发展给业界带来了巨大的挑 战和机遇，同时也给s o c 产品的测试带来巨大的市场需求。进行面向s o c 产品 测试技术的深入研究，对我国s o c 产业的健康可持续发展起到了至关重要的作 用。因此，整个s o c 产业的发展状况和发展前景已经引起了中央政府的高度关 注。国家自然科学基金委八年前曾把“半导体集成化芯片系统基础研究”列为 国家重大科学研究计划项目。目前我国s o c 产业的发展水平和发达国家相比还 存在一定的差距。一方面，投入到s o c 产品测试研究中的人、财、物力相对较 少；另一方面，s o c 产品的测试还是我国整个i c 制造业中的薄弱环节之一。 另外，从国家长远利益的角度出发，拥有自主知识产权的高质量芯片产品和设 计技术是一个国家健康快速繁荣发展的重要要素之一，而获得高质量的芯片产 品的关键因素之一就是良好的芯片测试方法。 总之，加大对s o c 产品测试方法研究的力度，既是满足我国i c 行业发展 的迫切需要，同时也是能够让我国彻底摆脱处于世界半导体行业中相对落后的 境况、赶超世界发达国家先进水平所不可或缺的办法措施。因此，本论文所研 究的课题具有十分重要的理论意义和实用价值。 1 3s o c 测试研究现状 随着i c 产品功能尺寸的不断减小以及制造工艺水平的日益提升，进行 v l s i 测试所需要的测试数据量越来越大。如在中国科学院计算所设计的龙芯2 号芯片中，完成一个完整的测试过程大概需要2 g 位的测试数据。在不影响测 试质量的情况下，如何有效减少测试数据量并且降低如测试硬件开销、测试应 用时间、测试功耗等是近年来业界研究的热点。测试数据压缩方法为其提供了 一种颇有前途的解决方案，图1 3 显示了s o c 测试中的测试数据压缩方法体系 结构原理【5 1 。 4 图1 3s o c 测试压缩结构原理 韵测 如 s o c 测试中的测试数据压缩方法具有很多优点，如能够有效减少测试数据 量、减少测试应用时间和测试功耗、降低对测试带宽的需求等等。目前国内外 工业领域应用最广泛、最典型的技术可以概括为编码压缩方法和内建自测试 ( b i s t ) 方法。 1 3 1 编码压缩方法 编码压缩方法主要采用的是对测试数据进行无损压缩，它是通过对由自动 测试向量生成( 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 ) 工具产生的测试向量集 t d 进行编码( 如哈夫曼编码) ，得到压缩后的测试向量集t e ，然后通过芯片上的 硬件解压结构对t e 进行解压缩，从而得到和t d 相容的测试向量集t d 。所谓 两测试向量集相容，是指当且仅当经过解压结构还原出的新测试向量集t d 中 的每个测试向量和原测试向量集t d 中的每个测试向量相对应的位要么取值相 同( 即同为o 或者1 ) ，要么新测试向量集t d 中相对应的位为确定位而原测试 向量集t d 中相对应的位为无关位。在进行s o c 产品测试时，压缩后的测试向 量集t e 经过a t e 被送入到待测芯片中，然后在芯片上被解压还原成t d 。这 样做可以在保证测试质量的同时，降低其对测试带宽的要求以及缩短测试应用 时间，并能允许使用低速a t e 。编码压缩方法不需要测试者了解待测芯核的具 体内部结构，可以很好的保护i p 芯核，因而得到了广泛地应用。其典型结构1 如图1 4 所示，测试集t e 存储在a t e 的存储器中，在进行芯核测试时，t e 通 过测试头、测试访问机制和解码器进行解压后得到和t d 相容的测试向量集t d ， 该测试向量集被应用到待测芯核以判断所测芯核是否存在故障。当前国内外典 型的编码压缩方法有：哈夫曼编码【7 1 、f d r 码【6 】【8 】、g o l o m b 编码【引、统计码【10 1 、 字典编码【1 1 1 2 j 、连续长度码【1 3 】【1 4 】【15 1 和混合码【1 6 】等等。 5 1 3 2 内建自测试方法 图1 4编码压缩方法的典型结构 内建自测试( b i s t ) 方法将全部测试资源都移到了芯片上，它把测试向量生 成、测试向量施加、测试响应分析和测试控制结构都放到待测电路的内部建立， 使待测电路进行自身测试。该方法彻底摆脱了对昂贵的自动测试设备( a t e ) 的 依赖，从而在很大程度上降低了s o c 产品的测试费用，也即s o c 测试成本。 内建自测试( b i s t ) 方法让由a t p g 工具生成的测试向量集嵌入在芯片上的 存储器( r o m ) 中。它不仅支持并行测试多个设计单元，比如同时进行多个i p 芯 核的测试，而且还可以进行快速测试。它不仅有利于保护s o c 产品的知识产权， 同时还能够有效减少测试应用时问、降低测试成本以及维护芯片的费用。b i s t 方法的应用范围很广；从芯片级、板级直到系统级的测试都可采用该方法。 内建自测试( b i s t ) 方法的典型结构【1 7 】如图1 5 所示。它主要包括四个部分： 测试模式产生器( t pg ，t e s tp a t t e r ng e n e r a t i o n ) 、待测电路( c u t ，c i r c u i tu n d e r t e s t ) 、输出响应分析器( o r a ，o u t p u tr e s p o n s ea n a l y z e r ) 和特征寄存器( s ig ， s i g n a t u r e ) 。 图1 5b i s t 方法的典型结构 6 在进行s o c 测试时，首先测试模式产生器( t p g ) 生成所需的测试向量被施 加到待测电路( c u t ) ，经过一定的时钟周期后得到待测电路的测试响应，该测 试响应被送到输出响应分析器( o r a ) 中，输出响应分析器对其进行压缩生成特 征向量，然后特征向量被送入特征寄存器( s i g ) 中进行相应的正确性评价，判断 待测电路是否存在故障。 b i s t 方法目前已成为国内外s o c 测试的研究热点，而其中的混合模式测 试方法尤其被工业界和学术界广泛使用，典型的混合模式b i s t 方法有l f s r 重新播种【”1 、折叠计数器重新播种【1 9 】和扭环计数器【2 0 】等方法。 纵观全球各著名电子设计自动化( e d a e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 厂商 u ，他们已经在其所设计的产品中引入了s o c 测试工具，如m e n t o rg r a p h i c s 公司的t e s t k o m p r e s s 工具、c a d e n c e 公司的s m a r t b i s t 工具以及s y n o p s y s 公司 的t e t r a m a x 工具等。另外，从近几年的半导体行业各大国内、国际顶级会议 来看，s o c 测试已连续多年被列为热门主题。由此可见国内外工业界和学术界 对s o c 测试的重视程度已不言而喻。 1 4论文研究重点及结构安排 本文以国家自然科学基金“控制器的内建自恢复与内建自测试研究” ( n o 6 0 8 7 6 0 2 8 ) 、国家自然科学基金重点项目“数字v l s i 电路测试技术研究” ( n o 6 0 6 3 3 0 6 0 ) 、教育部博士点基金“自恢复控制器的综合与测试” ( n o 2 0 0 8 0 3 5 9 0 0 0 6 ) 、省海外高层次人才基金“高可靠控制器研究”( n o 2 0 0 8 2 0 1 4 ) 等科研项目为支撑，以减少s o c 测试数据量、缩短测试时间、降低测试硬件开 销为主要目标，较为系统地研究了s o c 的内建自测试方法。 本文重点针对l f s r 重播种测试数据压缩方法进行了细致的研究。文中对 国内外几种典型的l f s r 重播种方法进行了详细分析比较，同时对i s c a s 8 9 部分标准电路的硬故障集也进行了仔细的分析，在此基础上提出了一种新颖的 基于等确定位切分的l f s r 重播种方法。 本论文的创新点主要包括： ( 1 ) 本文提出了一种基于等确定位切分的l f s r 重播种方法。该方案将所有 测试向量串成一条数据流，按照确定位个数相等的策略对该数据流进行切分， 然后对得到的新测试向量集进行l f s r 编码，达到了测试数据压缩率高、硬件 开销小的目的。 ( 2 ) 引入了马尔可夫链( m a r k o vc h a i n s ) 理论，并推导出了等确定位切分的 l f s r 重播种方法的理论模型。根据此理论模型，可以计算出建议方案进行 l f s r 重播种时总存储位数的理论值，同时也可以对l f s r 编码后的实际总存 7 储位数进行理论验证。 ( 3 ) 引入了经济学中的帕累托最优化( p a r e t o o p t i m a l i t y ) 理论，并推导出了等 确定位切分的l f s r 重播种方法中选择基准值s 的帕累托最优理论模型。根据 此理论模型，在实际进行建议方案的l f s r 编码时选择最优的的基准值s 。 本论文的结构安排如下： 第一章绪论：本章首先介绍了s o c 测试的相关背景；接下来对s o c 测试 的研究意义和研究现状进行了阐述；最后总结了本文的创新点以及本文的结构 安排。 第二章s o c 测试方法介绍：本章首先介绍了s o c 的测试基础，如测试源 和测试宿、测试访问机制和测试外壳等；接下来介绍了四种s o c 测试技术，如 数字逻辑芯核测试、处理器芯核测试、存储器芯核测试和模拟混合电路芯核测 试等。 第三章内建自测试( b i s t ) 方法：本章首先对内建自测试( b i s t ) 方法进行了 概述；接下来给出了l f s r 结构及l f s r 重播种原理；最后分析比较了几种国 内外典型的l f s r 重播种方法。 第四章等确定位切分l f s r 重播种：本章提出了一种新颖的l f s r 重播种 方法，首先给出了建议方案的实现策略，包括原实现策略和基于贪婪算法的改 进的实现策略；接下来给出了建议方案的m a r k o vc h a i n s 理论模型，通过理论 模型分析验证了建议方案的正确性：最后给出了建议方案的p a r e t o o p t i m a l 基 准值s 理论，通过该经济学理论指导实际l f s r 编码过程中基准值s 的选择。 第五章综合过程与实验结果：本章在第四章的基础上作了进一步的深入， 首先给出了建议方案的完整的综合过程以及硬件结构设计；其次给出了建议方 案在两种不同的实现策略下的实现结果，并和同类方法进行了比较；另外还给 出了建议方案的硬件开销的粗略估算；最后对建议方案进行了小结。 第六章结束语：本章总结了全文所做的工作以及本论文的创新点，并对 今后的研究设想进行了展望。 8 2 1s o c 测试基础 第二章s o c 测试方法介绍 s o c 产品的开发分为i p 芯核的设计和s o c 产品的集成设计两个阶段。一 般i p 芯核设计和s o c 产品集成设计分别由不同的厂商来完成。i p 芯核提供商 出于保护知识产权的目的，通常并不会向s o c 产品集成商提供i p 芯核的详细 结构信息；另外，s o c 产品中一般集成了各种不同类型的i p 芯核，如数字电路 芯核、模拟电路芯核、存储器芯核以及d s p 芯核等等，不同类型i p 芯核的测 试方法各不相同。因此，上述所有问题共同导致了s o c 测试难度的增加。 s o c 中i p 芯核测试结构1 2 1j 如图2 1 所示。从图中可以看出，i p 芯核的测 试结构由测试源( s o u r c e ) 与测试宿( s i n k ) 、测试访问机制( t a m ，t e s ta c c e s s m e c h a n i s m ) 、测试外壳( w r a p p e r ) - - - 部分组成。如何安排s o c 中不同i p 芯核的 测试顺序，使得整个s o c 的测试成本最小，涉及到测试访问机制需要解决的问 题。 渊试游 l j 机制 ( t a m ) 2 1 1 测试源和测试宿 测试访 问机制 ( t a m ) 图2 1s o c 中i p 芯核测试结构 测试宿、 、( s i n k ) 7 影 测试源( s o u r c e ) 用来生成或者存储s o c 中嵌入式i p 芯核的测试向量( 也即 测试立方) ，而测试宿( s i n k ) 用来将从待测i p 芯核输出的测试响应与该i p 芯核 无故障时的j 下确响应进行比较。测试源和测试宿可以通过自动测试设备( a t e ) 片外实现、内建自测试( b i s t ) 片上实现或者将自动测试设备与内建自测试两者 结合起来实现，但是测试源和测试宿可以不同时使用同一种类型的实现方式。 在进行s o c 测试时，可以根据待测i p 芯核的类型、测试的方式以及测试要求 达到的质量与成本考量等，来共同决定选择测试源和测试宿的实现方式l 。 测试源和测试宿无论以何种方式实现，都涉及到数据压缩的问题。测试源 端需要压缩的是i p 芯核的测试向量，测试宿端需要压缩的是i p 芯核的测试响 应。其中测试向量的压缩使用无损压缩( c o m p r e s s i o n ) ，测试响应的压缩一般使 9 用有损压缩( c o m p a c t i o n ) 。 2 1 1 1 测试源端数据压缩 测试源端i p 芯核的测试向量，也即测试模式( t e s tp a t t e r n s ) ，一般含有的确 定位( s p e c i f i e db i t s ) 个数远远少于无关位( d o n tc a r eb i t s ) ，也即x 位。图2 2 给 出了某i p 芯核测试向量集中确定位个数的分布【2 2 1 。从图中可以看出，测试向 量集中相当大部分都是无关位。因为在设计a t p g 算法时使用了通路敏化方法， 只有那些影响到待测i p 芯核故障覆盖率的原始输入才需要赋给其确定值，因此 测试向量集中无关位的比率相当高。另外，测试向量集中测试向量的个数及其 每个测试向量含有无关位的个数均和a t p g 算法有关，不同的a t p g 算法生成 的测试向量集的特性一般均不相同。 图2 2测试向量集中确定位个数分布示例 由于i p 芯核的测试向量集中存在着大量的无关位，使得数据压缩成为测试 源端i p 芯核测试的可能和必要。此处，测试向量集压缩采用的是无损压缩方式， 即原测试向量集t d 经过压缩后得到测试向量集t e ，然后t e 在测试模式下通过 解压结构解压还原出的新向量集t d 和原始向量集t d 相容。 当前国内外主要采用的测试数据压缩方法有两类【2 副：一类是编码压缩方 法，如哈夫曼编码、f d r 码、g o l o m b 编码、统计码、字典编码、连续长度码 和混合码等。一类是基于l f s r 或其它状态机的压缩方法，即内建自测试( b i s t ) 方法，如l f s r 重新播种方法、折叠计数器重新播种方法和扭环计数器方法等。 2 1 1 2 测试宿端数据压缩 在i p 芯核进行测试的过程中，测试宿端得到的测试响应的数据量也是非常 庞大的，通常测试响应的压缩采用有损压缩方式，因此和测试源端的测试向量 压缩相比其压缩率更高。另外，测试响应中同样存在x 位( 未知位) ，但响应中 的x 位是电路内部不确定态的外在表现。电路中潜在的未知源主要包括：非扫 l o o o o o o ， 竹 ， 薪定化个数 描的寄存器、组合环、总线竞争、无驱动的输入等等。虽然测试响应中的x 位 和测试向量中的x 位具有相同的名称，但就其产生的机理而言二者却完全不 同，测试响应中的x 位是进行仿真时尚无法确定的值，它是测试者需要想办法 处理的【5 1 。 测试宿端的测试响应压缩通常可分为时间压缩、空间压缩以及时间和空间 的混合压缩。时间压缩的典型代表是多输入特征寄存器( m i s r ，m u l t i p l e i n p u t s i g n a t u r er e g i s t e r ) ，它是从l f s r 演变而来，但和普通的l f s r 不同的是多输 入特征寄存器要求每两个相邻寄存器之间必须有异或门。空间压缩的典型代表 有文献 2 4 中提出的x c o m p a c t o r 压缩方法，该方法在能够发现任意个奇数位 错误和两个错误位的同时，还能够对不确定位进行处理。时间和空l 可的混合压 缩方法是一种新颖的测试响应压缩方法，该方法汲取了空间压缩和时间压缩的 优点，其压缩原理如图2 3 所示【25 1 ，待测电路的n 位响应输出( z l z 2 z n ) 经过 响应压缩电路( r e