（微电子学与固体电子学专业论文）自动化故障模拟流程的开发.pdf

摘要 随着科学技术的发展，一方面，微控制器在尺寸上已经变得越来越小，另一 方面，生产制造的困难度也变得越来越大，这就导致了设计与测试的难度急剧上 升。由此可见，区分出完好的芯片与有缺陷的芯片变成了一个艰苦的工作。功能 性测试的出现为测试提供了一个简单易行的方法。用功能性测试向量来测试生产 出的芯片变得越来越重要，甚至可以说是必要的。但是如何检测功能性测试的质 量与完整性呢? 这就需要借助故障模拟的方法。本课题发出一种自动化的故障模 拟来测量功能性测试向量的质量。 关键词：微控制器功能性测试向量故障模拟自动化 a b s t r a c t a st e c h n o l o g ya d v a n c e s ，i no n eh a n d ，m i c r o c o n t r o l l e rb e c o m e ss m a l l e ra n d s m a l l e r , i nt h eo t h e rh a n d ，m a n u f a c t u r i n gd i f f i c u l t i e sb e c o m e sb i g g e ra n db i g g e rw h i c h ， a sac o n s e q u e n c e ，l e a dt od e s i g na n dt e s tc o m p l e x i t yd r a m a t i c a l l ye n h a n c e d t h e r e f o r e ， s o r tg o o da n d b a dc h i pb e c o m e sar e a l l yt o u g hw o r k t ot e s tad e s i g nw i t hf u n c t i o n a l ， t e s tv e c t o r sa n dt om e a s u r et h eq u a l i t yo ft e s tv e c t o r sw i t hf a u l ts i m u l a t i o nb e c o m e s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n te v e nm a n d a t o r y t h i st h e s i sp r o p o s e st h ed e v e l o p m e n to fa n a u t o m a t i cw a yt op e r f o r mf a u l ts i m u l m i o nw h i c hi su s e dt om e a s u r et h eq u a l i t yo ft h e f u n c t jo n a lt e s tv e c t o r s k e y w o r d ：m i c r o c o n t r o l l e r f u n c t i o n a lt e s tv e c t o rf a u l ts i m u l a t i o n a u t o m a t i o n 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的说明并表示 了谢意。， 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送 交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期婴：竺主：堑 日期 一 第一章简介 第一章简介 1 1 动机 功能性测试对于有非常高质量要求的微控制器来说是必须的。他们既可以用 来测试不能被a t p g ( a u t o m a t e dt e s tp a t t e r ng e n e r a t i o n ) 所覆盖到的节点也可以 用来找出不能被静态的方法所发现的故障。a t p g 是一种应用专用硬件来产生结 构性测试向量的方法( 这种方法将在2 3 5 小节中予以解释) 。为了确定所应用的功 能性测试可以覆盖微控制器的所有可能功能，保证功能性测试可以或者尽可能 1 0 0 的覆盖所有功能，我们引入故障模拟的方法。 英飞凌科技公司使用w i n t e r l o g i c 公司所提供的z 0 1 x 软件来进行故障模拟， 但是目前这个工具并没有集成在英飞凌科技公司高度自动化的验证流程之中。因 此，本论文将研究怎样建立起故障模拟的环境，准备测试向量以及实施自动化的 故障模拟。 这篇论文的目的是分析英飞凌科技公司微控制器部门现有的测试环境，为所 有的测试工程师包括那些从未有任何关于故障模拟经验的工程师们建立起一个自 动化的易用的故障模拟测试平台。 1 2 论文的任务 为了能够达到论文的目标，论文所包含的任务应该被清晰的定义并分析。本 论文所包含的任务包括： 1 ) 建立起为微控制器进行故障模拟的环境，包含为故障模拟建模； 执行故障模拟的先决性条件应该首先被分析，从而使建立起故障模拟成为可 能，故障模拟所需的故障模型也应该被分析，这样才可能把最适合的故障模型应 用于我们的设计并且尽可能多的找出电路中的故障。 2 ) 自动化故障模拟的配置过程，定义此过程的需求并且写脚本以实现此过程； 在进行故障模拟之前，模拟器自身需要在现有的测试系统环境中被配置，自 动化的工具配置过程对于实现最终的“一键式 解决方案有所帮助。 3 ) 在现有模拟环境中自动化故障模拟并提供“一键式”解决方案； 故障模拟过程本身也需要自动化。我们应该在执行错误模拟之前先准备好所 需文件，故障模拟过程所生成的文件也需要被修改并且使之对于所有英飞凌科技 公司微控制器部门的测试工程师可见，以辅助他们进一步的工作。以上所述的步 自动化故障模拟流程的开发 骤都将被自动化并包含在所提供的“一键式”解决方案中。 4 ) 开发测试向量，通过功能性测试向量提高故障模拟的覆盖率； 通过专用硬件的帮助( 例如a t p g 工具) 产生测试向量的方法已经被应用了 很长时间了。但是功能性向量需要有经验的测试工程师通过设计的特性来定义。 一个功能性测试向量既可能很大程度提升故障覆盖率也可能仅提升一点。测试用 例被用来定义测试向量的规则和功能，用于故障模拟的功能都需要被记录在测试 用例之中。开发测试用例的过程跟开发者的专业经验和对设计的理解有紧密的联 系，因此我们把开发测试用例的过程从自动化的故障模拟中排除。 5 ) 产生测试向量并且提高覆盖率； 功能性测试向量是通过i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 标准系统任务在逻辑模拟中产生的，因此通过将此项系统任务包含在h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) t e s t b e n e h 中，我们就可以轻易实现向量产生的自 动化过程。 6 ) 研究通过功能性向量来提高a t p g 覆盖率的可能性。 1 3 故障模拟的重要性 1 3 1 评价测试用例的质量 故障覆盖率反映出测试用例的质量。测试用例的质量越高，故障覆盖率也就 越高。通过故障模拟的方法可以检测优化后的测试用例能否达到很高的质量。 1 3 2 与a t p g 共同应用 a t p g 与故障模拟联合应用以产生测试向量和测试电路中的故障。这种联合的 应用也被用来在故障模拟中测量测试向量的故障覆盖率。但是a t p g 有它的局限 性。使用功能性向量的测试可以用来提高a t p g 的故障覆盖率。a t p g 所产生的向 量并不能覆盖时序错误，这时唯一提高测试质量的方法就是使用功能性测试向量 并且运行故障模拟。 1 3 3 建立故障列表 故障模拟的主要输出是一个更新过的故障列表，其中包含了每一个故障的诊 断状态。另外，模拟的前期报告，诊断的状态报告以及模拟的后期报告都可以通 过故障模拟来产生。 第一章简介 1 3 4 节约芯片面积并且节能 一些面向测试设计技术例如基于结构的扫描测试( 将在2 3 5 节中予以解释) 在设计中加入开关和扫描寄存器来确保电路中节点的可测性与可控性。正因为引 入了这些额外的元件，芯片的面积增加了，也导致这样的设计需要更多的能耗。 故障模拟通过所使用的激励，期待的结果以及实际的结果来诊断故障，这就使测 试过程可以脱离额外的寄存器和漏电流从而达到节省芯片面积和节能的效果。 第二章测试相关术语的解释 第二章测试相关术语的解释 2 1 测试 测试是一个应用于电路设计的实验过程，在此过程中我们操纵电路来观察和 分析相应的输出信号从而确定这个电路的行为是不是符合预期。 每一个集成电路制造过程都可能引入物理缺陷，这些物理缺陷将导致错误和 故障普遍存在于半导体器件之中。这些物理缺陷的产生是因为不完美的制造过 程，包括不正确的扩散区几何，微粒污染，掩膜对准和光刻错误以及渗漏的封装 等等。即使芯片的生产过程可以达到完美，它仍可能在应中由于电子迁移，热电 子入射和传输电子损失等原因儿老化 2 】 3 】【4 】【5 【6 。缺陷还可能在芯片的制造完成 后，在测试晶片，切割晶片或是封装时出现。晶片探针，晶片锯，连线以及中间 的处理步骤都有它们自己的缺陷和失效机理 7 。因此，对以生产的芯片做测试是 非常重要的。 图l 物理缺陷【8 】 传统上测试工程师可以通过光学检验的方法来发现物理缺陷，正如图1 所 示，接触开路和通孔缺陷可以引起产量的问题( 它们可能降低电子传输的速度甚至 破坏电路连接) 。尽管多晶柱缺陷( 砷可以在侧墙刻蚀之后在产品里应用传统的光 学检验来观察 9 ，通孔接触缺陷却不能通过应用相同的方法来观察。因此，为了 溪量鍪鬻鎏霉魏戮黪黪黪甏霭黎。，蕊燃甏隧隧聪 6 自动化故障模拟流程的开发 诊断此类物理缺陷，应该采用其他的方法；故障模拟就是其中的一种。 测试与诊断过程需要能够暴露出系统中任何故障的一系列的输入向量( 测试向 量) 9 】。测试实验包含了给每一个设备运用这一系列的测试向量。 根据所用方法的不同，测试可以被分为以下三类： 2 1 1 穷举测试： 这类测试方法运用所有可能的输入激励到设备的输入端。这种方法的优点是 它能够发现所有能够被发现的物理缺陷。但是，这类方法需要巨大数额的测试向 量( 2 n 个可能的输入信号值；1 1 是输入信号的个数) 并且运算的复杂性也显著增加了。 2 1 2 功能性测试： 功能性验证是一类当电路并不是很大规模时普遍使用的一种测试方法。这个 方法用来确保当组装完毕之后的产品能够按照设计说明来运行。功能性测试测试 产品的所有部分来确保它的正确性或是标明出有故障的产品 1 0 】。理论上这类测试 方法在测试用例完整的情况下能够检验出所有可以被诊断出的缺陷。但是它高度 依赖于测试工程师的经验：并不存在一种算法能够证明所用测试用例的完整性。 测试工程师应该遍历所有可能的功能模式来达到目的。这个过程需要消耗大量的 时间来开发测试向量。 和基于结构描述的结构性测试有所不同的是功能性测试基于电路的功能性描 述( 此类方法也被比喻成黑盒子测试) 并在输入处利用不同的逻辑电平来诊断生产 过程中最常见的缺陷( 例如开路，短路，固定逻辑的故障) 。它采用一系列1 与0 作 为输入，测量逻辑输出并与期望的输出作对比。总体来讲，物理缺陷将会导致输 出端的逻辑值与期望值之间的差异。功能性测试使得在即使不知道电路内部结构 的情况下仍然可以测量电路的行为。它即可被用来暴露出一个错误又可被用来展 示一个正确的操作。 这类方法的优点是它可以不用遵守特定的设计规则( 例如，一个设计应该被限 定在单个的时钟沿) 。但是，想要获得高的故障覆盖率，需要运用其它技术来增加 电路的可测性与可控性( 关于可测性与可控性的概念将在2 3 3 节中予以解释) 。 2 1 3 基于故障模型的测试： 这类方法是基于故障模型的。它在电路中加入故障模型并且利用测试向量来 暴露模型所模拟的故障。它也能够诊断出设备所有可诊断的故障，但关键的问题 是我们应该采用哪种故障模型来对电路进行模拟。这类方法既可以使用功能性测 第二章测试相关术语的解释 试向量又可以使用自动产生的测试向量。被用于故障模拟的故障模型应该尽可能 多的覆盖所有的物理故障。基于故障模型的质量，一个完全的测试用例用该可以 诊断出绝大多数的物理缺陷( 最常见与常用的故障模型将在2 2 节中阐述) 。 2 2 故障模型 在电路测试中一个基本的问题是关于在制造中出现的故障的种类以及怎样来 对这些故障建模以产生能够诊断出故障的测试向量。一些故障模型发展成为对于 测量向量产生而言“准标准”的模型：固定逻辑模型覆盖了导致电路表现出固定 逻辑值的一类缺陷；传输故障模型覆盖了导致逻辑门延时的一类缺陷；路径延时 故障模型覆盖了导致在特定路径处延时增加的一类缺陷；桥联错误模型覆盖了导 致两个临近节点物理短路的一类缺陷。 2 2 1 固定逻辑故障模型 最简单的故障模型是固定逻辑0 或固定逻辑1 故障模型。在集成电路测试的 实践中，有效的测量基于所模拟的故障的测试覆盖率，常用的故障模型是固定逻 辑模型 1 2 1 。研究表明单一的固定逻辑错误覆盖了c m o s 电路中9 0 可能的生产 缺陷 1 3 】。无论输入信号值是多少，固定逻辑故障模型在整个故障模拟过程中使信 号的逻辑值保持逻辑1 或0 。如果与正确的信号值有所背离的故障的信号值能过传 输到一个可观测的点处，那么这个故障就能够被诊断出；若不可以，故障将不能 被诊断出。 图2 说明了一般固定逻辑错误的产生原因：如果电路中某一节点与电源线之 间因为生产缺陷而出现非预期的短路，那么这个节点将产生固定逻辑1 故障。相 似的，如果电路中的某一节点与地线之间出现了非预期的短路，那么这个节点将 产生一个固定逻辑0 故障。就单一的固定逻辑故障误而言，我们假设在某一特定 时刻电路中只有一个节点出现故障。 8 自动化故障模拟流程的开发 p o w e rl i n e 2 2 2 传输故障模型 图2 固定逻辑1 和固定逻辑0 故障 与延时相关的传输故障能够被划分为两类，缓慢上升与缓慢下降传输故障。 对于电路而言传输故障是有危害的，即便在没有缺陷或污染导致电路机能失调时， 电路自身可能包含能够导致信号延时的缺陷。这些缺陷可以用传输故障来模拟。 当上游信号出现延时足够大时，下游信号的逻辑值将可能与正确信号值背离。这 种故障的出现可能是因为金属层对齐不良，故障的金属层或者在完成的产品中的 金属中，存在能够干扰电流流动的杂质。 下面将举一个简单的例子来说明和分析传输故障。假设我们的电路中有单个 的d 触发器，在第三个时钟上升沿之前，输入端d 从0 上升为1 ( 如下图所示) ，那 么触发器的输出端q 应该在第三个时钟的上升沿处从0 上升为1 。但是我们从图 中可以清楚的观察到q 信号延时了一段时间，也就是说在第三个时钟的上升沿处 q 信号的值出现了背离。 12345 c l k d q 图3 传输故障 传输故障的影响可以在下面的例子中被说明。假设在下图中，当第二个时钟 的上升沿来临时输入信号的值如图中所列，那么在没有任何故障的情况下，在第 第二章测试相关术语的解释 9 四个是中的上升沿此电路的输出值q 应该是1 。但是因为第一个触发器有缓慢上 升故障的存在，输出信号q 保持了前一个时钟上升沿的输出值并保持到第六个时 钟周期的上升沿才发生变化。 a l - j l , c 乙k e k 院 1n nnn 同t 厂一 崤叫 一厂一 厂 2 2 3 路径延时故障模型 这类模型指一段路径的延时总和超过了所允许的最大值。在硅工艺到达 0 3 5 u m 以下后，总延时中的互联延时的影响变得不仅仅是重要的甚至是决定性的。 当我们使用老一点的技术时，设计者只需要关注芯片中的逻辑门以使得性能得到 优化，并不需要在互连延时上花很大功夫。这在互连延时主宰总延时的今天不再 成立。 隧 a 阢 瓴 取 嗽 r( 1 0 自动化故障模拟流程的开发 s i l i c o nt e c h n o l o g y 1 0u r n0 5u m 0 2 5u l r r l0 1 8u r n 图5 联线延时的影响 2 2 4 跨接故障模型 跨接故障模拟了在电路中的两个节点由于颗粒污染而被短路在一起的行为。 它被用来测试可能的成对跨接网。跨接故障占所有短路故障的9 0 1 5 1 6 。因此， 要精确估计芯片的质量，对于现实中的跨接故障的故障模拟也是十分重要的【1 7 】。 2 3 关于测试生成的定义 测试生成可生成用于诊断物理缺陷的测试向量。有关于测试生成的概念包括： 2 3 1 测试向量 测试向量是可以诊断出故障的输入激励。在产品测试中，我们只能够接触到 封装之后的管脚，也就是输入及输出管脚。为了能够测试专用集成电路的内部我 们必须设计出一系列的输入向量来诊断故障。激励信号就是这些加载到专用集成 电路输入端的输入信号( 测试向量) 1 8 】。在测试向量的激励下，如果电路的输出值 与没有故障情况下的输出值不同，那么这个故障就被诊断出了。 为了能够在模拟过程中诊断出故障，我们需应用特定的模拟器及模拟方法， 它们正是故障模拟器及故障模拟。在故障模拟过程中激励信号文件被用于驱动故 障模拟器。测试向量可以被组织和记录在不同类型的模拟器激励文件中，这些文 件类型将在4 4 3 节中予以介绍。 第二章测试相关术语的解释 232 测试用例 测试用例是由不同的条件和变量所组成的。在这些条件及变量之下由测试器 来判定关于一个应用的需求是部分满足的还是完全满足的。测试用例的基础是 “m a i ns r c ”文件。这是一个英飞凌科技公司内部验证3 2 比特、1 6 比特和8 比特 汽车微控制器的标准化了的源文件格式。源文件含所有对于模拟过程必须的数据： 发给r e f i e c t i v et e s t b e n c h 的命令和发给d u t s ( d e v i c eu n d e rt e s t ) 的汇编代码以 及c 指令编码。写钶0 试用例的最基本的概念是去分析测试程序的输入信号并且分 析模拟之后相应的输入信号，如果这两者完全相同则测试用例的模拟结果被标记 为通过，否则被标记为不通过。此过程可有下图说明： 23 3 可测性与可控性 图6 测试用例判定过程 可测性指把电路中某一个节点的逻辑电平的值传输到一个可观测点( 输出端) 的能力。可控性指将电路中每一个节点的逻辑电平的值通过输入端驱使到1 或者0 的能力。 图7 是可测性与可控性的违背的例子。在图中上面的电路中，无论我们在输 入端x t 处假如怎样的激励信号，输出端oj 的信号值永远为0 ，也就是说输出端不 自动化故障模拟流程的开发 具有可控性。相似的，在下方的电路中，输出端0 2 也永远为逻辑1 ( 因为与非门的 一个输入端接地) ，因此如果在与非门的另外的两个节点之处出现固定逻辑1 的 故障时，此故障将不能在电路输出端被观察到。 g n d 图7 可测性与可控性的违背 2 3 4 自动测试向量生成( a t p g ) 自动测试向量生成这种方法基于对电路的结构化描述；它是一种利用自动化 测试设备( a t e ) 来产生一系列的逻辑o 与1 的方法，所生成的逻辑o 与1 将被接在 电路的输入端作为激励以检测芯片的正确性。 设计集成电路的过程首先需要建立起一个网表，然后用布局工具来进行设计 的布局。一旦布局结束，集成电路将被不同部门验证。在将网表与其它的数据文 件( 例如t e s t b e n c h 或者标准延时格式( s d f ) 文件) 一起模拟后，它将被送入测试部门。 a t p g 工具就能够被用来测试物理芯片。 a t p g 的目标是建立一系列的测试向量已达到所要求的测试覆盖率。a t p g 工 具可以用随机测试向量产生的方法来产生测试向量也可以用确定性测试向量产生 的方法来产生测试向量。确定性测试向量产生是用来诊断一个给定故障的，它的 过程是首先从故障列表中选出一个故障，自动化产生测试所需的向量，故障模拟 测试向量并检查以确保此向量能够诊断出给定故障。随机测试向量的产生与确定 性测试向量的产生类似，它也采用相同的过程，不同点是它采取随机的方法来产 生测试向量。 第二章测试相关术语的解释 随设计复杂度的增加，手动开发高质量的功能性测试向量并且运行故障模拟 已经不再是一个有效的方法了。取而代之的是应用结构化测试技术，它能够增加 整体产量与设计的质量。如果电路设计的很复杂的话，开发功能性测试向量来达 到较高的故障覆盖率已经变成一个十分花费时间并且不能被预知的任务。比起功 能性验证，如果我们改用结构性验证那么我们将会观察到相对较短的测试向量开 发时间。但是由于结构性a t p g 不能够覆盖时序错误，因此我们需要使用功能性 固定逻辑故障测试的方法来处理关于时序的问题。故障模拟对于时序电路a t p g 来说是一个有效的方法；对于任何可以被模拟的电路我们都可以为它生产测试向 量。 2 3 5 扫描测试 扫描测试是一种普遍应用的面向测试设计( d f t ) 方法。扫描测试的目的是使难 以测试的电路表现得像组合电路那样好测试。通过把电路中的时序元件( 例如，触 发器) 用他所对应的组合元件( 称作扫描单元) 所替代并把他们连接入扫描链，扫描 测试就能够增加电路的可测性与可控性。 广一一一一一一一一一一一一l 图8 扫描寄存器 图8 是可扫描触发器的结构。可扫描触发器在一般触发器的基础上增加了扫 描使能管脚( s c - 王砷以及扫描进入数据管脚( s c _ i n ) 。当s c e n 信号使能扫描模式 时，扫描触发器就用来存储从s c 一矾管脚进入的数据，当s ce n 信号没有使能扫 描模式时，扫描触发器就用来存储从数据输入端( d 踯所进入的数据。 1 4 自动化故障模拟流程的开发 图9 扫描链 图9 说明了怎样通过扫描链增加电路的可测性与可控性。被红色所标记出的 导线与元件组成了扫描单元。在时域之中，扫描测试过程能够被分为建立，捕获 与移位输出3 个阶段。以图9 所示电路为例，它拥有两个时钟周期的建立阶段， 一个时钟周期的捕获阶段以及两个时钟周期的移位输出阶段。 以下将说明怎样增加可控性与可测性。假使我们想要人为地使某时刻电路中 的第一个触发器的输出为1 ，第二个触发器的输出为0 ，为此我们需要将扫描链的 输入端s c 矾端一个接一个的输入逻辑值( o ，1 ) 并使能信号s ce n ，这个过程叫 做装载扫描链。接着我们控制s ce n 以禁止扫描链，电路将用d 触发器来捕获通 过逻辑电路后的相应响应。最后我们再次使能扫描链移位输出捕获的响应，此时 电路又能够移位输入新的扫描数据了。 扫描测试显然也有着它自己的缺点。由于引入了额外的多路复用器，传输延 时增大了；并且也将消耗更多的能量。 2 3 6 故障诊断状态 最易理解的故障诊断状态是诊断出的故障( d e t e c t e df a u l t ) 与未诊断出的故障 ( u n d e t e c t e df a u l t ) 。他们表征了对于电路中一个给定的故障，有没有生成能够检测 出此故障的测试向量。 2 3 7 故障覆盖率 对于集成数字设备的测试过程的质量由一个叫做“故障覆盖率”的参数来测量。 故障覆盖率表征了在测试电子系统( 通常是集成电路) 的过程中，能够诊断出的故障 的百分比。下式为故障覆盖率的计算方法： 第二章测试相关术语的解释 d f c = m z 宰1 0 0 ； 公式中符号定义： f c ：故障覆盖率； d ：诊断出故障的数目； m ：所模拟故障的数目； i ：无法诊断故障的数目； 在生产过程中高的故障覆盖率是十分重要的，面向测试设计和自动化测试向 量产生的方法被用来提高故障覆盖率，故障模拟被用来衡量这个参数。 2 4 故障模拟相关定义 2 4 1 故障消减 一些方法被用来加速故障模拟，故障消减就是其中的一种。故障消减这种方 法可以减少用来故障模拟的故障总数。故障可以被分为主要故障，可消减故障和 无法诊断故障。多个对电路贡献等价的故障合成主要故障( 这些故障对于电路的影 响应该完全一样) 。可消减故障指某一个故障对于电路的影响与某一个主要故障完 全一样( 是主要故障其中的一个组成) 。电路中可能包含许多故障对于电路的影响与 其它故障相同，个测试向量可能可以诊断出故障，但是它不能够从一类的主要 故障中区分一个可消减故障与其它的可消减故障。 我们将在下图中进一步讲解可消减故障。在与门输入端的固定逻辑o ( s t u c ka t o ；s 0 ) 故障可以被消减到这个与门的输出端固定逻辑0 故障，因为他们对于电路 的贡献是等价的。正因为这种等价的故障被消减了，模拟所用的时间才会相映减 少。在电路中包含可消减故障的情况下，故障模拟器只对主要输出端故障进行模 拟。 1 6 自动化故障模拟流程的开发 s 脚s 翩 一一 一一 2 4 2 无法诊断故障 s 翩1笃幻；l 图1 0 故障消减 无法诊断故障是指一些故障或者不具有可测性或者不具有可控性。不可测节 点指它的信号值无法传输到输出端。如果穷尽所有输入激励都无法将电路中某一 节点的信号值改变，那么这类节点归就叫做不可控节点。 2 5 故障模拟方法 既然我们已经了解了故障模型的种类，我们可以进一步看看这些故障模型怎 样被注入到电路中以及怎样检测它们。这里我们引入故障模拟的方法。故障模拟 是指在有故障的情况下对电路进行模拟。在模拟器选择固定逻辑故障模型进行模 拟时，电路中的每一个节点都会被模拟成固定逻辑o 或者固定逻辑1 故障。在模 拟器选择延时故障进行模拟时，电路中的每一个节点都会被模拟成延时上升响应 或延时下降响应故障。如果我们将事先开发好的测试向量作为输入同时输入到无 故障电路( 电路中没有注入故障模型) 与故障电路( 电路中注入了故障模型) 中，通过 比较两个电路的输出值，我们可以轻易的找出能够被那个测试向量所诊断出的故 障。这就是故障模拟过程的最基本的概念。所有故障电路以及无故障电路的输出 结果是通过一个异或门来进行比较的。如果一个测试能够诊断出某个故障，那么 这个测试就能够在芯片的对应位置处找出生产缺陷。根据模拟器一次能够同时进 行的故障模拟的数目，故障模拟可以被分为并行故障模拟( 一次能够同时进行多个 故障电路的模拟) 和串行故障模拟( 一次只能够进行一个故障电路的模拟) 。故障模 拟的结果是这些测试所对应的故障覆盖率以及一些数据报告。 第二章测试相关术语的解释 卜 刺黼量，。一| | 一 ，ll 挚断帅 ，每蔫叫ir j 无敞障电路 lij 怛生一 陟 图1 1 并行故障模拟 如下例所示，假设我们在电路的上半部分注入固定逻辑。故障，我们所开发 的测试向量是) ( ，y z ，w = 1 ，l ，l ，1 ) 。以此测试向量作为输入，我们对整个电路进 行故障模拟，在固定逻辑。故障的作用下上半部分电路的输出将为o 而下半部分 电路的输出将为1 ，之后经过异或门的比较，结果是1 ( 故障电路与无故障电路的输 出结果不相同) ，那么这个固定逻辑0 的故障也就被诊断出了。异或门的位级比较 表征了测试实验的结果它也决定了这个测试向量的故障覆盖率。a t p g t 具能够 预测出a t p g 产生的测试向量的故障覆盖率，而额外的功能性测试向量侧故障覆 盖率就只能够通过故障模拟来测量。 x 1 = l y l = 1 z l = 1 w 1 = l x 2 = 1 y 2 = l z 2 = 1 图1 2 故障诊断 故障模拟包含了3 类任务 1 9 1 ： 1 ) 故障详述 故障模拟意味创建一个完整的故障列表( 对于z o l x 故障模拟器而言是一 个f d e f 后缀的文件类型，此文件将在3 2 4 节予以介绍) ，这个故障列表包含了所 有的将被故障模拟的目标故障，以及它们在电路中的位置。例如，图1 2 中所示的 固定逻辑0 故障就可以被作为一个目标故障。对于a t p g 后的故障模拟，我们也 自动化故障模拟流程的开发 可以将a t p g 产生的故障报告文件( 一个f r 后缀的文件类型，此文件也将在3 2 4 中予以介绍) 转换成f d e f 格式并把它用于新的故障模拟。故障详述也包含了故障消 除这项任务。 2 ) 故障注入 故障注入是在无故障电路中注入由故障列表所列出的故障模型，这样相应的 故障就被模拟了。回想上面所述的例子，被详述的故障逻辑o 故障在故障模拟时 被注入到电路中来。 3 ) 故障传输 故障传输是应用一切方法来把电路中故障的逻辑值传输到电路的输出端，这 样故障才能被诊断出来。 第三章软硬件环境说明 1 9 第三章软硬件环境说明 3 1 硬件结构概览 2 0 p l l _ m r ”微控制器( 图1 3 ) 是一个中等规模的s o c ，它的设计包含了9 1 5 ，6 4 1 个节点。“p l l _ m r ”结合了“c 1 6 6 sv 2 ”内核功能性的延伸以及强大的片上外设子系 统和片上内存单元，它在节能方面也有着杰出的表现。 3 1 1 内核系统资源 p l lm r 9 微控制器在“c 1 6 6 sv 2 ”的内核上提供了强大的系统资源。此处理内 核是一个可同步1 6 比特的结构，包含了共1 8 0 ，8 0 3 个节点。他是一个能够满足实 时嵌入性控制应用高性能要求的处理内核 2 1 】。以下将介绍所有系统资源和单元。 1 ) 中央处理器( c p 功 “c 1 6 6 sv 2 ”c p u 是著名的“c 1 6 6 ”核心的第三代产品。它是“c 1 6 6 ”微处理器核 心的最新成员，它把增强的模块结构与高性能有机结合起来。由于它杰出的d s p 表现和中断处理能力，“c 1 6 6 sv 2 ”结构已经被设计来提供一个从以“c 1 6 6 ”为基础 构架的简单的移植。 “c 1 6 6 sv 2 ”继承了在“c 1 6 6 ”微控制器家族成功的软硬件系统结构和概念； “c 1 6 6 ”代码的兼容性能够重复利用现有代码从而减少了从新产品开发到投放市场 的时间。 “c 1 6 6 ”稳固的建立了一个可变范围实时嵌入控制应用。为高命令吞吐量和最 少外围激励( 例如中断) 响应时间优化了的结构使得这个核心能够应用在很宽范围 的领域中，它们包括： 2 0 自动化故障模拟流程的开发 表3 1 1c 1 6 6 的应用 引擎管理 汽车工业传输控制 反锁刹车系统( a b s ) 通信板( l a n ) 电信业 调制解调器 移动通信 机器人 工业控制发动机控制 机器工具控制 硬盘驱动 打印机 电子数据处理( e d p ) 扫描仪 传真机 d v d c d r o m 客户电视显示器 游戏 2 ) 数据管理单元( d m u ) 用于处理核心外部数据传输( 例如，外部存储器或是在外设数据总线( p d b u s 上的片上特殊功能寄存器) 。数据管理单元同样控制着从外部存储器里获得命令， 它作为许多接口之间的数据交换单元并且处理从核心到程序控制单元f e m u ) 的夕i 部总线控制器( e b c ) 的接入优先级问题。例如，它能够控制允许从外部存储器读多 命令与不在e b c 上的数据接入能够同时进行。 3 ) 程序控制单元( p m u ) 程序控制单元用于接入内部程序存储器模块( m m ) 并且控制着命令读取。它嶂 c p u 提供命令( 经由d m u ) 和存放于内部程序存储器中的数据。c p u 所请求的命每 被存放于内部或者外部寄存器当中。内部程序存储器位于p m u 自身内部。 4 ) 中断和外设事件控制器( p e c ) 控制 中断与例外控制系统负责管理所有系统和核心的例外。根据不同种类的例外 “p 1 1 _ m r ”或者进行一般中断处理，软件和硬件陷阱或者通过外设事件控制器进窄 中断处理。 5 ) 片上调试支持( o c d s ) 与联合测试行为组织( j t a g ) “c 1 6 6 sv 2 ”o c d s 由调试者通过一系列可从j t a g 接口接入的寄存器来控隹 ( 调试者可以通过连接在仿真设备上的工具，如通过t a g 对o c d s 进行调试) 。 第三章软硬件环境说明 o c d s 也可以接收从内核到监视器的信息( 例如口，数据和状态) 并且产生触发信 号。o c d s 同样可以与内核互动通过中断接口来中断程序的执行以及通过注入接口 来执行o c d s 产生的命令。 6 ) 外部总线控制器( e b c ) 所有的外部存储器接入都要通过一个特殊的片上外部总线控制器。外部总线 控制器由一系列的配置寄存器所控制。当不需要外部存储器时它能够被配置为单 芯片模式，也可以动态的被配置为不同外部存储器接入模式。 7 ) 系统控制单元( s c u ) 系统控制单元支持所有中心控制人物以及所有产品的特定特点。以下的子模 块在系统控制单元中被实现： 重置控制： 重置功能是由重置控制单元所控制。 节能控制： 节能控制模块，是从“c 1 6 6 ”系列中继承而来的，它能够管理空闲，关闭以及 睡眠模式。 i d 控制： 一系列的身份寄存器被用来定义最重要的参数，包括芯片制造商，芯片类型 和它的属性。这些d 寄存器能够被用于自动化测试选择。 外部中断控制： “c 1 6 6v 2 ”系统提供了快速，异步的外部中断输入。 中央系统控制 “c 1 6 6v 2 ”中央系统的行为是由这个模块控制的。基于最大的物理总线速度和 应用要求，p d b u s 的频率以及所有与它相连的外部设备都是可编程的。时钟产生 状态也由它来反映。 看门狗计数器( w d t ) 看门狗计数器应用了自动放故障装置机制来检测与预防长时间的微控制器故 障。因此，看门狗计数器也只能用来检测长期的故障。 8 ) 时钟产生单元( c g u ) “c 1 6 6 sv 2 ”时钟产生单元应用振荡器或者水晶来产生系统时钟。一个可编程 片上锁相环为“c 1 6 6 sv 2 ”增添了更高的灵活性。 3 1 2 片上外围设备系统 片上外围设备是通过p d b u s 或者l x b u s 来控制的。利用把数据写入专用的 特殊功能寄存器( s f r ) 中我们就能够来控制这些外围设备。中断信号是由这些外围 自动化故障模拟流程的开发 设备操作中的特殊事件而产生的。 1 ) 全局串行接i ：1 信道( u s i c ) 全局串行接口信道由两个串行接口组成并且连接在l x b u s 之上，这个l x b u s 在功能上完全与外部总线相同。u s i c 的概念是基于一般性数据位移和对许多串行 通信协议( 这些串行通信协议包括全局异步收发传输器( u a g t ) ，本地互联n ( l i n ) ， 同步串行信道( s s c ) ，集成电路间总线( c ) ，等等) 来讲相同的数据存储结构的基础 之上的。 2 ) 多控制区域网 控制区域网( c a n ) 传输器是用于自动化的工业应用中高速的不同模式数据传 输与接收的单片式集成电路 2 2 。多控制区域网模块连接在l x b u s 之上，它能够 接受与传输c a n 的帧。 3 ) 通用目的计时器单元( g p t l 2 e ) 通用目的计时器单元是一个灵活的多功能计时器计数器它能够被用于许多与 不同的时间相关的任务，例如时间计时以及计数，脉宽和循环周期测量，脉冲产 生或者脉冲乘积。 4 ) 实时时钟c ) 实时时钟模块作为系统时钟来判定当前时间和日期，其中4 8 比特计时器用于 长期测量，警报中断用于在预定时间的唤醒功能。 5 ) 捕获比较单元( c a e c o m ) 捕获比较单元被用于处理高速的输入输出任务，例如脉冲和波形的产生，脉 宽调制，或者被用于记录当一个特殊事件发生时的时间。 6 ) 捕获l t , 较单元( c a p c o m 6 ) c a p c o m 6 能够提供两个独立的时钟，这两个时钟可被用于脉宽调制产生， 尤其是能够用于交流发电机的控制。另外，它能够用于模块通信和多相位设备的 特殊的控制。 3 2 软件环境 由于公司软件环境的限制，我们在自动化故障模拟流程之前需要考虑到软件 环境。因此我们在以下将介绍公司的软件开发环境以及相关工具： 3 2 1c l e a r c a s e 对于“p l l - m r ”项目所进行的所有开发工作都应该在c l e a r c a s e 版本控制的 基础下开展。c l e a r c a s e 是一个对于源文件的版本控制和软件开发以及全局开发支 第三章软硬件环境说明 持的软件配置管理系统。它能够跟踪每一个版本中每一个文件的变化情况。在版 本控制管理之下的文件可以被轻易地更新或复原。由于开发者的数量日渐增多， 在多系统和多部门之间的研发变得越来越复杂。因此c l e a r c a s e 已经成为了一种杰 出的多系统多部门间协同工作的开发工具。由于设计的复杂性及工程师几乎不能 从零开始立刻进行设计，c l e a r c a s e 为此提供了在设计过程中的对于不同设计版本 进行数据管理的功能，它还提供了登登出机制来保证一个项目中的多个设计者 可以共同进行对于同一文件的数据存储工作。 1 ) 并行开发 在“p 11m r ”项目中c l e a r c a s e 被用来进行版本控制，这意味着c l e a r c a s e 能够自动追踪目录中每一个文件的变化。与多用户操作系统类似，c l e a r c a s e 使并 行开发成为可能。 2 ) 多版本目标程序库 c l e a r c a s e 支持多版本目标程序库( v o b ) ，每一个目标程序库都是一个数据库。 在c l e a r c a s e 中，一个项目的永久的数据或共享的数据都被组织到版本目标程序库 中。在u n i x 系统中，每一个v o b 标签都是一个标记点，这是因为每一个v o b 都被标记并作为独立的文件系统来访问。当一个v o b 被标记时，说明此时它已经 被激活，这时设计者就可以用c l e a r c a s e 程序和标准的u n i x 程序来访问它了。 3 2 2a g e n t 环境 a g e n t 是一个在英飞凌科技公司微控制器部门之中常用的设计与验证环境。 这个验证环境的主要目的是尽可能多的自动化设计过程。由于逻辑产品的数目正 在逐步增多，我们有必要让这些产品尽快投入市场。通过在相同的设计环境下工 作，设计者们也遵守了共同的设计原则，这也是a g e n t 所要求的。这也将使得在 不同项目中的不同设计部分及不同设计者的交换成为可能。最后要说的是标准化 的设计环境和设计流程将导致更容易得到其它设计小组成员的支持。 a g e n t 环境提供了基于r e f l e c t i v e 和“a g e n t p l 前端工具的t e s t b e n c h 。 1 ) r e f l e c t i v e 2 3 】 r e f l e c t i v e 代表了r e u s e a b l e ，e x t e n d a b l e f l e x i b l ec o n t r o l l e dt e s t b e n c hi na v h d l e n v i r o n m e n t 。简化了的t e s t b e n c h 环境如图1 5 所示。工作流程能被描述为： 首先，配置文件，此文件包含对整个的模拟或者特别的t e s t b e n c h 重要的数据，它 被主控制器( 一个完全独立于应用的同步组件) 和t e s t b e n c h 所评估。其次，主控 制器分析配置文件的构成和语意。第三，主控制器按照配置文件来运行指定的指 令，这些指令被送到t e s t b e n c h 中。而且，从t e s t b e n c h 发出的握手信号被收集，并 生成报告文件，返回值被用来更新在控制文件中的参数。 自动化故障模拟流程的开发 c s 3 sc o 仍l 圈 图1 3p l l 系统级t e s t b e n c h 结构 这里我们将说明重要的t e s t b e n c h 元件： 第三章软硬件环境说明 表3 2 2t e s t b e n c h 重要元件 t e s t b e n c h 的核心是主控制器的完全与应用独立的全 主控制器局性同步单元。它由v h d l 设计单元所实现。它的任 务是控制和同步所有t e s t b e n c h 元件的命令的执行。 i 也f 1 e c t i v et e s t b e n c h 元件有一个可以直接接入到主 t e s t b e n c h 元件控制器的接口和一个与d u t 的接口。在信道中， t e s t b e n c h 元件接收从主控制器而来的命令。 信道被用来传送从主控制器到t e s t b e n c h 元件的命令和 信道参数以及接受从t e s t b e n c h 元件返回给主控制器的命令 状态以及参数。 控制文件包含了对于目前最项层结构的功能性的测 控制文件 试。主控制器用于读入并检查它的语法及语义。 2 ) a g e n t p l 工具 a g e n t p l 工具能够简单化编程和准备激励文件的过程，这些文件对于模拟过程 来说是必须的。a g e