（控制理论与控制工程专业论文）最小soc系统的可测性设计.pdf

沈m 化工学院硕士学位论文 摘要 摘要 一个数字系统在使用的过程中要经历无数次的测试和诊断过程，测试和诊断要求快 速，有效( 故障覆盖率高) 。解决问题的方法是将测试变成系统功能的一部分，使系统具有 自测试能力。系统的高级测试通常是由软件来实现的。这种方法有高度的灵活性但它不 能满足高的故障覆盖率和诊断分辨率的要求并且测试时间很长。因此用硬件来实现测试 结构变得更有吸引力。在设计的初期就要考虑测试的要求，否则产品的重复设计和重复 生产会延长产品的上市时间。这种在设计系统的过程中考虑测试要求的方法就是可测性 设计。 系统芯片s o c ( s y s t e m o n a c h i p ) 的特点就是利用i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 技 术将一些复杂的功能单元集成到单个芯片上，实现相应的系统功能。一个最小s o c 系统 包括可编程处理器、控制器、片上存储器三部分。本文就着重从这三个方面出发，研究 模块的可测性设讨。整个测试过程要实现低消耗的测试，即测试时间，测试功耗，能耗， 面积开支要尽可能的小，同时要保证较高的故障覆盖率。控制器部分侧重低功耗，低能 耗的要求，存储器部分侧重测试时间低的要求。 控制器的测试是利用r t l 的功能信息来观测随机抵抗性故障的方法来降低测试能耗 的。低故障级的测试准备要求结构测试。高质量的需求促使对传统的基于数字系统的结 构测试和基于单个l s a 故障模型的测试准备进行改进，r t l ( r e g i s t e rt r a a s f e rl e v e l ) 级的基于h d l 的测试准备变得十分必要了。同时由于功能测试能进行连续测试和全速测 试观测动态故障，所以它可以作为结构测试的补充提高测试有效性。因此在测试的过程 中要将功能测试和结构测试相结合。 嵌入式存储器的测试是将m a r c h 算法进行改进来测试双端口面向字的静态存储器和 动态存储器。将2 0 0 3 年z a i da l a r s 和a dj v a nd eg o o r 提出的单端口面向字的存储 器故障模型进行扩展应用双端口面向字的存储器中。存储器故障按其表现的强弱程度可 分为强故障和弱故障。双端口故障是由两个端口同时操作引起的，当两个弱故障同时出 现时，被激活的概率增加了。这部分主要研究所有的双端口故障的表现形式及测试算法。 由于系统中嵌入式存储器是分散分布的，一个理想的方法是将所有的存储器作为一 个系统来测试。本文是采用基于处理器的方法来测试的。这种方法具有高度的灵活性， 可以根据不同的测试算法来改变测试程序而不用改变系统的硬件结构。 关键字：片上系统可测性设计内建自测试随机抵抗性故障寄存器传输级嵌入式存 储器m a r c h 算法故障覆盖率低能耗硬件描述语言 些堕些王兰堕堡主主焦堡塞 ! ! 曼 a b s t r a c t a d i g i t a ls y s t e ma l w a y se x p e r i e n c e sl a r g en u m b e ro f t e s ta n dd i a g n o s ep r o c e s s e st h a t r e q u i r eq u i c k l ya n de f f i c i e n t l yi nt h el i f e t i m e t h eb e s tr e s o l v e n ti sm a k i n g t h et e s ts t r u c t u r e a sa p a r to fs y s t e mf u n c t i o n h i g h l e v e lt e s ti sg e n e r a l l yr e a l i z e db yp r o g r a m m i n g i ns o f t w a r e t h a th a sg o o df l e x i b i l i t yb u tc a n tm e e tt h ed e m a n do fh i g hf a u l tc o v e r a g ea n ds h o r t e rt e s t t i m e i ti sa t t r a c t i v et or e a l i z et h et e s ts t r u c t u r ei nh a r d w a r e i nt h es a m et i m e ，w em u s t c o n s i d e rt h et e s tr e q u i r m e n ti nt h ei n i t i a l s t a g eo fd e s i g n o t h e r w i s ei t e r a t i v ed e s i g na n d p r o d u c ew i l ld e l a yt h ep r o d u c t t ot h em a r k e t t h em e t h o do f c o n s i d e r i n gt h et e s tr e q u i r m e n t i nt h ep r o c e s so f d e s i g ni st e s t a b i l i t y s y s t e m - o n - c h i p i sa c o m p l e xi n t e g r a t e d c i r c u i tt h a t i n t e g r a t e s t h e m a j o rf u n c t i o n a l e l e m e n t so fac o m p l e t ee n d - p r o d u c ti n t oas i n g l ec h i pu s i n gi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yb l o c k t h i s t h e s i sr e s e a r c h e st h et e s t a b i l i t yd e s i g no fam i n i m u ms o c s y s t e mi n c l u d i n gp r o g r a m m a b l e p r o c e s s o r e s ，c o n t r o l l e r sa n do n c h i pm e m o r i e s t h et e s to fc o n t r o l l e r si su s i n gr t li n f o r m a t i o nt od e t e c tr a n d o m p a t t e r nr e s i s t a n tf a u l t s t e s tp r e p a r a t i o nf o rl o w e s c a p er a t e sr e q u i r e ss t r u c t u r a lt e s t s t r i n g e n tq u a l i t yr e q u i r e m e n t s a r ed r i v i n gt h en e e dt oc o m p l e m e n tt r a d i t i o n a lt e s tp r e p a r a t i o nb a s e do ns t r u c t u r a lt e s ta n dt h e s i n g l el s a f a u l tm o d e lf o rd i g i t a ls y s t e m r t lt e s tp r e p a r t i o nb a s e dh d li sn e c e s s a r y i nt h e s a m et i m e ，f u n c t i o nt e s te n a b l e sa t s p e e dt e s ta d d i t i o n a l l yu n c o v e r i n gd y n a m i cf a u l t s t h e c o m b i n a t i o no ff u n c t i o n a lt e s ta n ds t r u c t u r a lt e s tc a l la t t a i nh i g hq u a l i t yt e s t t h et e s to fe m b e d d e dm e m o r yi sr e a l i z e d b yi m p r o v i n gt h em a r c ha l g r i t h mt o t e s t w o r d - o r i e n t e dt w o - p o r tm e m o r i e s t h ef a u l tm o d e l sa d o p t e da r ee x t e n d e db a s e do nt h ef a u l t m o d e l sf o rb i t o r i e n t e ds i n g l e p o r tm e m o r i e sp u tf o r w a r db yz a l da 1 a r sa n da dj v a nd e g o o ri n2 0 0 3 t h ef a u l t si nm e m o r i e sc a nb ed i v i d e di n t ot w oc l a s s e s ，s t r o n gf a u l t sa n dw e a k f a u l t s w h e nt h et w ow e a kf a u l t se m e r g es i m u l t a n e o u s l nt h ep r o b a b i l i t yo f s e n s i n gf a u l ti s i m p r o v e d t h i ss e c t i o nr e s e a r c h sa l lk i n d so f f a u l t sa n dt h ea l g o r t h i mt ot e s tt h e m a l lt h em e m o r i e si nt h e s y s t e ma r e d i s t r i b u t e d o n ep e r f e c tm e t h o di st ot e s ta l l m e m o r i e si nas y s t e m t h et e s ti s p r o c e s s o r - b a s e dw h o s ea d v a n t a g e i s h i g hf l e x i b i l i t y d i f f e r e n tt e s ta l g o r i t h m sc a nb er e a l i z e db ys i m p l ym o d i f y i n gt h et e s tp r o g r a m sr u n n i n go n t h em i c r o p r o c e s s o rw i t h o u t c h a n g i n g t h eh a r d w a r es t r u c t u r e k e yw o r d s ：s o c ，d f t ，b i s t ，r a n d o mp a t t e r nr e s i s t a n tf a u l t ，r t l ，e m b e d d e dm e m o r y m a r c h a l g o r i t h m ，f a u l tc o v e r a g e ，l o we n e r g yc o s t ，h d l i i 沈阳化工学院学位论文独创性声明 本人声明所基交的学位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。除文中 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的研究成果。与我一同1 ：作的 同志对本研究所做的贡献也已在论文中作了明确说明并表示了谢意。 研究生签名：日期 沈阳化工学院学位论文使用授权声明 沈阳化工学院有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容想一致。保密期外，允许论文被查阅和 借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权沈阳化 ：学院 研究生部办理。 研究生签名：导师签名；日期 沈阳化工学院硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 可测性设计的意义和发展概况 随着微电子学的迅速发展，数字计算机和数字控制系统越来越复杂，所用的p c b 规模也越来越 复杂，因此对系统的测试开销( 包括测试费用和测试时间) 急剧增加。虽然对测试的理论和方法的 研究一直没有间断和停止，但仍远远满足不了系统发展的要求。过去由设计人员根据所完成的功能 要求来没计电路和系统，而测试人员根据已经设计或研制完毕的系统和电路来制定测试方案的传统 做法已不适应实际生产的要求。这就要求功能没计人员在设计系统和电路的同时，应该考虑到测试 的要求，即衡量一个系统和电路的标准不仅有实现功能的优劣，所_ j 元器件的多少，而且还要看设 计的系统和电路是否可测，测试是否方便。这就是可测性设计。 一个数字系统在使用的过程中要经历无数次的测试和诊断过程期试和诊断要求快速，有效( 故障 覆盖率高) 满足上述要求的方法是将测试变成系统功能的部分，使系统具有自测试能力系统的高 级测试通常是由软件来实现的尽管这种方法有高度的灵活性但它不能满足高的故障覆盖率和诊断 分辨率的要求并且测试时间很长因此用硬件来实现测试结构变得更有吸引力同时在没计的初期就 要考虑测试的要求，否则产品的重复设计和重复生产会延长产品的上市时间 进行可测性设计时一定会增加硬件的开销。有两种基本的策略：一种是为了获得最人的可测性 而不惜成本地进行设计，另一种是希望采取一些切实有效的方法，增加少量或有限的硬件开销来提 高系统和电路的可测性。根据不同的可测性要求来选择不同的测试策略。对应丁i 这两种测试策略， 可测性设计的方法可分为两大类：结构设计( s t r u c t u r e dd e s i g n ) 和专项设计( a dh o cd e s i g t a ) 。结构设 计是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。专项设计是按功能基本要求设 计系统和电路，采取一些简单易行的措施，使可测性得到提高。专项设计不能根本解决测试问题， 尤其是对时序电路的测试，本来测试是十分困难的，在稍作改进后，测试仍有相当的困难，因此对 时序电路的设计经常采取结构设计。 系统利电路的可测性有两个方面的含义，即测试矢量的产生和测试矢量的施加。为了减少产生 测试矢量的开销，经常采用通用型的测试矢量集，即测试矢量同电路实现的功能无关，而仅与电路 规模的大小有关。为了减少测试矢量施加的开销，则主要是减少测试矢量集中的测试矢餐数。因此 可测性设计般包括两个方面的内容： 1 为了使设计变得简单，增加适量的电路。 2 在测试过程中，必须向电路施加一定量的测试序列，即测试向最。而测试向量应尽可能简单。 可测性设计的目标主要包括4 个方面： 设计的电路和系统易于测试 由于测试而引入的附加硬件应尽可能少 电路附加的测试部分对原电路的性能影响应很小 设计方法的适用面广。 测试矢量集的最极端的例子是穷举法。这种方法不须产生狈4 试矢量集，然而进行测试时测试矢 1 沈m 化t 学院硕士学位论文 第一章绪论 量施加的工作量很人。它只适用于输入数少于2 0 个的电路。减少测试矢量数的研究在理论上取得较 人的进展。1 9 7 4 年h a y e s 提山了用插入一些异或门的方法来修改任何组合电路的方法，使之用5 个 测试向量就能检测山电路中所有的单故障。同年s a l s a 和r e d d y 将5 个测试向量减少为3 个。1 9 8 0 年d a s g u p t a 提出了基于双模逻辑概念的电路设计方法，这种电路只用2 个通用型测试矢茸就可以测 试全部电路”j 。上述方法在实际使用时要增加很多的硬件和引出端，在实际设计时只能根据理论和 方法作部分修改。 利用可测性的度量值来寻找有限的附加测试点和控制点，以提高系统和电路的可观察性和可控 制性，米直接提高可测性。增加测试点和控制点意味着可以从电路内部测量输山信号和施加测试信 号，可以更直接的获取更多的信息，以便测试或诊断故障。最极端的例子是利用针床技术的路内测 试法。针床测试仪是将测试激励应用到p c b 板背面的焊点上。只有被测组件被激活而其他的组件不 运行。这种方法能进行芯片的诊断和电路布线的测试，然而应用这种方法进行测试时必须将电路从 系统中分离出来，因此它不能进行系统级的诊断。同时由于s m t ( s u r f a c e m o u n tt e c h n o l o g y ) 技术将电 路组件密集的安装在电路板的两侧，线间距很小，针床测试仪不能准确的测试电路板的背面焊点。 1 2 可测性设计的方法 目前常用的可测性设计的方法是扫描设计和内建自测试设计。扫描技术是时序电路可测性设计 的一种重要方法，它可以把电路中的信号“移出”来观察，或把输入信号“移入”电路，其特点是 测试数据的串行化。通过将系统内的存储器等时序元件重新设计，使其具有扫描输入状态，可使测 试数据从系统一端经由移位存储器等组成的数据通路串行移动，并在数据输出端对数据进行分析， 以提高电路内部节点的可控性和可观察性，达到测试芯片内部的目的。扫描设计又分为全扫描技术， 部分扫描技术和边界扫描技术。 1 2 1 全扫描技术( f u l ls c a n ) 全扫描技术是将电路中的所有普通触发器替换为具有扫描能力的扫描触发器，使其在测试时链 接成一个或几个移位寄存器，这样电路分成了可以进行分别测试的纯组合电路和移位寄存器，电路 中的所有状态可以直接在原始输入和输出端控制和观测。这样的设计将时序电路的测试生成简化成 组合电路的测试生成。扫描触发器最常用的结构是多路扫描触发器，它在普通触发器的输入端口加 上一个多路器【5 】如图i i 所示 s 为多路器的选择端 端，o u t 为数据输出端。当 s c a n s 图1 】扫描触发器结构 i n 为止常的功能输入端，s c a ni n 为扫描输入端， c l o c k 为时钟输入 s = 0 时，触发器为正常的功能输入，当s = l 时，触发器为扫描输入。 2 鎏塑些三堂堕堡圭堂垡堡塞 篁二主! ! 鱼 已有的全扫描测试设计技术包括“。： 1 1 9 7 5 年日本n e c 公司开发的采用多路数据触发器结构的扫描通路法( s c a np a t h ) 2 i b m 公司在1 9 7 7 年开发的级敏扫描双锁存器设计法( l s s d ) 。主要优点是系统时钟和数据之 间不存在冒险条件，这是由l s s d 的设计规则保证的。 3 日本富士通公司于1 9 8 0 年开发的随机存取扫描法( r a n d o ma c c e s ss c a n ) 。它的移位寄存锁 存器( s r ls h i f tr e g i s t e rl a t c h ) 和r a m 阵列类似。用x y 地址对每个锁存器进行编码， 直接通过地址选择变化的s r l ，加快了测试过程。 4 s p e r r y u n i v a c 公司在1 9 7 7 年开发的扫描置入法( s c a n s e t ) 。移位寄存器与系统中的触发 器不共享。从时序网络中采样n 点后，将采样值用一个时钟脉冲送到n 位移位寄存器中。 数据置入后开始移位，数据通过扫描输出端扫描输出。移位寄存器的n 位数据也可置入系统 触发器中，用于控制不同的通路，以简化测试。 全扫描技术可以显著的降低测试生成的复杂度和测试费用。然而它的面积开支很大，速度也很慢。 1 2 2 部分扫描技术( p a r t i a ls c a n ) 嗍 部分扫描方法是只选择一部分触发器构成移位寄存器，来降低扫描设计的硬件消耗和测试响应 时间。关键技术是如何选择触发器。触发器的选择方法可分为三大类： 1 利用可测性测量值选择扫描触发器。该方法利用触发器连入移位寄存器前后的电路的可测性 差异来选取对电路的可测性影响大的触发器组成移位寄存器。 2 ，根据要求的故障覆盖率选取触发器。 3 根据简化测试矢量生成来选取触发器。 1 2 3 边界扫描技术( b o u n d a r ys c a n ) 边界扫描技术是一种扩展的自治测试技术。它在测试时不需要其它的测试设备，不仅可测芯片 或p c b 的逻辑功能，还可以测试i c 之间或p c b 之间的连接是否存在故障。i e e e 在1 9 9 9 年已确定 了有关的标准i e e e l l 4 9 1 。边界扫描的原理图如图1 2 所示【6 1 。 边界扫描是在i c 的输入输出引脚加上边界扫描单元b s c ( b o u n d a r ys c a nc e l l ) ，并把这些扫描单元 依次连成扫描链路观测并控制i c 边界的信号，边界扫描电路还包括测试存取端口t a p ( t e na c c e s s p o r t ) 及测试数据寄存器，测试指令寄存器和旁路寄存器等。具有边界扫描功能的i c 需要增加以下管 脚：测试时钟输入t c l k ( t e s tc l o c k ) ，测试模式选择t m s ( t e s tm o d es e l e c t ) ，测试数据输入t d l ( t e s td a t a i n p u t ) ，测试数据输出t d o ( t e s td a t ao u t p u t ) t 【| 可选的测试输入t r s t ( t e s tr e s e t ) 。边界扫描t a p 控制器 主要由3 种指令：抽样预加载，外测试，和旁路。将p c b 上各i c 的t d i 与t d o 串接，t m s 和 t c l k 分别并接，构成了电路板级扫描测试的基本结构。当执行外测试指令时，就可以测试电路板 上备l c 之间的连线。执行抽样顾加载，可以实时她监视各i c 输入输出引脚的信号。选用旁路指令， 可以使得测试数据不再经过各b s c 而迅速的通过各电路板，减少测试时间。只要给p c b 板提供t m s ， t d i ，t c l k 信号，并对t d o 的数据进行分析，就能实现电路板的边界扫描测试。边界扫描测试可 使电路板内节点的可控制性和可观测性达到1 0 0 ，大大提高故障覆盖率和故障定位率。而且，测 沈阳化工学院硕士学位论文 第一章绪论 图1 2 边界扫描原理图 试电路硬件接口简单，仅包括t d i ，t d o ，t c k ，t m s 等几根信号线。边界扫描可以在电路丁作的同时 进行检测，真正实现了在线测试。由于b s c 单元的节点值可以预置，所以离线测试也很容易。在正 常模式下，边缘扫描单元作为通常的输入输出器件。在测试模式下，测试向量将扫描输入，输山芯 片的引脚值。 1 2 4 内建自测试( b i s t ) 内建t h 测试是可测性设计的另一种重要方法。它的基本思想是电路自己生成测试向量而不要求 图13b i s t 结构图 4 沈阳化工学院硕十学位论文 第一章绪论 外部施加测试向量，它依靠自身来决定测试结果是否正确。因此，内建自测试必须附加两个额外电 路：激励生成器和响应分析器【7j 。结构图如图1 3 所示。 激励的生成方式分五种”】： 1 穷举法：这种方法要求测试向量包括电路所有的预期状态及所有的状态变化。对。- 有1 3 个输 入的电路测试向量为2 ”个，当电路的输入数n 2 0 时，穷举法变得不适用了。 2 伪穷举法：基本思想是将原米的一个大电路分割成几个小电路，每个小电路按穷举法进行测试 分割的方法有四种：锥形分割，硬件划分，敏化路径分割及局部硬件划分。 3 伪随机法：这些模式具有随机数的特点然而它是硬件模式生成器利用算法产生的，具有可重复 性。它不再产生2 ”个测试模式，然而为了得到高的故障覆盖率仍需长的测试模式序列。一般 来说，伪随机产生的测试序列要比确定性的a t p g 产生的测试序列要长。 4 加权伪随机法：加权伪随机法是对伪随机法的改进。它能用短的测试向量和测试时间来得高 的故障覆盖率。它是通过调节伪随机模式生成器输出端0 和1 出现的概率来实现的。 5 单元自治模式生成法：这种方法比伪随机法具有更好的随机性，每个位的状态都是由前一时 刻它的两个邻近位的状态决定的。 对应于二上述的五种模式生成方法，激励生成器的硬件实现有六种方式： 1 r o m ：这种方法是将在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 ) 程序中生成的测试模式集存 储到r o m 中，这会占用大量的芯片面积。 2 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 ) ：这种方法用l f s r 产生伪随机测试。对于大规模的电 路，它通常需要1 0 0 万个或更多的测试向量来得到高的测试覆盖率，然而它所需的硬件少。 x o ( f + 1 ) x 1 0 + 1 ) x 。一3 0 + 1 ) z 。一2 0 + 1 ) x ( t + 1 ) x n 一2 图14 标准的l f s r 的结构 010 001 00 00 o ( f ) x l ( r ) x 。一3 ( f ) 。一2 ( f ) x 。一l ( f ) x ( t + 1 ) = 五x ( t ) 图15l f s r 的数学表达式 图1 4 娃标准的l f s r 的结构图。由图1 4 可知l f s r 是由d 触发器和线性的异或门组成的。 5 卜 o 1 h 之 o h2 0 o 打 0 0 啊 o o 1 垫塑些：! 兰堕型圭兰些笙兰 塑二童! ! 鱼 异或门的反馈网络是从x 。至x n 】的外部连接的。因此它是外部异或f 1 的l f s r 。参数h i 表 明从相应的触发器到触发器x 。是否有反馈。1 表示有反馈而0 表示没有反馈。在实际的电路 结构中0 表示在相应的位置没有异或r j 而1 表示有异或门。l f s r 的数学表达式如图】5 所示。 3 二进制加法器：二进制的加法器能产生完全的测试序列，然而它的测试时间会很长。通常会 将这种类型的激励生成器进行划分。二进制加法器的硬件开支要比典型的l f s r 的硬什开支 人。 4 改进的加法器：改进的加法器适合作为测试模式生成器然而需要跃的测试序列。 5 l f s r 和r o m ：这种方法是将l f s r 产生的测试向量作为初级测试。然后利崩a t p g 程序产 生测试序列观测在l f s r 中没有观测到的故障，并将这些测试序列存储到r o m 中。这些序 列可以嵌入到l f s r 的输出端也可以嵌入到扫描链中将固0 和固1 故障的覆盖率提高到 1 0 0 。 6 单元自治：这种方法是每个模式生成器单元都有一些逻辑门，触发器，与邻近门连接。每个 位的状态都是由前一时刻它的两个邻近位的状态决定的。 响应分析器是为了降低比较的时间和r o m 的面积，先将响应序列进行压缩，得到响应的特征， 然后，将其与期望的特征进行比较，以确定测试的结果。响应分析器的典型实现是多输入特征寄存 器( m 1 s r m u l t i - i n p u ts i g n a t u r er e g i s t e r ) 。 1 3 s o c 系统的可测性设计策略 系统芯片s o c ( s y s t e m o i lc h i p ) 是随着集成电路设计与制造工艺的迅速发展而出现的新一代i c 芯 片，它是利用i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 将一些复杂的功能单元集成到单个芯片上，实现相应的系统 功能，即它在一个芯片上就实现系统的所有功能。它通常包括可编程处理器，控制器，信号处理器， 片上存储器四个部分。 s o c 由于将系统的大部分集成为一个芯片可以使系统运行的更快，而功耗更低。分立器件的减 少可以使终端产品的体积更小，成本降低。由于s o c 设计的特点，使测试s o c 芯片变得非常困难。 s o c 的测试不能像测试小规模芯片那样作为一个整体进行。通常的方法是对s o c 芯片上的各个模块 分别进行测试。但是s o c 芯片包含大量的功能复杂的模块，测试中它们的可控性( c o n t r o l l a b i l i t y ) 和可观察性( o b s e r v a b i l i t y ) 将成为测试的主要问题。系统中的某些模块( 如第三方提供的i p 模块) 用不同的可测性方法d f t ( d e s i g no f t e s t a b i l i t y ) ，有的模块甚至不包括任何的测试结构，也是系统 d f t 殴计时必须考虑的。总之，s o c 的系统级d f t 包括对测试可行性，测试时间，测试成本和测试 结构”对芯片面积的影响等方面做出设计决策。 针对以上问题，相应的s o c 的系统级d f t 包括以下过程【4 】： ( 1 ) 对于可重用的模块的提供者，必须提供详细的测试文档和测试向量，测试文档包括测试策略， 测试信号说明，接口时序等。 ( 2 ) 根据系统规范和不同模块或核的测试策略，制定系统级的测试规划。通常对采用不同d f t 策略的模块分别进行测试，而对某些核需要单独进行测试。 ( 3 ) 根据系统结构和测试规范，对系统测试进行划分，以尽可能地实现并行测试。 6 沈阳化二l ，学院硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 )确定系统测试控制策略和具体方法，以保证测试中被测试部分处于测试状态，而系统的其它 部分处于静止状态，保证对测试部分没有影响。 ( 5 )根据系统测试簸略，针对不同模块的测试要求，在系统级进行相应测试结构的设计。包括对 引脚的多路配置实现对模块的可控和可测，测试时钟的提供，模块孤立化设计( 如加入边界 扫描单元) 等。 ( 6 )对新设计模块或需要修改的模块，制定测试策略级测试结构设计规范。 ( 7 )选择一定的功能测试向量作为结构化测试的补充。 本文研究的主要内容是最小s o c 系统的可测性设计。第二章是对控制器的低能耗测试利用 r t l 的功能信息米观测随机抵抗性故障的方法来降低测试能耗。这种方法用较短的测试向量就能得 到高的故障覆盖率，能量消耗低。第三章是对双端口面向字的静态存储器和动态存储器的测试。将 m a r c h 算法进行改进来测试双端口面向字的存储器。采用的故障模型是在2 0 0 3 年z a i da i a r s 和a d j v a nd eg o o r 提出的面向字的单端口存储器的故障模型的基础上扩展的。这种故障模型包括动态故 障和静态故障。这部分主要研究两个端口故障的组合形式及它们的低消耗测试算法。第四章是对雅 个存储器系统的测试。采用基于处理器的方法来测试。这种方法具有高度的灵活性，可以根据不同 的测试算法米改变测试程序。主要任务是设计控制器来控制整个测试过程。 沈阳化t 学院硕士学位论文 第二章控制器的低能耗测试 2 1 引言 第二章控制器的低能耗测试 随着人规模集成电路的应用和发展，b i s t ( b u i l t i ns e l f - t e s t ) 成为d f t 设计技术 的主流，s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 设计主要采用b i s t 可测性技术。b i s t 可测性设计是使电 路自身有发出测试信号，自己检查输出的能力，因而硬件电路需增设：测试信号发生器、 输山响应分析器、测试控制器三部分来完成白检功能。 系统功能、规模的增加，意昧着所用器件的增多，同时由了= 测试硬件的加入，电路的体积、功 耗急剧增加，低能耗在手持通信系统和电池供电设备中变得越来越重要。能量消耗太大会缩短电池 的寿命。同时深亚微米c m o s 技术在一个片子上集成的百万门的晶体管和几百兆赫兹的时钟加剧了 系统能耗，在测试过程中产生的热量导致硅失效，如电迁移，降低了系统的可靠性。多余的热跫要 利用封装和冷却技术来移出。因此，降低功耗是必需的。减小体积、降低功耗一方面有赖丁二| 导体 技术的提高，另一方面合理的设计也有助于系统功耗的降低，这也是i c 设计和研究人员的一大课 题。 2 2 功耗，能耗的定义 从设计指标看系统功耗主要有：平均功耗、峰值功耗和能量消耗“1 。峰值功耗为系统瞬时最 大功耗，决定了器件和系统的热量及电流的上限，过量的峰值功耗可导致c u t ( c i r c u i t su n d e rt e s t ) 最大电流的增加，对封装提出更严格的要求，同时过量的峰值功耗能引起电迁移，影响系统的稳定 性。能量消耗是一段时间内能量消耗的总和，为保证功耗和测试时间的要求，不能用延长测试时间 的方法来降低系统功耗；平均功耗为系统在单位时间内的能量消耗。数字系统测试模式下的平均功 耗要比工作模式下的高，这是因为测试模式要激活尽可能多的跳变。而工作模式同时只激活儿个模 块，同时1 二作模式下的相邻的输入向量是极其相关的，测试模式下向量的相关性却很小。 从功耗的构成看系统功耗一般分为静态功耗和动态功耗，对于现存的c m o s 技术，静态功耗主要 是由漏电流产生的，由于c m 0 s 结构的互补对称性，同一时刻只有一个管子导通，漏电流很小。因此 静态功耗不是系统功耗的主要成份。动态功耗由器件跳变时对电容的充放电及短路电流构成，是系 统功耗的主要来源。因而，系统功耗设计主要以降低测试模式下的动态功耗为目标，在此目标下， 使系统的平均功耗、峰值功耗和能量消耗指标得到满足，保证电池供电系统长期稳定工作。 节点f 每翻转一次消耗的平均能量是：1 2 c j ，c ，是节点i 的等价的输出电容，v ，是电源 电压。设s ，是这个周期内节点的跳变次数，则一个周期内节点f 消耗功率的近似值为：i 2 c 。s ， 而扇山系数为e 的节点i 一个周期内消耗的能量e ，= 1 2 s 。f g ，c 。是单位输出负载电容。因 而，动态功耗主要与s ，和f 。的乘积w s a ( w e i g h t e ds w i t c h i n ga c t i v i t y ，s ，f ) 有关，w s a 表示测试 8 沈阳化工学院硕士学位论文 第二章控制器的低能耗测试 过程中节点i 能量消耗的变量部分，可作为降低功耗的主要指标。当电路的输入为一组连续的向量 ( 比+ ) 时，消耗的能量为： = 1 2 c 。s ( i ，七) 只”1 i 代表电路中的所有节点，s ( i ，k ) 表示在节点i 所引起的跳变次数。假定一个伪随机序列的长度 # , 7 l e n g t h 。，( l e n g t h ，。是为达到一定的故障覆盖率所必需的测试长度) ，那么在整个测试过程中电 路消耗的能量为： e 。，= 1 2 c 。s ( i ，) f ” 2 3 目前存在的低功耗，低能耗的测试方法 1 低功耗的扫描测试3 h s o c 的测试数据压缩“ 这种方法适合3 8 i s t 电路，主要是利用压缩测试数据( c o m p r e s s i o n ) 来减少测试的容量和降低 测试功耗。由丁扫描向量的静态压紧( c o m p r a c t i o n ) 总是导致扫描测试时的高功耗，而低功耗的测试 义导致测试向量的增加，网此，静态压紧与低功耗是相互矛盾的。利用预先计算的测试集的g o l o m b 代码使平均功耗和峰值功耗都显著降低而不用增加额外的逻辑功能单元或降低扫描时钟。在编码的 过程中，将测试向量中的非特定位设为0 并对测试向量排序使相邻两向鼍的相关度增大，从而达到 降低功率的目的。 2 。改进测试模式生成器的结构 l f s r 是b i s t 的关键部件，可同时作为测试模式生成器和响应分析器，但l f s r 耍达到高的 故障覆盖率需要很长的测试序列，因此可通过对l f s r 的结构改进来缩短测试序列，并达到 高的故障覆盖率。改进的方法如下： ( 1 ) d s - l f s r ( d u a l s p e e d l f s r ) 双速l f s r 由两个l f s r 组成，个是慢速的l f s r ，一个正常的l f s r ，慢速的驱动时钟频率 是正常的1 d ，用慢速时钟驱动引起内部节点频繁翻转的输入端，来降低功耗。它的优点是 在保证故障覆盖率的前提下，平均功耗和能耗明显下降，面积开销较低。不足是不适于含 有随机抵抗性故障的电路。 ( 2 ) m i x e d m o d eb i s t 1 3 测试模式生成器有两个k i p l f s r 并行操作，主m p l f s r 仍是传统的m p l f s r 澳4 试生成器。 第二个m p l f s r 生产过滤模式，降低测试电路节点翻转的次数。将这两个测试生成器生成 的测试向量进行位与，位或操作，得到的向量作为测试电路的输入，这样可使电路内部节 点的翻转次数降低。其优点是故障覆盖率高，测试时间短，面积的开销低。 3 分解被测电路”“”3 1 用多级超图分解算法( m u l t i l e v e lh y p e r g r a p hp a r t i t i o n i n ga l g o r i t h i n ) 将电路分解 成几个子电路，子电路在不同的b i s t 部分被连续的测试，使一定的时间间隔内电路的翻转 9 沈阳化工学院硕士学位论文 第= 章控制器的低能耗测试 次数得到降低。多级超图分解算法既适合并行b i s t 结构，又适合基于扫描的b i s t 结构，故 障覆盖率不变，而面积的开支和延迟都较低，适用于内部电路的联系少而输入多的电路。 4 选择对提高故障覆盖率有用的向量9 。”1 1 输入给c u t 的每个测试向量都消耗能量，但并不是每个测试向量都提高最终的故障覆 盖率，利用过滤结构去掉对故障覆盖率没有影响的向量，只将有用的向量输入给c u t ，这 样测试向量的数目减少而故障覆盖率不变。实现上述目标主要有在测试发生器和被测电路 之间加入解码电路和d 锁存器和基于模拟退火方法的测试矢量分组等方法，其优点是实现 逻辑简单，对故障覆盖率没有影响的测试向量被忽略，产生确定性向量的效率高。 5 调整时钟1 在一个时钟周期中，一个时钟激活整个测试模式生成器中一半的d 触发器，而在紧接着的r 一 个时钟周期中，另一个时钟激活另一半的d 触发器这两个时钟的速度都是正常时钟的一半并被主时 钟c l k ( 正常时钟) 同步，但在时钟周期上有偏移。这样，单位时间里电路的跳变次数降低了，功 耗降低了。优点是实现简单，故障覆盖率和测试时间不变，对电路的延迟和测试时间没有影响。面 积的开销可忽略。 2 4 本章所采用的低能耗的测试方法 2 4 i 用r t l 信息指导随机抵抗性故障的观测 由于电子产品的功能，性能，质量要求越来越高，电子产品的设计和测试也需要相应的提高。 设计的复杂性推动设计过程向高级过程发展即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 ) 。迫切的质量要 求促使对传统的基于数字系统的结构测试和单个l s a 故障模型的测试准各( 测试模式生成t p g 和 故障仿真f s ) 进行改进，r t l ( r e g i s t e r t r a n s f e r l e v e l ) 级的基于h d l 的测试准备( 包括d f t 的结构 重新配置) 变得十分必要了。低故障级( 1 0 wd e f e c tl e v e l 是指有故障的产品成功的通过产品测试的 百分比) 的测试准备需要结构测试，功能测试不能得到高质量的产品测试而被广泛的应用在设计验 证上。然而由于功能测试能进行连续测试和全速测试观测动态故障，它可以作为结构测试的补充提 高测试有效性( 测试有效性是指一特定测试模式观测目标系统和组件中故障的能力，它与e d a 工 具合成的结构关系不大) 。基于r t l 的功能测试能有效的提高生产环境中故障的覆盖率。r t l 测试 模式生成方法的目的是使系统的设计者得到h q ( h i 曲q u a l i t y ) 功能测试，它能在设计验证，产品测 试和总线测试中重用。 t p g 过程的难点是随机抵抗性故障【2 4 】叫的观测。随机抵抗性故障要求大蹙的等概率模式或多重 加权集，只有有限的输入向量的子集才能观测到。从高级抽象来看，这些故障与很少运行的功能模 块相联系，即功能”d a r kc o m e r s ”。这些”d a r kc o m e r s ”对应为难以控制或观测的结构组件。利用r t l 故障模型和随机向量，只需较短的测试长度通过低能耗的故障仿真就能观测出”d a r kc o m e r s 的位置。 因此，基丁r t l 的测试能有效的降低b i s t 测试过程中的能耗。为了得到高的故障覆盖率，将r t l 的功能测试与门级的结构测试相结合，利用r t l 的故障仿真识别设计错误或”d a r kc o m e r s ”，得到观 测这些故障的少数位特定的测试向量即模式。这些模式会显著的提高”d a r kc o t i l e r s 中r t l 故障的单 1 0 鲨塑些三堂堕堡主堂堕笙苎 苎三童堑唑墨盟堡堕堑! ! 堕 个或多重观测。首先，将观测门级l s a 故障的随机向量应用到门级描述，再将上面得到的模式应用 到fj 级