（测试计量技术及仪器专业论文）片上网络系统可测性设计及测试技术研究.pdf

摘要 摘要 片上网络是一种新的片上互连结构，使用片上网络作为片上互连结构的微系 统芯片称为片上网络系统。任何新的集成电路设计技术只有在它的测试方法发展 完善后才能被广泛使用，对片上网络系统的测试正面临着巨大的挑战，迫切需要 研究有效的测试方法和技术。 本文深入研究了面向测试的、片上网络的结构和通信协议中的关键技术。深 入研究了满足片上网络系统测试需求的、优化测试时间和芯片面积开销的、片上 网络系统的可测试性设计和测试技术。本文的主要内容包括： 1 片上网络模型和片上网络测试仿真平台的研究。目前，学术界和业界还没 有形成统一的片上网络结构体系，还没有对不同的片上网络系统测试方法和技术 进行评估及比较的“片上网络测试基准结构”，这使得片上网络系统的测试研究工 作面临着诸多困难。本文从片上网络系统测试需求出发，研究了片上网络的结构 和通信协议，提出了支持片上网络及其内嵌芯核测试的路由器和网络适配器的可 测试性结构，建立了一种通用的、在f p g a 中可综合实现的片上网络模型和片上 网络仿真测试平台。 2 片上网络的路由器和f i f o s 的可测试性设计和测试技术研究。 ( 1 ) 研究了使用专用测试总线存取结构、与i e e e1 5 0 0 测试壳结构兼容的片 上网络路由器的测试技术。对测试响应数据进行空间和时间压缩所引起的信息丢 失，本文从线性和非线性以及空间和时间等不同方面研究了测试响应压缩的混叠 问题。研究了使用非对称分布差错模型， 间压缩器，对于任意测试输入序列长度， 间压缩器的混叠概率的分析方法。 通过构造一个双输入虚拟的测试响应时 可准确预测和计算不同类型测试响应时 ( 2 ) 研究了复用片上网络传输测试数据的片上网络f i f o s 的内建自测试方 法。提出了一种基于可测性设计技术的f i f o s 测试算法，与其它f i f o s 测试算法 相比，具有较短的测试时间和较小芯片面积开销，可达到较高的故障覆盖，测试 算法具有线性复杂度。在二维m e s h 和t o m s 片上网络上，研究了单播和组播两种 测试数据传输方式，研究了将多维h y p e r c u b e 网络拓扑结构压缩n - 维t o r u s 拓 扑结构的方法，研究了用于二维4 x 4 t o m s 片上网络f i f o s 测试数据传输的组播 路由算法。 摘要 3 片上网络系统中非层次型和层次型内嵌口芯核的可测试性设计和测试技 术研究。 研究了适用于片上网络的非层次型内嵌芯核的测试壳结构，其片上面积开销 与i e e e1 5 0 0 测试壳结构相当。研究了测试数据网络传输延迟对被测芯核测试时 间的影响，提出了一种启发式的被测芯核内部扫描链和测试壳边界单元优化配置 算法，可有效减小被测芯核的最大测试扫描输入输出长度，减小测试数据分组数 量和测试数据网络传输延迟。从层次型芯核的测试壳边界单元结构入手，分析了 层次型芯核的父核和子核之间测试模式的约束关系，提出了层次型芯核一种新的 测试模式类型和研究了相应的层次型芯核测试壳结构。研究了基于表调度的非抢 占式的启发式片上网络系统测试规划算法，并考虑了并行测试约束和功耗约束等 问题，可有效减小片上网络系统的测试时间。 4 片上网络系统中混合信号电路模块的测试方法研究。 对支持混合信号电路模块的片上网络结构进行了探讨，针对混合信号电路系 统中的基本组件一模拟数字转换模块( a d c ) ，研究了一种使用斜坡信号作为测 试激励的a d c 内建自测试输出分析方法，与直方图分析方法相比，具有更短的 测试时间，硬件资源开销较小，该方法不但可以测试a d c 的差分非线性和积分 非线性等静态参数，还可检测a d c 的漏码特性，给出了两种完整的a d c 内建自 测试结构，可用于不同配置的片上网络系统。 理论研究和实验结果验证了本文中所提出的方法和所得到的结论的正确性。 关键词：片上网络系统，可测试性设计，微系统芯片测试，测试壳和测试存取结 构设计，测试复用，测试优化 a b s t r a ( 了r a b s t r a c t t h en e t w o r k o n c h i p ( n o c ) i san e wo n - c h i pi n t e r c o n n e c ta r c h i t e c t u r e a s y s t e m o n - c h i p ( s o c ) w h o s ei n t e r c o n n e c t i o ni si m p l e m e n t e db ya l lo n - c h i pn e t w o r k i sc a l l e dan e t w o r k o n - c h i ps y s t e m a n yn e wi n t e g r a t e dc i r c u i t sd e s i g nt e c h n i q u ew i l l o n l yb ew i d e l y a d o p t e di fi t i sc o m p l e m e n t e db ye f f i c i e n ta n dp r a c t i c a l t e s t m e t h o d o l o g i e s t e s t i n gas o cw h o s ei n t e r c o n n e c t i o ni si m p l e m e n t e db ya l lo n - c h i p n e t w o r ki sc h a l l e n g i n g , a n dt h e r ei sap r e s s i n gn e e df o re f f i c i e n tt e s tm e t h o d o l o g i e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h er e s e a r c ho nk e yt e c h n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so f n o ca r c h i t e c t u r e a n dn e t w o r kp r o t o c o l si sf o c u s e d0 1 1t e s t i n gn e t w o r k - o n c h i ps y s t e m ( n o c s ) a n da l o to fd e t a i l e dr e s e a r c hh a sb e e nc o n d u c t e do nd e s i g nf o rt e s t a b i l i t ya n dt e s tt e c h n i q u e s t om i n i m i z et h es y s t e mt e s tt i m ea n da r e ao v e r h e a df o rs a t i s f y i n gt h et e s t i n g r e q u i r e m e n t so f n o e s t h em a i n w o r k so f t h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 r e s e a r c ho nn o cm o d e la n dn o cs i m u l a t i o nt e s t i n gp l a t f o r m t od a t e ，t h e r eh a sn e i t h e rau n i f o r mn o ca r c h i t e c t u r em o d e ln o rn o cb e n c h m a r k st o e n a b l et h eo b j e c t i v ec o m p a r i s o nf o rn e wt e s tm e t h o d sw i t hr e s p e c tt oe f f e c t i v e n e s sa n d e f f i c i e n c y t h i sh a sg r e a t l ye x a c e r b a t e dt h et e s t - r e l a t e dp r o b l e mi nn o c s f r o mt h e p o i n to fv i e wo ft e s tm e t h o d o l o g i e s ，r e s e a r c hi sp e r f o r m e do nn o c a r c h i t e c t u r ea n d n e t w o r kp r o t o c 0 1 d e s i g nf o rt e s t a b i l i t y ( d f t ) a r c h i t e c t u r e sf o rr o u t e ra n dn e t w o r k a d a p t e rw e r ee x p l o r e da c c o r d i n gt ot e s t i n gr e q u i r e m e n t so fn o c s ag e n e r a ln o c m o d e li sp r o p o s e da n di tc a nb es y n t h e s i z e di nf p g a s f u r t h e r m o r e ，t h en o c s i m u l a t i o nt e s t i n gp l a t f o r mi sp r o p o s e db a s e do nt h eg e n e r a ln o cm o d e l 2 r e s e a r c ho nd f ta n dt e s tt e c h n i q u e so f n o cr o u t e ra n df i f o s ( 1 ) n o cr o u t e r sa r et e s t e db yu s i n gt h ec o m p a t i b l ei e e e15 0 0w r a p p e ra r c h i t e c t u r e a n dt h ed e d i c a t e dt e s ta c c e s sm e c h a n i s m ( t a m ) r e s e a r c hw a sd o n eo nt e s tr e s p o n s e c o m p a c t i o n i nt h e f o l l o w i n ga t t r i b u t e s ：t i m e v e r s u s s p a c ea n dl i n e a r i t y v e r s u s n o n l i n e a r i t y t e s tr e s p o n s ec o m p a c t i o nm a yi n d u c es o m el o s so fi n f o r m a t i o n a n a l i a s i n gp r o b a b i l i t ya n a l y s i sa p p r o a c ho ft i m ec o m p a c t o rw a sp r o p o s e db yu s i n gt h e a s y m m e t r i ce r r o rm o d e la n db u i l d i n gad u a li n p u tf i c t i t i o u st i m ec o m p a c t o r t h e p r o p o s e da p p r o a c hc a nb eu s e dt oc a l c u l a t ea n dp r e d i c tt h ee x a c ta l i a s i n gp r o b a b i l i t yo f i i i a b s t r a c t t i m ec o m p a c t i o nt e c h n i q u ef o ra n yt e s ti n p u tv e c t o rl e n g t h ( 2 ) b u i l t - i ns e l f - t e s t i s t ) a r c h i t e c t u r ea l o n g 谢廿lr e u s i n gn o c t ot r a n s p o r tt e s t d a t aw a su s e dt ot e s tf i f e si nn o c t h ed f t - b a s e df i f o sm a r c h i n gt e s ta l g o r i t h m 、j l ，i mal i n e a r - t i m ec o m p l e x i t yw e r ep r o p o s e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h et e s ta l g o r i t h m 、) l ，i t l lh i g hf a u l tc o v e r a g eg r e a t l yr e d u c e st h et o t a lt e s tt i m ea n do n c h i pa r 铋o v e r h e a d i nc o m p a r i s o nt oo t h e rf i f o st e s ta l g o r i t h m t h ed i s s e r t a t i o ne x p l o r e du n i c a s t 嬲w e l l 嬲m u l t i c a s tt e s td a t ac o m m u n i c a t i o no n2 一dm s ha n dt o r u sn e t w o r ka n dp r e s e n t e da n o v e la p p r o a c ht ot r a n s f o r m i n gh y p e r c u b et o p o l o g yi n t ot o r u st o p o l o g y a ne x a m p l e o ft r a n s f o r m i n g4 一dh y p e r c u b ei n t o4x42 - dt o r u si sg i v e ni nt h ed i s s e r t a t i o na n da m u l t i c a s tr o u t i n gm e t h o du s e do nh y p e r c u b en e t w o r ki sa l s oa p p l i c a b l et ot h et o m s n e t w o r kt ot r a n s f e rt e s td a t ap a c k e t s 勰w e l l 3 r e s e a r c ho nd f ta n dt e s tt e c h n i q u e so fn o n - h i e r a r c h i c a la n dh i e r a r c h i c a li pc o r e e m b e d d e di nn o c s t e s tw r a p p e ra r c h i t e c t u r ei sp r o p o s e di nt h ed i s s e r t a t i o na n di sa p p l i c a b l et o n o n h i e r a r c h i c a lc o r ei nn o c s t h ea r e ao v e r h e a dd u et ot h ei m p l e m e n t a t i o no ft h et e s t w r a p p e ru s e di nn o c si sc o m p a r a b l et ot h eo v e r h e a do fai e e e15 0 0w r a p p e r a h e u r i s t i ca l g o r i t h mi su s e dt oc o n f i g u r et h ei n t e r n a ls c a nc h a i n si nc o r eu n d e rt e s ta n d w r a p p e rb o u n d a r yc e l l sw i t l lc o n s i d e r i n gt e s td a t ap a c k e t sl a t e n c yi nt e s tt i m er e q u i r e d t ot e s tc o r e s t h i sa l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l ym i n i m i z et h em a x i m u ms c a n - i na n d s c a n - o u tl e i l g t h so ft h ec o r eu n d e rt e s ta n ds i g n i f i c a n t l yr e d u c et h en u m b e ro ft e s td a t a p a c k e t sa n dt h et o t a lt e s td a t ap a c k e t sl a t e n c y t h er e q u i r e m e n t sa n dc o n s t r a i n t so n t e s t m o d e so fp a r e n tp o r e sa n dc h i l dc o r e si nh i e r a r c h i c a lc o r ew e r ee x p l o r e db ya n a l y z i n g t h ef u n c t i o n a l i t yo ft h ee l e m e n t so ft h ew r a p p e ra n dan e wt e s tm o d ea n dw r a p p e r a r c h i t e c t u r ew e r ep r o p o s e df o rh i e r a r c h i c a lc o r et e s t i n g i nt h en o c s ，t e s ts c h e d u l i n gi s d o n et om i n i n l i z et h et e s tt i m ei nam a n n e ro fn o n p r e e m p t i v eb a s e do nl i s ts c h e d u l i n g w i t hc o n s i d e r i n gt e s tp a r a l l e l i s ma n dp o w e rc o n s u m p t i o nc o n s t r a i n t s 4 r e s e a r c ho nt h em i x e d s i g n a lc i r c u i tt e s tm e t h o d o l o g i e si nn o c s t h en o ca r c h i t e c t u r em o d e ls u p p o r t i n gm i x e d - s i g n a lc i r c u i tm o d u l ei se x p l o r e di n t h ed i s s e r t a t i o n t h ea n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r t e ri st h ee s s e n t i a lc o m p o n e n t so nt h e m i x e ds i g n a lc i r c u i ts y s t e m a i m i n ga ta n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r t e rm o d u l et e s t i n g , w e p r o p o s e dab i s ts c h e m ef o ra n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r t e rb a s e do nal i n e a rr a m ps i g n a l a n de f f i c i e n to u t p u ta n a l y s i s t h ep r o p o s e da n a l y s i sm e t h o di sa na l t e r n a t i v et o i v h i s t o g r a m - b a s e da n a l y s i st e c h n i q u et op r o v i d et e s tt i m ei m p r o v e m e n t s ，e s p e c i a l l y w h e nt h er e s o u r c e sa r es c a r c e i na d d i t i o nt ot h em e a s u r e m e n to fd n la n di n l n o n - m o n o t o n i cb e h a v i o rc a na l a ob ed e t e c t e dw i mt h ep r o p o s e dm e t h o d t w o i m p l e m e n t a t i o no p t i o n sa r ep r o p o s e db a s e do nh o wm u c hn o ch a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n r e s o u r c ei sa v a i l a b l e f i n a l l y , t h e o r e t i c a ls t u d i e sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s so f t h ep r o p o s e da p p r o a c ha n do b t a i n e dc o n c l u s i o n si nt h ed i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：n e t w o r k - o n - - c h i ps y s t c m , d e s i g nf o rt e s t a b i l i t y , s y s t e m - o n - c h i pt e s t , t e s tw r a p p e ra n dt e s ta c c e s sm e c h a n i s md e s i g n ，t e s tr e u s e ，t e s to p t i m i z a t i o n v 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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：亟垒签 日期：卅年2 月弘日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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应遵守此规定) 签名：姿l 丛导师签 日期： 第一章绪论 第一章绪论 电子信息技术是当前高新技术的前沿，而超大规模集成电路( v e r yl a r g es c a l e i n t e g r a t i o n ，v l s i ) 又是电子信息技术的核心和基础。随着半导体工艺技术的飞速 发展，对超大规模集成电路进行高效测试的需求更加紧迫。测试不仅是集成电路 在生产和使用时的必要环节，并且它已经和集成电路的设计、制造构成了一个整 体。超大规模集成电路技术的发展清晰地表明，对集成电路进行有效的测试，对 保证其可靠性、提高其质量性能以及降低其成本起着重要的影响。 在本世纪初，研究者们提出结合并行计算的计算机网路和用于数据通信的互 连网络的技术来提高微系统芯片的片上通信效率。使用片上网络作为片上互连结 构的微系统芯片称为片上网络系统，片上网络的基本组件主要包括路由器、网络 适配器( 网络接口) 和互连线路，内嵌芯核通过网络适配器接入片上网络，数据 被转换成数据分组的格式，经路由器转发沿互连线路传输。任何新的集成电路设 计技术只有在它的测试方法发展完善后才能被广泛使用，片上网络系统的测试面 临着巨大的挑战，迫切需要研究有效的测试方法和技术。 1 1 本文研究背景和意义 微系统芯片( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 为通信、多媒体和商用消费类电子等应 用领域提供了单片集成的解决方案。随着半导体工艺技术的发展，根据美国、欧 洲以及日本等国家和地区的半导体和电子信息工业协会所发布的国际半导体技 术路线图( i ，r r s ) 2 0 0 5 年估计，到2 0 1 2 年，在4 5 纳米半导体工艺技术和1 伏 工作电压下，微系统芯片中可以集成大约4 0 亿个晶体管，操作频率可以达到 1 0 g h z 1 1 ，这使得片上全局互连线路的可靠性进一步恶化，全局互连线路的延时 随工艺特征尺寸的下降而快速上升，图1 1 显示了这种趋势。 芯片面积每增大1 0 倍，片上平均布线长度将增长1 7 倍，而其中长线布线的 长度将增加3 2 倍【2 】，e d a 工具对长线部分的延时估算的偏差较大【3 】，并且由于 在芯片设计时各模块位置信息未知，长线变化的范围很大，这些因素增加了全局 互连线路长度的差别。电容性耦合【4 1 和电感性耦合【5 】是片上互连线路信号耦合的 两种主要方式，特征尺寸的缩小使线路间受串扰的影响越来越严重【6 】，在深亚微 电子科技大学博士学位论文 p r o c e s s t e c h n o l o g yn o d e ( n m ) 图1 - 1 局部连线延时、全局连线延时和逻辑门延时与特征尺寸的关系【l 】 米半导体工艺技术下，信号线路连接的可靠性也成为了一个突出的问题【l 】。 半导体工艺的发展和应用需求的提升使得芯片规模日益增加，在当前微系统 芯片设计中常常集成大量的内嵌p 芯核【7 】，芯片设计方法的滞后使得片上内嵌芯 核的集成与半导体工艺水平之间出现了巨大的设计落差【1 s 】，从1 9 9 7 年到2 0 0 2 年 之间，芯片的设计周期缩短了5 0 ，而芯片设计的复杂性提高了5 0 倍p 】。微系 统芯片规模扩大，需要实现对内嵌芯核以及通信接口的复用。不同应用需求的芯 片可能具有相似的结构，基于平台的芯片设计方法可以减小微系统芯片的上市时 间【l 们，需要对片上互连结构的复用，从而出现了以片上互连结构为中心的芯片设 计方法 1 l - 1 2 】。微系统芯片中内嵌芯核的互连、计算、存储和输入输出接口之间联 系密切，需要从全局根据这四个方面的需求对芯片进行设计和优化。 在片上互连技术成为限制微系统芯片性能的重要因素的前提下，为了适应工 艺和微系统芯片新的复杂性，解决已有芯片设计方法和片上互连结构的不足，研 究者们提出并开始研究片上网路( n e t w o r ko i lc h i p ，n o c ) 互连技术【l 1 6 1 ，其主要 思想是结合并行计算的计算机网路和用于数据通信的互连网络的技术来提高微系 统芯片的片上通信效率。计算机网络技术已经是一个成熟的研究领域，有着完整 的研究理论体系和丰富的研究成果，但对于片上网络，目前常用的网络配置和技 术都过于复杂或开销太大，难以在片上实现，传统计算机网络中成熟的技术大多 不适合微系统芯片的要求，无法直接应用于片上网络系统的设计中。 2 寄ia搴誊童。比 第一章绪论 片上网络互连结构与传统总线结构和端对端片上互连结构相比，在可复用性 ( r e u s a b i l i t y ) 【1 l 1 7 1 、可预期性( p r e d i c t a b i l i t y ) 【17 1 8 1 、可扩展性( s e a l a b i l i t y ) 1 1 , 1 7 】 和可容错性( f a u l tt o l e r a n ta b i l i t y ) 1 7 , 1 9 】等方面都具有明显的优势。作为一种新的 片上互连结构，只有在其测试技术发展完善后才可能被广泛采用，因此对片上网 络系统的测试，不但符合微系统芯片测试技术发展趋势，而且具有强烈的紧迫性 和必要性，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 微系统芯片的测试成本是芯片生产成本的一部分，测试成本与芯片测 试时间、片上资源开销和外部自动设备的利用率等多种因素有关【2 0 2 1 3 ，随着片上 网络的出现，芯片设计中计算和通信分离 1 1 , 1 7 ，大量的内嵌芯核包括片上网络可 在不同类型的应用设计中复用，芯片设计周期进一步缩短【2 1 1 ，这使得本来就已经 成为了微系统芯片设计中瓶颈的测试开发问题更加凸显了出来。 ( 2 ) 芯片设计实际上由d 芯核供应商和芯片系统集成商共同完成，芯片系 统集成商要完成对内嵌口芯核的测试，必须使用芯核供应商所提供的测试信息 f 2 2 1 ，而对深嵌在微系统芯片深处的被测芯核进行有效的测试存取，是目前微系统 芯片模块化测试技术所面临的主要挑战之一团】。随着微系统芯片规模的扩大，片 上网络互连结构的出现，专用测试存取结构越来越不能满足微系统芯片的测试需 求，这已经成为了亟待解决的问题。 ( 3 ) 在片上网络系统中，可复用片上网络传输测试数据，这种方法直接的 影响就是可以降低片上资源开销和芯片引脚【2 4 1 ，同时网络的并行数据传输机制有 助于减小微系统芯片的测试时间，这种思想一经提出立刻引起了学术界和业界的 广泛关注，特别是近几年逐渐成为了研究热点。 ( 4 ) 专用测试存取结构的一些测试方法和技术不适用于复用片上网络对 内嵌芯核的测试，同时片上网络的拓扑结构、路由算法、交换技术和流控机制等 成为了复用片上网络测试内嵌芯核所必须考虑的技术因素，研究新的测试方法和 技术成为了迫切的需求。 ( 5 )从片上网络的概念被提出以来，片上网络的研究发展十分迅速，各种 类型的片上网络实例被实现，但到目前为止，还没有形成统一的片上网络结构体 系 1 1 , 1 7 】，也没有可用于测试研究的“片上网络测试基准结构 2 1 2 5 1 ，这使得与片 上网络相关的测试研究工作面临着诸多困难。 为使我国当前的超大规模集成电路技术跟上飞速发展的国际微电子的发展趋 势，开展片上网络系统的测试理论与技术的研究不仅具有重要的理论意义，而且 具有重要的工程应用价值。 3 电子科技大学博士学位论文 1 2 片上网络系统及其测试方法 1 2 1 片上网络：一种新的片上系统通信方案 微系统芯片通常使用共享总线或端对端互连结构，这些互连结构的优点在于 概念易于理解，建模比较简单【2 6 1 ，但是复杂多核系统所带来的功耗和仲裁等问题 使传统片上互连结构很快变成了片上通信的瓶颈【l l , 1 3 】。片上网络引入了两个重要 的概念【1 3 】：( 1 ) 基于消息的通信连接；( 2 ) 分布式网络结构。片上网络与共享总 线结构各自主要的优缺点可归纳为以下几个方面【1 1 1 6 捌。 ( 1 ) 带宽和数据传输速率：片上网络的非阻塞分组交换策略可保证并行数据 传输机制，端对端流水线式链路连接提供了较高的数据传输吞吐量；总线结构连 接越多的模块则寄生电容越大，导致性能降级。 ( 2 ) 片上资源的使用：片上网络基于分组的消息连接是一种静态的多路选择 的方式，共享路由器之间网络通道线路；在总线结构中，通常同一时刻只有一个 总线控制器可以使用总线。 ( 3 ) 通信的可靠性：片上网络路由器之间的连接线路较短，相对受噪声的影 响比较小，通信中的差错被限制在数据分组的范围内，差错控制易于实现。当某 一数据传输路径出现故障，可使用冗余的数据传输路径替代；总线结构中较长的 全局总线更容易受到噪声的影响。差错控制需要较大的开销。一条数据传输路径 出现故障可能导致一个系统故障。 ( 4 ) 仲裁控制：片上网络路由器中分布式仲裁控制器硬件开销较小，速度较 快，但只能使用局部数据通信信息；总线结构中所有总线控制器只有一个中央仲 裁器，结构较为复杂，速度较慢，随着连接模块数量的增加，仲裁的延迟随之增 加，中央式仲裁控制可使用全局数据通信信息。 ( 5 ) 设计复杂性：片上网络结构和路由器设计可在不同的应用中复用。芯片 的通信和计算分离，内嵌模块和片上网络的设计可同时进行；总线结构具有较差 的可复用性。 ( 6 ) 可扩展性：片上网络相对于总线结构具有更好的可扩展性。 ( 7 ) 全局时钟：g a l s ( g l o b a l l ya s y n c h r o n o u s ，l o c a l l ys y n c h r o n o u s ) 的片上 网络不需要全局时钟同步；总线结构通常需要全局时钟。 ( 8 ) 数据传输延迟：在数据分组传输中，对路由器等共享资源的竞争、网络 4 第一章绪论 拥塞控制、数据的组包和分解等时间开铺会增加数据的网络传输延迟：在总线结 构中，一旦某个总线控制器获得总线，数据的传输可使用全部总线带宽。 ( 9 ) 芯片面积开销：片上网络的路由器和数据缓存等会占用较多的片上硬件 资源；而总线结构则相对占用较小的片上资源。 片上网路研究中的关键技术可分为三类口7 。，它们分别是网络通信结构：拓扑 结构、通道带宽和缓存大小；网络通信协议：路由机制和交换策略；功能应用映 射：任务调度和内嵌口芯核映射。由于片上网络的复杂性，片上网络的结构和掷 议不能分开研究，它们之间存在相互的联系。本论文在对片上网络系统的测试研 究中主要涉及前两个太类中的问题。图l - 2 给出了一个4 x 4 二维m e s h 片上网络 的示意图，片上网络主要由内嵌芯核( e m b e d d e d c o r e ) 、网络适配器( n e i a v o r k a d a p t e r ) 、路由器( r o u t e r ) 和链路( l i n k ) 这几部分组成。 鞠 圈1 - 2 二维4 4 m e s h 片上眄络结构和基本组件示意图“ 片上网络拓卦结构( t o p o l o g y ) 包括网络的拓扑形状和内嵌芯核在网络中的 相对位置【捌，就拓扑形状而言，不规则结构针对具体应用进行设计，能提供更好 的通信性能【2 9 1 ，但可重用性较差，规则结构具有较好通用性唧】，规则结构的可重 用性可减少芯片设计风险和设计周期。拓扑结构可以分为二维和多维结构，在片 上可实现的片上网络实例多为二维规则结构【】”。本文以二维规则型片上网络拓扑 结构作为主要研究对象。 片上网络的基本组件包括路由器和网络适配嚣。路由器主要由输入输出端口 之间的流控模块、数据缓存模块和路由仲裁调度模块构成口”，路由器对所接收的 数据分组( p a c k e t s ) 进行暂存，根据路由算法将数据分组转发到另一个路由器或 本地处理模块，完成通道硬件资源的仲裁和分配。在复用片上网络测试内嵌芯核 电子科技大学博士学位论文 时，路由器还要支持测试模式下对内嵌芯核的测试。网络适配器位于网络节点处， 通过局部总线连接路由器和内嵌芯核，网络适配器屏蔽了片上网络数据传输的细 节，实现了微系统芯片中计算和通信的分离【3 2 琊】。由于不同内嵌芯核数据格式和 接口不同，目前还没有通用的网络适配器结构。而在测试模式下，网络适配器要 完成测试数据格式的转换、测试规划和测试控制等功能。 片上网络通信协议决定着微系统芯片的结构和性能，需要对不同的技术做出 选择或折衷，包括采用电路交换还是分组交换策略，通信是否基于连接，路由算 法是确定性还是自适应型，是最短路径路由还是非最短路径路由，是否准许数据 分组丢失，中央仲裁控制还是分布式仲裁控制等等【1 1 , 1 7 , 3 1 】，这些在传统计算机网 络中得到广泛研究的问题，在片上环境中对所有问题都要重新进行考虑，关键技 术包括：路由算法、交换策略、流控机制和拥塞控制、缓存优化和服务质量，这 些技术因素也是在片上网络系统测试中所必须考虑的问题。 1 2 2 片上网络系统的测试方法 片上网络系统的测试包括片上网络和内嵌芯核的测试，模块化测试技术和内 建自测试技术已经成为微系统芯片的主要测试方法。z o r i a ny 等提出了对微系统 芯片内嵌芯核的模块化测试的概念性结构【3 4 】，如图1 3 所示，模块化测试是指将 被测芯核与芯片中的其它部分隔离，对深嵌在微系统芯片内部的被测芯核进伊直 接 地测试，使用“分而治之 的方法实现内嵌芯核的测试复用，被测芯核的测 试数据存取是模块化测试技术面临的主要问题。内建自测试技术的基本思想利用 片上测试生成器直接生成测试矢量，测试分析器完成对测试响应的分析，降低对 昂贵的外部自动测试设备的需求，但随着电路规模的扩大，用于测试的硬件开销 将显著增加，使其应用受到了一定的限制【3 引。 ；、_ = ：毫霹 e m b e d d e d 二 j 。c o r e ，。； j ： 、1 z 、书 “，7 ：i w r a p p e r 图1 3 微系统芯片模块化测试概念性结构示意图删 微系统芯片内嵌芯核模块化测试结构示意图如图1 4 所示，测试源( t e s t s o u r c e ) 提供测试矢量，测试接收器( t e s ts i n k ) 接收被测芯核的测试响应数据并 6 第一章绪论 进行比较和分析。测试壳将被测芯核与外围电路进行隔离，在正常操作模式，测 试壳对于内嵌芯核是透明的，在i e e e1 5 0 0 标型3 6 j 测试壳结构中，除了串行测试 端口，可自定义并行测试端口，并行测试数据传输可有效降低被测芯核的测试时 间。测试存取结构连接测试壳和测试源测试接收器，用于测试数据的传输，测试 存取结构可使用专用测试存取结构或复用片上功能型互连结构，测试总线【37 】( t e s t b u s ) 和测试轨避3 8 】( t e s tr a i l s ) 是目前常用的专用测试存取结构。 t e s t s o u r c e s o c i n p u t s 。可自定义的测试存取结构 、。j ，。： ：、测试定，- 薛一。测试壳，! 微系统芯片 二二阻 i 豢3 隧i w s o zw s i , l ：o 。睦一， 测试控制信号 图1 4 微系统芯片模块化测试结构示意图 t e s t s i n k s o c o u t p u t s 片上网络的测试主要包括路由器、网络适配器和互连线路的测试。路由器的 功能型端口处插入测试壳边界单元( 3 9 删，以改善被测电路模块的可控制性和可观 测性，边界扫描技术【4 l 】( i e e e1 1 4 9 1 ) 在板级芯片的互连线路测试中得到了广泛 的应用，它也可以用于路由器和网络适配器中的测试【4 2 】，专用测试总线存取结构 对片上网络性能的影响较小，并不受片上网络结构和通信协议的限制。深亚微米 工艺技术条件下互连线路串扰故障模型常采用最大侵扰故障模型【6 】( m a x i m a l a g g r e s s o rf a u l tm o d e l ，m a f m ) ，串扰故障的测试需要采用向量对( k ，砭) 的形式， 其中k 为初始化测试向量，用来初始化互连线路的状态，巧则用来产生需要的跳 变来敏化相应的串扰故斟4 3 喇】。边界扫描中的t a p 控制器的控制信号u p d a t e d r 和c a p t u r e d r 状态之间两个半周期的延迟限制了边界扫描技术在串扰故障测试中 的应用，在i e e e1 5 0 0 标准中，测试壳边界单元的更新( u p d a t e ) 和传输( t r a n s f e r ) 操作之后可立即执行捕捉( c a p t u r e ) 操作，因此可对片上网络互连线路串扰故障 进行测试，但缺点在于测试时间较长，测试不是在网络中互连线路的真速条件下 执行。片上网络中的数据缓存通常使用f i f o s 实现，而f i f o s 特殊的读写操作限 7 蝴画叫刊 电子科技大学博士学位论文 制使得一些经典的、用于存储器测试的算法【4 5 舶】失效，f i f o s 测试是功能型测试 0 4 6 ) ，功能故障模型和f i f o s 功能模型不同测试算法也不尽相同，测试算法不具有 通用性。片上网络互连结构中的互连线路和f i f o s 都具有数量多、位置分布分散 和测试存取困难的特点，这又对内建自测试技术的应用提出了新的挑战。 微系统芯片的内嵌p