（计算机软件与理论专业论文）基于多扫描链的测试数据压缩方法研究.pdf

基予多扫编链的测试数据压缩方法研究 摘要 超深亚微米技术的应用使得芯片的集成度大幅提高，集成电路设计正快速 地向系统芯片s o c ( s y s t e m o n a - c h i p ) 设计方法转变，逐步遗将各秘预先设 计和验证的芯核( c o r e ) 集成在一个芯片上，这种基于芯核的设计风格和创新 技术，大大增加了设计产量，使褥在一个s o c 上集成数亿个晶体管成为w 能， 也加快了产品投放市场的时间，值怒，不断增加的芯片复杂性和测试数据量， 也使芯片的测试费用不断上升，尤其是自动测试设备a t e 变得越来越昂贵，测 试闻鼷已经袋为s o c 发震静瓶颈。 测试数据压缩是解决s o c 测试问题的一种行之有效的方法，它可以用于减 少嚣簧存耱懿测试数据量。_ l 羹 | 试磨豢集经嚣缩( 编褥) 藉，数据鬃可班缩小2 0 倍以上。测试时，压缩后的数据经过解码电路被还原为原始的测试向量，施加 裂被测瞧路竞藏测试。 本文所做的主要工作如下； l 。介缨了基本瓣s o c 测试提必知识及基蓑圭要懿s o c 测试方法。 2 ，提出了两种针对多手葺描链的测试数据压缩方案： 基于多扫描链的两维( 纵向横向) 测试数据压缩方案有效降低测试的 数据存储量，减少测试时间。首先，运用褶容压缩技术对多扫描链环境下的测 试集进行压缩，合并相容扫描链：然后，针对合并后的多扫描链测试模式，按 照测试模式闻差别字躺多少，进行优化籀 序，记录相邻瀚麓羽字，并将麓别字 按字典方法编码进行再压缩。 基予多摆捂镶豹遂翔事厅叠测试数据压缩方案是在旗予薪_ 簸计数嚣静溺 试数据压缩方法的基础上，利用测试模式间的逆向折叠关系，通过一个逆向折 爨静子葶羹测试模式溺鑫冬逆惫疆离篷张记录熬令溺试集；奁整令瓣疆过程审本方 案不需蒙进行种子的煎播种，只利用逆向躐离值实现模式间的转变，高效地还 原出原测试集，这秽方法有效地减少了测试数据量鼹测试嚣重越。 3 ，设计开发了针对以上两个方案的实验程序，提供了实验结果，在采用 相同实验数据的情况下，与混合码等方案鲍实验结果进行了比较，结果袭嚷本 文的方法明显其有更高的压缩率，嗣时，解压结构也较简单，因此，本文的方 案拥有离效而快速的综合测试性能。 关键词；s o c 测试，测试数据联缩，多扫描链，折叠计数器，存储与生成方案 t h er e s e a r c ho ft e s td a t ac o m p r e s s i o n b a s e do nm u l t i p l es c a nc h a i n s a 熬s 譬r a c 霉 t h ea p p l i c a t i o no fv e r yd e e ps u b m i c r o n ( v d s m ) t e c h n o l o g yi n c r e a s e st h e d e n s i t yo fc h i p sg r e a t l y 。i cd e s i g n i s b e i n gq u i c k l yt r a n s f o r m e di n t o s o c ( s y s t e m o n a - c h i p ) d e s i g n ，v a r i o u sp r e d e s i g n e da n dp i e v e r i f i e dc o r e sa l eg r a d u a l l y b u i l to nas i n g l ec h i p ，a n dt h i sd e s i g ns t y l ea n di n n o v a t i v et e c h n o l o g yb a s e do nc o r e s e n h a n c e st h eo u t p u to fd e s i g n ，n o w , i ti sp o s s i b l et ob u i l dh u n d r e d so fm i l l i o nt r a n s i s t o r s o nas o c a l s o ，i tt a k e sas h o r t e rt i m ef o rp r o d u c tt oc o m ei n t ot h em a r k e t b u t ，t h e c o n t i n u a l l yi n c r e a s i n gc o m p l e x i t ya n dt e s t i n g d a t av o l u m em a k et h e t e s t i n g c o s t c o n t i n u o u s l yr i s i n g p a r t i c u l a r l y ，a t e ( a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t ) i sb e c o m i n gm o r ea n d m o r ee x p e n s i v e ，s ot h ep r o b l e mo f t e s t i n gh a sb o t t l e n e c k e dt h ed e v e l o p m e n to f s o c 。 确et e s td a t ac o m p r e s s i o ni saf e a s i b l em e a s u r et or e s o l v et h ep r o b l e mo fs o ct e s t i t c a r tb eu s e dt od e c r e a s et h es o ct e s td a t av o l u m e t h ev o l u m eo ft e s tv e c t o rc a r lb e d e c r e a s et ol e s st h a no n et w e n t i e t ht h r o u 【g hc o m p r e s s i n g ( c o d i n g ) w h i l et e s t i n g ，t h e c o m p r e s s e dd a t ac a nb ed e c o m p r e s s e dt ot h eo r i g i n a lt e s tv e c t o r sw i t ht h ed e c o d i n gc i r c u i t ， t h e nt h eo r i g i n a lt e s tv e c t o r sa r ep u ti n t ot h ec u t ( c i r c u i tu n d e rt e s t ) t of i n i s ht h et e s t ， t h em a i n w o r ko f t h et h e s i sa r es h o w e da sf o l l o w i n g ： f i r s t l y ，t h ei n t r o d u c t i o no f t h eb a s i ck n o w l e d g ea n dt h em a i nm e t h o d so fs o ct e s ti n p r e s e n t s e c o n d l y , t h et h e s i sp u t sf o r w a r dt w ok i n d so ft e s td a t ac o m p r e s s i o na p p r o a c hf o r m u l t i p l es c a nc h a i n s ： t w o d i m e n s i o n a l ( v e r t i c a l h o r i z o n t a l ) t e s td a t ac o m p r e s s i o na p p r o a c hf o rm u l t i p l e s c a nc h a i n sr e d u c e st e s td a t av o l u m ea n dt e s t i n gt i m ee f f i c i e n t l y f i r s t ，i td o e st h ev e r t i c a l c o m p r e s s i o n ( c o m p a t i b l ec o m p r e s s i o n ) f o rt h et e s tp a t t e r n sf o r m a t t e da c c o r d i n g t om u l t i p l e s c a nc h a i n s ，a n dt h e ni tr e a r r a n g e st h er e s u l t st oa c c o m p l i s ht h eh o r i z o n t a lc o m p r e s s i o nf o r t h et e s ts e tb yc o d i n gt h ed i f f e r e n tw o r dw i t hd i c t i o n a r ya n dm a r k i n gt h ed i s t a n c e a p p r o a c ho ft e s td a t ac o m p r e s s i o nb a s e do ni n v e r t e df o l d i n gc o u n t e rf o rm u l t i p l e s c a nc h a i n si sb a s e do nt h es c h e m eo ft e s t - d a t ac o m p r e s s i o no ff o l d i n gc o u n t e r i tt a k e s a d v a n t a g eo f t h ei n v e r t e df o l d i n gr e l a t i o n sb e t w e e n t h et e s tp a t t e r n s ，a n dr e c o r d st h ew h o l e t e s ts e tb yo n ei n v e r t e df o l d i n gs e e da n dt h ei n v e r t e df o l d i n gd i s t a n c e sb e t w e e nt h et e s t p a t t e r n s 。d u r i n gt h ep r o c e s so ft h ed e c o m p r e s s i o n ，i tc h a n g e st h ep a t t e r n sw i t hi n v e r t e d f o l d i n gd i s t a n c e st od e c o m p r e s st h et e s ts e te f f i c i e n t l yw i t h o u tr e s e e d i n g t h i sm e t h o d 珏 r e d u c eb o t ht h et e s td a mv o l u m ea n dt h et e s ta p p l i c a t i o nt i m eg r e a t l y t h i r d l y ，t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h ee x p e r i m e n tp r o g r a m sf o rt h e s et w o s c h e m e s t h er e s u i t so f e x p e r i m e n ta r es h o 瑚aa n dc o m p a r e d 酶攮h y b r i dc o d e s a n do t h e r s c h e m e s ，a n di ti se v i d e n tt h a tt h e s et w op r o p o s e da p p r o a c hh a v eh i g h e rc o m p r e s s i o nr a t i o t h a nt h eo t h e r s 。a tt h es a m et i m e , t h ed e c o m p r e s s i o ns 龆毽e 矗疆ei ss i m p l e r i naw o r d ，t h e s e a p p r o a c h e sh a v ee f f i c i e n tp e r f o m l a n c ei nt e s t k e yw o r d s ：s o ct e s t ，t e s td a t ac o m p r e s s i o n ，m u l t i p i es c a nc h a i n s ，f o l d i n gc o u n t e r s t o r ea n dg e n e r i cs c h e m e s 图1 1 图l 一2 图1 3 图卜4 图2 1 图2 2 图2 - 3 图2 4 图2 5 图2 - 6 图2 7 图2 - 8 图2 - 9 图2 一1 0 图3 1 图3 - 2 图3 - 3 图3 - 4 图4 1 图4 2 图4 - 3 图4 - 4 图4 - 5 图4 6 图4 - 7 图5 1 图5 - 2 插图清单 电路故障的模型化1 有扇出电路的s a 一1 故障2 s o c 测试访问结构原理图5 芯片的制造成本与测试成本6 扫描设计实例1 2 基于指令的内建自测试原理图1 5 测试向量用6 0 l o m b 码编码实例扫描设计实例1 6 l f s r 作为p r p g 的两种典型结构1 8 测试向量用g o l o m b 码编码实例2 0 测试向量用f d r 码编码实例2 l 采用单个折叠计数器的初始确定自测试设计方案2 2 双重种子方案的折叠控制器方案。2 3 基于字典方案的测试原理图2 3 由表2 - 5 得到的无向图g 一2 4 典型的多扫描链测试结构2 6 基于多扫描链的两维测试数据压缩测试原理图一2 6 举例说明基于多扫描链的两维测试数据压缩过程示意图2 8 基于多扫描链两维压缩测试数据解压结构示意图3 0 单扫描链并行结构3 6 串并( 多扫描链) 结构3 8 测试模式逆向标记3 8 当l 为奇数时测试模式的变化3 8 逆向折叠测试数据压缩方法的解压结构3 8 逆向折叠控制电路3 9 转换电路( m = 3 ) 4 0 两维测试数据压缩方法程序流程图4 3 逆向折叠测试数据压缩方法程序流程图4 6 表2 1 表2 2 表2 - 3 表2 4 表2 - 5 表3 1 表3 2 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 - 5 表4 - 6 表5 1 表格清单 3 位游程码编码表 m = 4 的g o l o m b 码编码表 f d r 码编码表 在折叠计数器序列中的状态转移和翻转数 针对多扫描链的测试数据实例 基于多扫描链的两维测试数据压缩第一次相容压缩的结果 基于多扫描链的两维测试数据压缩的最终结果 四位折叠计数器生成时序( 正向逆向) 原折叠方案跳转变化 逆向折叠方案跳转变化 当p = 1 1 ，p = 6 ，p = 3 时各值变化情况 当p = l l ，p = 6 ，p = 3 时折叠控制电路的输出( 按列) 一 基于多扫描链的逆向折叠测试数据压缩结果 本文方案与其他压缩方案压缩效果比较 侈伸加n m儿弛”弘”如甜钉 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，也不包含为获得金匿王些盍生 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 签字日期：年月霜 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金妲王些盍堂有关保留、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。 本人授权盒胆至些太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) 学位论文作者签名 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期 电话 邮编 致谢 三年豹磅究生生活羁穗蘩索，在这鬟，蓉先我要感落我懿导帮欧阳嚏鞠 教授，绝在愚想、科研衣学术等方蔼都绘与我非常大的帮助，使我受益蘸浚。 从他郧里，我学至0 了基本的学习和研究方法，学到了许多为人和治学的作风与 缀验。这些将成为今后我学习、工作和生活中的宝贵财富。是他严谨的治举态 度、一丝不苟的工作作风指引我顺利究成了硕士学业。在此我向他表示崇商的 敬懑和衷心的感谢。 衷心感谢梁华国教授，他给了我悉心的指导，使我很快地适应了科研的舷 潘并溅入课题研究。梁老师渊博的知识，敏锐的思维，严谨的治学态度树立了 学畿的榜样，使我受用终身。 感溅浅嫒、强超踅、郭维戮及实骢塞抟各位老舞、同学和各位爆弟、l 罨撩， 秃埝怒农完藏论文絮阕还是在乎零戆辫磷、学习、生活中，建粕豢绘予我谗多 蠢耘静鬻疑。在与毽翻豹经豢静学零讨论中，我学至l 了许多专韭知谖窝寝溺技 巧。 感谢我的亲人，是你们的支持、理解和数励让我能全身心的投入到学习中。 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。 作者：徐雨娟 2 0 0 6 年6 月 第一章绪论 随着集成电路规模按照摩尔定律增长，系统芯片s o c 设计方法成为集成电 路设计的主流趋势，它将各种预先设计和验证的芯片( c o r e ) 集成在一个芯片 上，大量的知识产权( i p ，i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核的应用使芯片设计周期大大 缩短，也使芯片的集成度越来越高。s o c 推翻了以前需要昂贵成本的设计方式， 却使得s o c n 4 试面临巨大的挑战，不但令测试的时间大大增加，而且测试的数 据量可能会超出自动测试设备a t e ( a u t o m “i c t e s t e q u i p m e n t ) 的有限存储量。 为了解决这些问题，对测试数据进行压缩是非常必要的。通过对测试数据的压 缩，不仅能够减少对存储设备的要求，同时也能够灵活实施测试策略。 本章首先简单介绍集成电路测试的相关知识；进而介绍s o c 测试技术的背 景、现状；最后介绍本文的研究主题和文章结构。 1 1 集成电路( i c ) 测试 1 1 1 故障模型 集成电路测试的目的在于对系统中故障的检测和定位。系统发生故障的原 因有两类。一类是由设计原因引起的，包括设计规范有错误或者含糊不清，设 计人员进行了违背规范的设计，低劣的设计可能导致竞争风险或者亚稳态触发 器等。另一类故障是物理原因引起的称为物理故障，其特点是构成系统电路的 物理效应或者元器件的电气参数发生改变。设计产生的故障主要是靠设计人员 通过逻辑正确性验证来消除。测试主要研究的是物理故障，而且是物理故障中 的逻辑故障。由于引起芯片发生故障的原因有多种多样，为了便于分析和判断 故障，需要将故障的特征进行抽象和分类，把在某一层次呈现同样效果的故障 归并成一类，并使用同一种描述方法，这种故障描述方式称为故障模型。集成 电路常采用以下的几种故障模型： ( 1 ) 固定型故障( s t u c k - a tf a u l t ) 3 图1 - 1 电路故障的模型化 固定型故障模型表现为电路或系统中某一根信号线( 例如门的输入出线， 连接导线等) 上的信号在系统运行过程中永远固定在某一值上。在数字系统中， 如果该线或该点固定在逻辑高电平上，则称之为固l 故障( s t u c k a t - 1 ) ，记作 s a 1 ；如果信号固定在逻辑低电平上，则称之为固0 故障( s t u c k a t - 0 ) ，记作 s a 一0 。 根据电路中固定型故障的数目，可以把固定故障分为两大类：如果一个电 路中只存在一个固定型故障，则称之为单固定型故障；如果一个电路中有两个 或两个以上的固定型故障，则称之为多固定型故障。单固定型故障是一个最普 遍使用的故障模型，而且普遍公认，能够检测所有单固定型故障的测试集能够 检测9 0 以上的物理故障。在处理刚刚生产出来的p c b 时，一般应考虑多固定 型故障：但是，在修理一个系统或电路时，如果不是毁灭性的事故所致，通常 以单固定型故障居多。 在对一个系统或电路作故障模型化时，必须考虑其中的每根连接导线上 的故障情况，而不能以一个节点为研究对象。如图1 1 中，门l 有扇出，它的 输出分别送至门2 和门3 的输入端。考虑故障模型化时，应该对连线a 、b 和c 分别进行故障模型化，而不能把这三个点看成一个点来处理。因为这三个点上 的故障可能是不一样的。如b 与a 可能有断开的物理故障，这样当a 正常工作 时，b 却有s a 1 故障，又如b 点与a 和c 都没有故障，但门2 内部有物理故障， 导致b 点有等效的s a 口( 口0 ，1 ) 故障，但这个故障不会影响a 和c 的工作， 因此这三点的故障情况是不一样的。有时为了简化故障处理过程，可以把这种 点看成一个点，但这时所处理的故障是不完全的。因此，故障的模型化采用什 么方法，完全取决于故障处理的基本策略。 一个单固定型故障的例子见图l 一2 ，在x 2 处有扇出，a 点s a l ，但b 点信 号仍等于x 2 。实际上这也是可能的。假如这个电路是用乃呓实现的，在a 点处 断线，就意味着门g l 的这一输入固定为1 ，但b 点仍与x 2 连着。 图卜2 有扇出电路的s a l 故障 ( 2 ) 桥接故障( b r i d g i n gf a u l t ) 两条或多条信号线意外地短接在一起便形成桥接故障。两种常见的桥接故 障为输入桥接故障和反馈桥接故障。如果多个输入短接在一起，则称为输入桥 接故障。此时电路虽改变了逻辑功能，但仍为组合电路。如果输出端与多个输 2 入连羧在一嫠，剜发生反馈撬接敖潞，魏辩邀路胃麓会出藤采黪缀合电潞转交 为时序电路。因而，桥接故障不仅可能改变电路的逻辑值，而且可能改变电路 鳇莛羚续鞫。 f 3 ) 固定开路型故障( s t u c k - o p e n ) 这是一萋孛发生奁m o s 魄踌中的特殊故障，若赦障偻c m o s 门电路瞧簸出 端处予高阻状态，则称该故障为固怒开路故障，记为s o p 故障。它会使敞障门 由原来的组合电路变成时序电路，这是它与经典的固定故障的根本区别。 ( 4 ) 五岫故障 在j f 常情况下，c m o s 电路不存在直流通路，所以静态电流值觑。廪该非 常，j 、，当出现物理缺陷对，j 曲会交得很高。蕊测试可 三l 测量电路中许多状态 的电流，当检测到某一电流德很高时，则停止，因此砒测试只需将故障激活， 焉不必在镪始簸密端瘸察敖麓信息。硒测试法遥合予溺试c m o sr a m 器释， 它的主要优点是：它可以覆盏大部分的桥接故障和一些开路故障，测试生成容 易。姣点是毫路必须没诗为菇毒较羝懿i d d q ，溺试迸入速疫馒，电漉阙镶必矮 凭经验来确定，而且测试法对使用先j 敷技术制造的器件是无效的，阑为这 耪技术下数合餮器 孛彝鼓障器磐之阍静电浚篷没鸯骥显竣夔别。 ( 5 ) 延迟故障( d e l a yf a u l t ) 当莱个路径的传播延迟超过规定蛉最坏延迟时阈时，则称为该路径发生了 延迟故障。这一故障模型可以考虑分散的藏迟，并且可以覆盖转换故障及门延 迟故障。但当电路规横较大时，要检测电路中的所褥路径赦障几乎是不可能的， 需要改交电路结构来减少电路中的路径数裔。 f 6 、转换故障( t r a n s i t i o nf a u l t ) 转换敲漳分为0 - l 转羧和1 0 转换。它是一种理想的擒蒙敬障模溅，可 以与延迟的上升时间和下降时间联系起来，这一故障模型可以覆麓c m o s 电路 翡s 。o 赫兹障致逻辑门鹃延遴放障，哭霉终少量修改赣霹澄矮霾定翟鼗障。在溺 试过程中可以实现时序电路的快速测试码置入。这种故障模型的缺陷是不能覆 蓑襞套豹延遴敬簿。 阻上几种故障模测中，单固定敞障模型( s s a f s i n g l es t u c k a tf a u l t ，电路 只有一个固定型赦障) 褥到了普遍应餍，这楚嚣为： “1 它需要处理的故障总数较少，易于测试生成，易于精确分析故障覆盖情 况。 f 2 ) 系统衽使用阶段发生荦故障的可能饿比发生多故障的可能性大干箨多。 实践表明，只要鹧故障的覆盖率达到9 0 以上，则单赦障测试集也能检测 其它类霆的敲障，例翔多故障和桥羧敌障。s o p 敬障的豢本愚想讴是借箱了固 定故障的测试方法。 1 。2 故障测试矮量评价 缝检测集成电路中菜个藏漳豹输入激瀚，稼为该鼓簿鹣测试模式或渊试自 量。若干组测试模式的集合，称为测试模式( 向量) 集。假设有菜一个测试集， 它能稔溺菜嘏路敖跨豹载跨覆盖奉f ( f a u l tc o v e r a g e ) 。f 定义蠹； 。 由该测试集测出的故障数 ，。， 卜面飘泽丽纛匮醋祗则u u f 是随不同的假设故障而变化的。因此，即便对传统的固定故障具有1 0 0 的故 障覆羲率，纛寒必充分。鑫为其它类型戆数障，黧开路敌型障帮辩穿敲障等著 没有全部覆盖。对个故障测试的质量进行评估，还必须考虑到测试周期、测 试电鼹敕硅冀嚣积开镪、溅试瑟零戆瓣热罄辫、溅试模式生戏( 羊p g ) 的代掺 以及由于被测电路( c u t ) 中插入测试逻辑而可能存在的性能影响等因索，以 便进行取舍，获褥乎簿点。 可测性( t e s t a b i l i t y ) 用来表示测试质缀与测试成本之间的数量关系f i 】。可 测性并不表示电路是否可测，丽是筏爨对电路或系统进行故障测试的难易程度。 可控制性( c o n t r o l l a b i l i t y ) 军日可观测性( o b s e r v a b i l i t y ) 建度量可测性的两个 重要搬标。通常，电路各节点的可测性是可控制性和可观测性的函数。如果原 始输入和原始输出酌节点越多，那么可溺後就越离。困诧，可班在可测往低豹 区域插入测试点以便能够观测和控制内部节点，测试点的优化布局是值得研究 察探讨麓润瑟。 。2s o c 测试 l 。2 。1s o c 测斌背景 中国科学院院士主阳元搬出：“微电子技术从i c 向s o c 转变不仅怒一种 概念上的突破，同时也是信崽技术发展的必然结栗，通过软、硬件的协阍设计 技术、i p 模块库技术和模块界面间的综合分析技术三大支持技术的创款，必将 导致又一次戳系统芯片为特镪豹信息技术上酌革命。蠢蓠，s o c 技术已经崭露 头角，2 1 世纪将是s o c 技术真正快速发展的时期。” 瓣誊工艺能力帮设诗能力麓快遮发震，必了瀵邀嵌入式系统蠢场对予菇本、 功能和功耗的骤求，s o c 设计技术已经成为一种发展趋势。根据摩尔定律，单 蕊片上掰戆集成懿晶体警数嚣每1 8 个胄鼹一鋈，预计在2 1 0 年，芯片上磊 搴 管的数量将达剐百亿数量级，但芯片的制造能力与设计能力的发展却相差很大， 每经过卡二个月，芯片豹集成度提蠢5 8 ， 孬设计魅力只熊提裹2 1 t 孙。黎毒夔 垂直型葛片设计模式，即一个厂商负责从规格定义到行为级、逻辑级、门级和 4 鼗图级数熬个芯鸶设诗过程，嚣为羧诗溪藕较长，越寒熬不髓满足市场蓑隶e 近十筚辩乏，种新的水平裂设计模式一一撼予复用的设计，受到辫术界投产业 赛熬密镯蓑漉。逶逡复曩一麓经过辍涯静魄潞貘挟，霉快速椽建一个复杂豹系 统。这类可多次重复使用的电路模块通常被称为i p 核，而基于芯榱复用实现系 统缀劝熊熬芯片通常棱稼强s o c 。 躐1 - 3s o c 测试访勰始构原联图 这种水平设计模式一方黼缩短了s o c 设计周期，另一方面却使s o c 测试面 临巨大挑战。这是因为：爨一，i p 棱供应鬻乓s o c 集成薅是不闲的企妲，鸯 了傈护知识产权，i p 核供应鼹不愿意两s o c 黎戏商提供i p 核抟结梅傣息。 毽是j p 狻鼹滋试霆蠡s o c 粲藏亵竞或静，这稃瓣s o c 集袋亵说，i p 羧灏试 是黑鑫测试，也就很难对测试进行抗纯。第二，i p 核的多样健带来测试豹复杂 性，s o c 测试访问的结构原理嘲如图1 3 所示。就i p 核的设计形式蕊言，肖软核、 固孩、磷棱曼种；就电路炎激丽富，有数字滗辑嘏、存储器核、攒拟混合核； 就功能瓤蠢，蠢处理器核、d s p 棱、多媒体核蹲：就电路可测试性设计方法蔗 言，鸯幽建囊溅试( b u i i t - i n s e l f - t e s t ，b i s t ) ，稳接测试、边爨扫播测试、 测试点播入等，所良s o c 粲成商必须考虑对多样瞧豹支持。第三，传统的岁 部 霆动测试设备a t e ( a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t ) 麓测试i 毳遴数爨鸯限，瑟增 长的系统复杂性和增加的测试数据墩，使得a t e 开始变得越来趟昂贵。因此随 蔫s o c 的缎模邸功能泌不凝膨熙，s o c 测试翳蕊霆器，离煦爨掇出了重大挑战， 己或兔了熬个s o c 设谤流糗的溉强。如器i - 4 掰素，蔽摇i 9 9 7 簪i t r s 的预测 l 越，委2 0 1 2 霉，芯嚣鹣濑试或本蒋与鬟遥袋零撩乎。鞭试麓瑟淤经残灸s o c 首先要筒恼的挑战，也难肖肖效前解决测试闻题，才能提升半等体产业韵竞争 力。 5 o 1 2 2s o c 测试现状 幽1 - 4 芯片的制造成本与测试成本 缝子s o c 的时代潮流，测试与验证的时间，往往数倍于设计开发酌时间， 因此，为有效缩短快速量产( t i m e t o v o l u m e ) 的时间，突破在s o c 测试方面的 瓶颈藏为嚣蓠渡赛关注豹燕点。 目前，针对s o c 测试的方法主鬻分为两类： 第一类，采蠲辨建叁溅试b o s t ( b u i l t ，o u t s e l f - t e s t ) 方法，铡鲡基予溅试 源划分技术 3 a , 5 】，将部分芯片的测试模式生成资源移到离线的自动测试设备上， 透过数摅压终援本寒减少夺袋嚣求和测试辩阕，芯片上豹鳃压器戏失一耱无毒 储数据源，因此，可以进一步减少测试硬件成本，更好的权衡自动测试设备与 片上测试器的成本分躲。 传统的测试方法是使用自动测试设备对被测稿片施加测试向嫩，捕获芯片 的输出结果与预期的正确结果进行比较，以判断芯片中是硬存在菜一类型的故 障。为了能继续有效她应用传统的a t e 设备来测试s o c 芯片，首先妊须解决传 输大量测试数据和有限的芯片管脚数之间的矛盾。随着a t e 的带宽增加，设备 豹成本上升，嚣前高瞧能的a t e 设备每个搽锌费鞠在5 - 8 予美元之滴狰j ，随着 性能的增长，一台高速测试器到2 0 1 0 年将需要2 千万美元【7 】，测试一个芯片将 超过垒产它静赞震；瓣决这一闷题主要采蕊溅试源鲻分按术，将a t e 中翁豁分 测试功能转移剿被测试的芯片上，芯片之外主要建立一个经过变换的测试数据 存镰滚，鞋麓减少溅试数据戆传辕，露蹲焱蕊冀上又不鬟溪花费太多豹溪孛撬 行数据变换，实现测试模式的生成，常见的方法有： 测试集爨续。这辩技本运鼹皇动测试模式生成算法，对溅试模式实行压缩 1 s , 9 , 1 0 1 ，以便达列减少测试数据的目的。通常它不需要额外的硬件投资，盥接经 过动态或者是静态的愿缩过稷实憨鼷缠即可，但是存储这样的压缨集往绽仍然 需要大麓的存储器，绒者是大量的数据传输。 直接编码确定的测试集实现压缩芹n 解压方法。这些方法利用芯片上的硬件， 对存储在a t e 上的被编码的预先诗冀的测试集进行解压。例如：统计码i 1 1 ，l 习将 6 一争嚣试絮分成霾是长度蕊b 像祆，然螽绫计锋一个头纛这个溅试爨巾篷褒骛 频率，馁仅郡鳖出瑷频率最怒静块被选择，震小- t - b 位静编码字蘩代它们，裁 下袭缣捋不嶷。困熬，编码警舱使羧总合鬻魄这个溅试鬃，l 、翡多。髓是隧羞那 个b 位块的做数增加，相应的解压硬件也要增加。 努一裳绫璐方寰”t 1 3 ，1 4 t 5 * 1 6 l 是闽接编磁一个颧宠诗箕戆测试嶷体为嚣缨测 试数据。它们依攥浏试集中，测试囊量之嘲不溺麴数值控较少鞠零实，通过测 试交豢之淄懿舅或运筹，生成一个莲分蠢鬟枣襄，在这个窿嚣中，逢续“0 ”蓬 要比逡续的“t ”值多，所姝编粥遮个差分向量序列牵连续酌“0 ”，戳便压缩 测试数据。在解码体系结构中，必须采用一个循礤移位寄存器实摭恢复测试集， 这个循环移位寄存嚣通常必缬楚和被测电路中的乎j 描链长度相同，阂诧，对予 测试电路禽宥较长的扫描链时，将会相当大地增加勰压l 黾路的硬件开销。 兔捷亵上嚣编璐差舅齑霪黪剃方法袭缀秘效搴，浚及瓣豫簿溅嚣孛貔疆嚣 扫攒移位寄存器，一种混合式瓣编弱方案被挺爨鞋”，这释方案采愆逡续长度礞 耪基予字魏弼，直接慰颈惫计嚣的灏试集遴手亍瀚璃，由于发挥了备爨编褥翡谯 点，编码效犁有了相应提高。另种交替与连续憾度码 1 引，是针对确定的测试 集中测试模式食有较多交蛰变他经霪雩，它将会发撵较大数缡玛优势，葵释玛方 式与上嚣死秘方寰粪潮。 辩予毅上方案1 3 f 1 4 , 1 5 , 1 6 t t , l g l ，辩鹃器鹭采焉一个有陵鼗态撬弧杼麓薅，显 然这些编码方案具有撮离静弧瓣率，但是芯片上静被测试芯棱与a t e 之瞬数据 传输存在个严重缺点。信母难以间步，不解决好同步问题，将会严重影响测 试效率，改避通讯方式，又将会增加通讯协议的簸杂性。 第二类，采用可测试性设计d f t ( d e s i g nf o rt e s t a b i l i t y ) 中内建自测 试按零b t s t ( b u i l t i ns e t f - t e s t 实磊瓣系统芯片熬蕊菝送行淄试。 d f t 技术撩的是，在l e 设计时，增热线路设计，来鸯瓣强i e 之霹控制度爱 霹褒测疫，戏提供蠹建耋溺试，降 氐i e 之测试辩黼及袋零。可溺瞧设计( d f t ) 和内建自测试技术( b i s t ) 技术，对系统芯片( s o c ) 的测试非常重辫，在进行电 路援诗魏晕矮譬l 入d f t 秘b i s t ，霹戳挺裹 鬟| | 试瓣数簿覆纛率，大襁臻短溅试薅 简，降低测试难度，擞快产黯熬设计周期霸上市遮发。虽然d f t b i s t 其露提衰 瓣试懿故障裰蕊率帮壤薤上紊辩阊等魏点，蘧最肖潜挺入太多静d f t ，会戮嚣 产品憔能；而太少的d f t ，划会澎确产品质照。谶此在s o c 设计时，需尽早避 行整体测试鹭虑，以罨求d f t 豉b i s t 的最健化策蜷。例如，嵌入戏内存区块的 容量有多大? 是否谩髑扫描测试? 最使用s o c 上的处理器进行测试，还怒采用 孙如线路的b i s t ? 针怼b i s t 婿缎加的专瘸逻辑，是否达烈可按爨的技障覆盖 搴? 这些帮楚嚣要考纛戆嚣豢。疆经b i s t 主要震：嵌灭式交存测试，瞧蕤着遥 辑区块静速度愈来愈抉、功耱愈趋鬟杂，醋菲辨嚣溅试设蒜所能簸瑗，b i s t 逐 渐在逻辑毽映上莜采掰。涎瓣剑造工艺酌避步，b i s t 线路掰占熟黼辍已经可敬 ， 被接受了。同时，b i s t 以硬件方式完成测试模式生成和响应信号比对的功能， 这样测试设备就只需要启动、时钟与读取响应比对的结果等简易功能，机器售 价因而能够大幅降低；b i s t 也使得测试重心，由成品测试转为晶圆测试，而省 下不合格产品的封装成本。 现在已经发展出许多电子设计自动化( e d a ) 工具，可以协助设计师完成大量 的d f t 、b i s t 与自动测试模式产生( 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 ，a t p g ) 工作。例如s o c 设计中含有嵌入式内存时，加入b i s t 是有效测试内存区块的 方式。内存b i s t 电路可利用综合v e r i l o g 或v h d l 等描述语言工具产生。 d f t 可以与自动测试设备互为补充。除了在设计阶段导入上述的可测性环 境之外，s o c 芯片也需要实体测试与验证的设备，来实现量产时的全方位测试 功能。s o c 复杂程度不断增加，可测性设计( d f t ) 的采用，对于测试成本的减少， 就有极大的贡献。例如可以平行对i p 模块同时进行测试，以大幅减少测试时间， 并节省费用。只需更换不同的测试模块，就可以测试不同的产品，大幅提高了 测试的灵活性与均衡性。 为了有效地发展出全方位测试方案，自动测试设备( a t e ) 厂商积极参与并 协同发展d f t 相关测试，支持针对芯片测试应用的核心测试语言( c t l ) 标准，在 复杂i c 的测试复用( t e s tr e u s e ) 领域，取得突破。c t l 使系统级组件拥有可测 试的核心。提供用于描述系统单芯片设计中，可测试性设计( d f t ) 结构i p 核心 的标准语言。这些有先见之明的自动测试设备( a t e ) 制造商们，借着早期介入 d f t 开发中，有效促进了测试平台功能与生产过程的整合，帮助从芯片设计到 芯片量产测试的顺利进行，使产品上市时间更快、测试成本更低，建立并整合 测试复用，最佳化i p 核，以满足这些挑战。s o c 自测试电路的整合与验证，对 于测试厂商来说，是一个新机会，更是一个艰辛的挑战。随着工艺技术达到0 1 3 l - tm ，或更细的线宽，复杂的设计和先进的工艺技术的结合，对自动测试设备的 要求进步提高，因此需要截然不同的测试验证能力，以满足不断进步的先进 技术。 目前，为了促进我国电子工业高速、持续的发展，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 的可测试性设计就需要解决s o c 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1 1 9 , 2 0 , 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 4 , 2 5 , 2 6 】，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我国集成电路事业发展中的薄弱环节之一。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，氇是我国改交微毫予领域豹落后瑟麓、赶越氆舞兔避采平，新不褥铰少 的重要一环，同时，对我国国民经济和现代化国防建设具有重要意义。 1 3 课题目的和意义 超深亚微米工艺的应用使得芯片工作频率达至l j g h z ，并使得芯片的集成度 大幅提高。目前，集成电路设计正快速的向系统芯片s o c 设计方法转变，逐步 地将备种预先设计和验证的芯核( c 0 e ) 集成在一个芯片上，例如：存储器芯 片、处理器：卷片、混合模式信号和r f ( 信母处理) 芯核等。这种基于芯核的设 诗蕊稽和镄掰技术，太大增勰了设计产量，麓快了产品授液市场的辩简，但是， 不断增加的芯片复杂性和测试数据鬣，也使得芯片的测试费用不断上升，尤其 是垂囊溅试璇各a t e 变褥越寒蘧昂羹。超深薤擞寒王艺( 缡米工艺) 在遥蠢芯片 性能的同时，也给测试带来了新的挑战：新的制造故障，新的故障模型和新的 溅试方法。 为了有效地测试s o c ，备i p 供应商在提供i p 核的同时会提供测试向量。一个 典型黪a s i c 芯片就农数百亿位的测谈自量。测试数援压缕是一穆牙之套效蕊资 源优化方法，它可以用于减少所需黉存储的测试数据量。测试向量集经联缩( 编 码) 飚，可以缀d x 2 0 馈以上。测试瞄，测试设备将压续编码后的数据传送到芯 片的解码电路，解码电路再还原出原始的测试向量，施加劐被测电路完成铡试。 本文的研究工作正是在这个背景前提下，以减少测试据量、嫡短测试应用 霹闯为疆耘，在深入研究己有s o c 渊试方案_ 稚策略豹萋磷上，摄描凡释新颖懿 针对多扫描