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基于折半划分和分组共享的s o c 测试压缩方法 摘要 由于超大规模集成电路v l s i 复杂性的飞速增长，v l s i 电路的测试变得越 来越重要。随着片上系统s o c 中i p 核集成度的提高，测试数据量迅速增加。 由于有限的测试通道宽度和大量的测试数据量，那么必须寻求更加昂贵的自动 测试设备a t e ，这就导致了测试成本的增加。如何压缩迅猛增加的测试数据量 成为目前巨大的挑战之一。因此，本论文围绕片上系统s o c 测试数据的压缩问 题展开了研究。 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 少所需存储的测试数据量。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，施加到被测电路完成测试。 编码压缩技术是测试数据压缩方法的一个重要分支，目前得到广泛的研究。 本文介绍了s o c 测试的相关概念和一些典型的测试数据压缩技术，并作了相关 分析。 本文提出了一种基于折半划分的测试数据编码压缩方法，它将整个测试集 划分成若干定长块，对非全0 1 块，使用折半的方法划分；对全0 1 块，使用 标记位来表示划分的次数。与传统的编码压缩方法相比，它只需要记录数据块 被折半划分的次数就可表示其长度，同时还具有硬件解压结构和通信协议简单 的优势。 此外，本文还在l f s r 的基础上作一些编码压缩的工作，提出了一种分类 共享种子和位翻转的测试数据压缩方法。它根据测试集分布的特点，将确定位 处于相同位置的测试向量分为一类，每类中向量共享一个种子，以此提高种子 的利用率，达到压缩测试集的目的。解压缩时，通过地址信息和翻转信号来翻 转与l f s r 重播种展开序列即可获得原测试集。该方法在压缩效率上具有明显 的优势。 关键词：片上系统；测试数据压缩；l f s r 重新播种；折半划分；分组共享 t h et e s td a t ac o m p r e s s i o no fs o cb a s e do nd i m i d i a t ep a r t i t i o n a n dp a c k e t s h a r i n g a b s t r a c t f o rt h er a p i di n c r e a s i n go ft h ec o m p l e x i t yv l s i ，t h et e s to fv l s ic i r c u i t b e c o m e sm o r ei m p o r t a n t a sag r e a tm a n yo fi pc o r e sa r ei n t e g r a t e di nt h es o c ，t h e t e s td a t aa r ei n c r e a s i n gr a p i d l y f o rt h el i m i to ft e s tc h a n n e lw i d t ha n dal a r g e n u m b e ro ft e s td a t a ，m o r ee x p e n s i v ea t ei sn e e d e d ，s ot h a tt h ec o s to ft e s t i n c r e a s e s o n eo ft h ec h a l l e n g e si sh o wt oc o m p r e s st h ei n c r e a s i n gt e s td a t a ，a n d t h et e s td a t ac o m p r e s s i o no fs o ci ss t u d i e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h 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 c t e s ta n dc a nb e u 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 d u r i n gt e s t ，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 g c i r c u i t ，a n dt h e nt h et e s tv e c t o r sa r el o a d e di n t ot h ec u t t of i n i s ht h et e s t c o d ec o m p r e s s i o nt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n te m b r a n c h m e n to ft h et e s td a t a c o m p r e s s i o n ，a n dh a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o nb ym a n ya c a d e m i e s s o m er e l a t e d c o n c e p t sa b o u ts o ct e s ta n ds o m et y p i c a lc o d et e c h n i q u e sa r ei n t r o d u c e di n t h e d i s s e r t a t i o n an e ws c h e m eb a s e do nd i m i d i a t ep a r t i t i o ni sp r o p o s e d ，i nw h i c ht h ew h o l e t e s ts e ti sp a r t i t i o n e dt os e v e r a ll e ng t h f i x e db l o c k s f o rn o n 一0 1d a t ab l o c ki tu s e s d i m i d i a t i o nt e c h n i q u e ，a n df o ro 1d a t ab l o c ki tm a k e su s eo fs o m em a r k - b i t st o r e p r e s e n tt h en u m b e r so fp a r t i t i o n i n g c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ld a t a c o d i n g m e t h o d s ，t h ep r o p o s e ds c h e m eo n l yn e e d st ok n o wt h en u m b e r so fp a r t i t i o n i n gt o e x p r e s st h ed a t al e n g t h i tu s e sas i m p l ec i r c u i t s t r u c t u r ea n dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lt od e c o m p r e s st h ec o d e d t e s td a t a b e s i d e s ，at e s td a t ac o m p r e s s i o nm e t h o db a s e do np a c k e t - s h a r i n g a n d b i t - f l i p p i n g i sp r e s e n t e d i tt a k e sa d v a n t a g eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co ft e s ts e t d i s t r i b u t i o nt oc o m p r e s st h et e s ts e t t h ew h o l et e s ts e ti sc l a s s i f i e da c c o r d i n gt o t h er u l et h a tt h ed e t e r m i n a t eb i t sb e t w e e nt h ev e c t o r sa r ea tt h es a m ep o s i t i o n a s o n es e e di ss h a r e db yt h et e s tp a t t e r n si no n eg r o u p ，t h en u m b e ro ft h es e e d si s r e d u c e d ，t h es e e d sa r eu t i l i z e de f f e c t i v e l y i nd e c o m p r e s s i o np r o c e s s ，b yt h e a d d r e s si n f o r m a t i o na n df l i p p i n gs i g n a lo ft h ep o s i t i o nt h a ti sd i f f e r e n tf r o mt h el i s t u s i n gl f s rr e s e e d i n g ，t h eo r i g i n a lt e s tp a t t e r n sc a nb eo b t a i n e d t h es c h e m eh a s t h ep r o m i n e n ta d v a n t a g eo nt h ec o m p r e s s i o nr a t e k e yw o r d s ：s o c ；t e s td a t ac o m p r e s s i o n ；l f s rr e s e e d i n g ；d i m i d i a t ep a r t i t i o n ； p a c k e t - s h a r i n g 插图清单 图1 1s o c 示例l 图2 1b i s t 的一般结构9 图2 2 测试压缩解压结构框图1 0 图2 3c s r 解压结构1 1 图2 - 4 基于字典的压缩方法1 4 图2 5 多多项式l f s r s 重新播种方法16 图2 - 6 部分重新播种方法l7 图3 1 折半划分的过程举例( m i n = 2 ) 1 9 图3 2 编码实例2 0 图3 3 折半划分方法的解压电路结构图2 2 图3 - 4f s m 的状态转换图2 3 图3 5m 的指数n 值和压缩率的关系图2 3 图3 - 6f d r 码解压电路2 4 图3 7g o l o m b 码有限状态图2 5 图3 8f d r 码有限状态图2 5 图4 1级线性反馈移位寄存器2 7 图4 2 度数为4 的l f s r 及扫描链结构2 9 图4 _ 3 原测试集3 2 图4 4 编码举例3 2 图4 5 分组共享方法的解压结构图3 5 表格清单 表2 1 游程码的举例说明1 1 表2 2m = 4 的g o l o m b 码编码表1 2 表2 3f d r 码编码表13 表3 1 折半划分方法的编码规则1 9 表3 2 控制信号s 1 和s 2 功能表2 2 表3 3 折半划分方法的实验结果及比较2 4 表4 1 分组共享方法的实验结果3 6 表4 2 本方法与其他方法的比较3 6 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，也不包含为获得金胆王些太堂 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：霸矢公签字日期：d 磁年争月玎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂 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 金魍工些盔堂 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) 学位论文者签名： 弓玖仓 签字日期：0 2 哪年月 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 9 叼 翩龇励目 签字日期；k 留年年月a f 日 铱臼 致谢 二年多的硕士学习生活过去了，首先，我由衷地感谢我的导师梁华国教授， 正是在他的悉心指导下，我才能顺利完成本论文的研究工作。梁教授严谨细致、 一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他循循善诱的教导和不拘一格 的思路给予我无尽的启迪。这篇论文的每个实验细节和每个数据，都离不开他 的细心指导。在他的身上我深切体会到严谨的治学态度工作作风，这些必将令 我受益终身。同时也真诚感谢导师平日的谆谆教诲，和蔼可亲的关怀和鼓励。 在此，我谨向导师表示最诚挚的敬意和由衷的感谢! 同时，我还要深深感谢合肥工业大学系统结构研究室的欧阳一鸣副教授、 易茂祥副教授、陈田、黄正峰、刘军、李扬等老师，在我的研究中，他们给我 很多的启发，并提供了许多的帮助和支持；感谢祝沈财、詹凯华、叶益群、时 峰、孙科、朱兵等硕士研究生同学，与他们的合作和讨论，开阔了我的思路， 同时也正在他们的帮助下，促使我顺利地完成我的研究课题。 此外，我还要感谢合肥工业大学计算机与信息学院的全体领导和老师。 最后，感谢我的爸爸妈妈，谢谢他们给予我无私的支持和鼓励。 作者：张念 2 0 0 8 年4 月 第一章绪论 人类进入2 1 世纪面临的一个重要课题就是如何面对国民经济和社会发展信 息化的挑战。以网络通信、软件和微电子为主要标志的信息产业的飞速发展为 我们提供了机遇，也营造了一个难得的市场与产业环境。集成电路作为电子工 业乃至整个信息产业的基础得益于这一难得的机遇，呈现出快速发展的态势。 在这个发展中，以软硬件协同设计，具有知识产权的内核( i p 核) 复用和以超深 亚微米技术为支撑的s o c ( s y s t e m o nac h i p ) 是当前国际v l s i 的发展趋势和新世 纪集成电路发展的主流。 在军事、航天航空、工业控制、金融、通信、医疗等领域，人们对集成电 路的可靠性要求越来越高，功能集成到一块芯片成为一件理所当然的事。这类 芯片往往涵盖广泛功能测试要求，保证集成电路可靠性的测试就越来越受到人 们的重视。由于集成电路规模的迅速增大，使得对其进行完全测试变得越来越 困难，因此对测试方法的研究具有重大的理论意义和实用价值。 1 1s o c 测试 1 1 1s o c 测试背景 随着集成电路制造工艺的进步，芯片晶体管的数量快速增加，到2 0 10 年芯 片上的晶体管可达到百亿数量级，然而每1 2 个月芯片的制造能力提高约5 8 ， 设计能力只提高2 1 ，导致芯片制造能力与设计能力差距越来越大【2 j 。原有的 垂直型芯片设计模式，即一个厂商负责从规格定义到行为级、逻辑级、门级和 版图级的整个芯片设计过程，这种设计模式周期长风险大，越来越不能满足市 场要求。因此，近l o 年来，一种新的水平型设计模式一一设计复用，受到学术 研究机构、集成电路设计商、电子设计自动化工具厂商和集成电路制造企业密 切关注，通过复用一些经过验证的电路模块，可快速构建一个复杂的系统。这 类可多次重复使用的电路模块通常被称作为芯核( c o r e ) ，而基于芯核复用来 实现系统级功能的芯片通常称为s o c ，如图1 1 所示。 图1 1s o c 示例 系统级芯片即s o c ，是s y s t e m o nac h i p 的缩写，又称为片上系统。9 0 年代 国际上出现的s o c 概念，以系统为中心、基于i p 模块多层次、高度复用的设计 思想受到普遍重视和广泛应用 3 , 4 1 。随着设计与制造技术的发展，集成电路设计 从晶体管的集成发展到逻辑门的集成，现在又发展至l j i p 的集成，即s o c 设计技 术。s o c 可以有效地降低电子信息系统产品的开发成本，缩短开发周期，提高 产品的竞争力，是未来工业界将采用的最主要的产品开发方式。s o c 的特征包 括：实现复杂系统功能的v l s i ；采用超深亚微米工艺技术；使用一个以上嵌入 式c p u 数字信号处理器( d s p ) ；外部可以对芯片进行编程。s o c 由于设计周期短、 可重用性好、可靠性高等优点而被广泛应用。 s o c 芯片内部非常复杂，在测试上主要遇到以下一些问题： 晶体管的数目越来越多，如果测试每个电路的话，测试程序会越来越复 杂，测试向量也会越来越深。 芯片中不同功能的模块越来越多，各个模块的工作频率、工作电压和测 试原理也不相同。 各个模块之间的通讯和同步问题。 越来越高的管脚数和供电端口数，比如某些整合芯片的管脚数已经超过 了8 0 0 。 尽管自动测试设备的价格有所降低，但有些机构预言未来芯片的测试成本 将超过其制造成本。如何有效的、低成本的完成s o c 芯片测试，学术界、工业 界和各个研究单位无不绞尽脑汁来解决这个问题。 1 1 2s o c 测试的研究现状及意义 s o c 测试的基础是逻辑电路的测试。逻辑电路可以分为两类：组合电路和 时序电路。组合电路由许多门组成，但没有反馈回路。所谓一个电路有反馈回 路是指存在某一个门g ，它的输出通过其它门又连接到到g 的输入端。时序电 路则包含反馈电路，由于时序电路包含了反馈电路，所以时序电路有了“记忆 的特性。 逻辑电路的测试有两种，在线测试和离线测试。在线测试指的是测试实施 时电路在正常工作条件下。当使被测电路脱离它的正常工作模式，例如放到测 试仪上进行测试时，则称为离线测试。 从测试的角度，s o c 重要的特点是电路模块复用所带来的测试问题。据统 计，目前s o c 上复用设计占芯片面积的5 5 ，预计到2 0 1 2 年将有9 0 以上是 复用模块 5 1 。这些模块常常被称为嵌入式芯核、知识产权( i p ) 芯核式虚拟部件 ( v c ) ；模块可以是数字的、模拟的或数模混合的；模块采用的可以是不同的i c 技术。这些电路模块还可以不同形态表示，比如可以是硬件、固件( f i r m w a r e ) 或软件。软件i p 和固件i p 有一个高级或行为级描述，但硬件i p 没有高级描述， 因为设计师已针对专用的i c 工艺对电路进行了综合和优化。对这种复杂器件的 2 测试如果通过传统的在输入引脚施加测试矢量，再从输出引脚观察结果的方法， 那么就会导致测试矢量非常庞大，测试执行时间也将长得惊人。 目前s o c 测试领域最广泛的方法有两类：一是内建自测试( b i s t - - b u i l t i n s e l ft e s t ) 技术。它将全部的测试资源都移到芯片上，直接在芯片上生成测试 模式，b i s t 能够在被测电路正常工作速度下进行测试，且能够检测功能故障和 非模型故障，因而越来越受到人们的关注。二是外建自测试b o s t ( b u i l t o u t s e l f - t e s t ) 技术。例如基于测试源划分技术【6 , 7 , 8 】，它通过无损数据压 缩技术来减少存储需求和测试时间，芯片上的解压器为一种无存储数据源。由于 只需要传输压缩后的测试数据，更能节省时间，更能有效地降低对传输宽带的 要求。测试数据压缩有很多种方法，编码压缩技术又是较为典型的一种。近年 来，这方面有着很多代表性的成果：a j a s 等人针对连续的测试矢量中仅有少数 位上的取值不相同的事实，提出了用压缩差分向量序列t d i f f 来代替直接压缩测 试矢量序列t d 的方案【27 】；a c h a n d r a 和k c h a k r a b a r t y 相继提出了采用编码效 率较高的压缩编码方法，如：g o l o m b 1 4 , 1 5 】f d r 编码【16 1 ，e f d r 码【2 9 】等等；文献 【9 则采用了一种统计编码( s t a t i s t i c a lc o d i n g ) 的方案，仅对出现次数较多的向量 进行编码。a b h i i tj a s 等人则利用h u f f m a n 码为最优编码的特点，提出了一种选 择哈夫曼编码【l0 1 ( s e l e c t i v eh u f f m a nc o d i n g ) ，以获得更佳的压缩效果。 s o c 测试系统发展的最新动向就是开放式系统。伴随着大规模集成电路 ( l a r g es c a l ei n t e g r a t i o n l s i ) 的多功能，s o c 的测试技术日趋复杂。原来测试系 统生产厂商根据用户要求和自我判断l s i 测试解决方案，肯定无法全面应对世 界范围的集成电路没计、制造技术需求。因此将s o c 测试系统式样公开，半导 体厂商、用户、仪器测量技术专门公司、软件公司、大学、研究所广泛合作， 创造下一代测试解决方案的新模式成为一种尝试。其中半导体测试联盟( s t c 一 - - s e m i c o n d u c t o rt e s tc o n s o r t i u m ) 提倡的开放架构思想，就是自由选择测试必需 的选件、软件，根据用途构成最适合的测试系统。这也就意味着我们可以根据 测试需要以最经济的代价来构建s o c 测试系统。基于s t c 此一理念的s o c 测 试系统业已投入市场。 国内已充分认识到s o c 技术及其测试的重要性，但从理论上对s o c 测试 的深入研究还比较薄弱，与国外先进水平相比，有明显的差距。为了不使s o c 测试成为制约该技术发展的“瓶颈 ，同时也为了让我国能紧紧跟上国际微电 子技术发展的步伐，顺应当代微电子技术和信息技术的新发展，对s o c 测试领 域展开相关理论和方法的研究，对我国集成电路工业具有十分重要的战略意义。 1 1 3s o c 测试面临的困难 2 1 世纪将是s o c 技术真正快速发展的时期，但s o c 的测试却是制约其设计和 验证的“瓶颈”。测试s o c 比测试传统i c 更加困难，主要表现在【l l 1 2 】： 1 对内嵌芯核的测试访问的困难。传统i c 有引脚供访问，但嵌入s o c 中的 芯核，却不易通过物理方法访问，需要借助特别的途径。在测试中对芯核的隔 离也是一个难题。 2 s o c 的测试集成和优化。s o c 的测试包括对s o c 互联、芯核及用户定义 逻辑( u s e rd e f i n e dl o g i c ，u d l ) 的测试。对芯核及u d l 测试中，又涉及周边器件。 同时，还包含如安全模式、低功耗模式、旁路模式等外部约束，以及面临许多 涉及如测试时间、硬件开销、功耗要求、上市时间、故障( 缺陷) 覆盖率等方面 的优化问题。 3 时钟信号的完整性问题。预先设计的芯核皆具有本身的芯内时钟分布系 统，不同的芯核具有不同的时钟延时，这势必影响s o c 芯内通讯时钟信号的完 整性，可能造成测试数据传输时的破坏，特别是在多芯共用测试存取配置时， 更增加了s o c 测试的难度。 前面所提到的水平设计模式即i p 核复用，虽一方面缩短了s o c 设计周期， 但另一方面却使s o c 测试面临巨大挑战。这是因为：第一，i p 核供应商与s o c 集 成商是不同的企业，为了保护知识产权，i p 核供应商不愿意向s o c 集成商提供i p 核的结构信息。但是i p 核的测试是由s o c 集成商完成的，这样对s o c 集成商来说， i p 核测试是黑盒测试，也就很难对测试进行优化。第二，i p 核的多样性带来测 试的复杂性。就i p 核的设计形式而言，有上述软核、固核、硬核三种；就电路 类型而言，有数字逻辑核、存储器核、模拟混合核、处理器核；就功能而言， 有d s p 核、多媒体核等；就电路可测试性设计方法而言，有内建白测试( b i s t ) 、 扫描测试、边界扫描测试、测试点插入等；就时钟而言，有处理器核和d s p 核 等需要高频时钟的i p 核，也有外设控制器等只需要低频时钟的i p 核。s o c 集成商 必须考虑对多样性的支持。第三，测试资源是有限的，外部测试设备所能提供 的测试通道数，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 ) 的测试通道深 度和测试时间都是“稀缺资源 。因而s o c 的测试必须考虑所有与此有关的细 节，因而使测试日渐成为s o c 设计流程中的瓶颈。 1 2 测试数据压缩 1 2 1 数据压缩提出的背景 基于核的s y s t e m o i l a c h i p 的设计虽然使得集成电路更加快捷，但使得设计 的产量迅猛增加，因此面临着很多测试方面的难题。s o c 通常是由一些可重用 的i p 核组成，来完成特定的功能。为了有效地测试s o c ，各i p 核供应商在提供i p 核的同时会提供测试向量。由于i p 核供应商为了保护知识产权，不愿意将i p 核 的内部结构向s o c 集成商提供，所以，s o c 集成商很难对i p 核在测试码自动生成 阶段就对测试码进行优化，比较常见的是s o c 集成商对i p 核供应商提供的测试 码进行压缩存储，到测试时再通过软件或硬件的方法将压缩的测试集还原成原 来的测试集。由于一个s o c 上的i p 核的数目很多，而且测试数据也很多，这就 使得测试单个s o c 所用的测试向量数超过了测试设备性能所能允许的范围，给 4 基于测试设备的测试方法带来了难题【1 3 】。其中难题就在于，一是测试设备的存 储容量是有限的，如果要删减测试向量以节省空间的话，那么就会降低测试的 覆盖率。二是测试时间的快速增长，为了降低测试的时间，测试费用就会增长。 三是测试设备的通道数的有限，要想增加通道数，其代价是十分昂贵的。自动 测试设备的i o 通道的容量、速度、准确度和测试数据量都是受到限制的。 s o c 钡g 试时，在原始输入端施加测试激励，即测试码，然后从输出端输出 测试响应，通过和正确的测试响应进行比较从而判断芯片是否存在故障进而对 故障定位。一般说来，如果在输入端施加的激励是所有可能的组合，即如果输 入端有n 位的时候，则显然测试码是2 n 个，这是随着输入端的位数以指数增长的。 一个典型的a s i c 芯片就有数百亿位的测试向量。测试数据压缩是一种行之有效 的资源优化方法，它可以用于减少所需要存储的测试数据量。测试向量经压缩 ( 编码) 后，可以缩d x 2 0 倍以上。测试设备然后将压缩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，施加到被测电路完成测试。 使用数据压缩技术可以对测试数据进行压缩，减少了存储容量，同时也可以加 快测试速度。其目标是使用尽可能少的测试码来达到更多的故障覆盖率。 由于对测试码进行压缩不需要知道i p 核的结构信息，所以可以保护知识产 权，在测试过程中，对测试数据进行压缩也作为了一种重要的测试手段。因此， 设计和测试工程师需要找到新的测试方法来减少测试数据的容量。 1 2 2 数据压缩的研究现状及意义 由于测试数据压缩不仅能够有效地减少测试数据量，也能够降低对测试数 据存储容量和测试设备数据传输通道的需求，还可以减少测试时间和测试功耗。 测试源划分技术( t r p ) 是一种常见的测试数据压缩方法，它可以提供可靠的方案 来减少测试数据量，减少测试时间。新的测试源划分技术是基于测试数据的压 缩和片上的解压缩来减少测设数据量、降低测试时间和在不影响测试质量的情 况下，运用较少的测试器。 目前，很多学者已经研究出很多测试数据压缩方法，常见的方法有直接对 原来的测试集进行压缩，如统计码 9 , 1 0 j 等；对差分向量进行压缩，如g o l o m b 码 和f d r 码【8 , 1 4 , 1 5 , 1 6 1 等；找出向量之间的特定的关系，如折叠关系【1 7 】等，可以用 折叠计数器的方法进行压缩等等；从线性反馈移位寄存器l f s r 或者其他一些有 限状态机出发对测试数据进行压缩也是一个研究热点。基于l f s r 的压缩方法 主要是改造现行的l f s r ，比如将其转化为部分重播种的方法或者是对重播种 的种子进行压缩的方法，再有就是将l f s r 和编码方法结合起来对测试激励进行 压缩的方法。 现有的大部分测试压缩方法都是针对原测试集的某个特点从而对其进行压 缩的，方法比较多，但是，压缩的方法不具备通用性，所以在针对不同的电路 时需要使用不同的压缩方法，又由于解压的方法和解压的结构是一一对应的， 5 所以要使用不同的解压结构，这使得解压的硬件开销增大。例如，基于统计码 的压缩方法对测试集中某些位的组合出现频率较大的情况下压缩效果非常理 想；g o l o m b 码和f d r 码通常会先对测试向量进行差分预处理，利用差分向量上 游程比较大的特点，针对差分数据进行编码压缩，这是由于对差分向量中含有 较少的1 。利用l f s r 博j 可以对测试集进行编码，这种方法在对硬故障集等测试 集里含有较多的无关位的情况下，其压缩效果非常好，但是当测试集中含有较 多的确定位时，则编码效果不好，而基于折叠计数器【1 9 , 2 0 】的方法对那些测试集 经过折叠划分后孤立点较少的情况下效果比较好，但是以上几种压缩方法的解 压结构却不相容。因此研究出具有兼容性的测试数据压缩方法也成为研究的一 项重要工作。 1 3 本文创新点和结构安排 本文开展的研究受到国家自然科学基金“系统芯片s o c 夕b 建自测试方法研 究 ( 9 0 4 0 7 0 0 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 ( 6 0 6 3 3 0 6 0 ) ；安徽省自然科学基金“基于测试源划分的测试方法研究 ( 0 5 0 4 2 0 1 0 3 ) 科研项目的资助。本文以减少s o c 狈d 试数据、尽可能的降低硬件开 销为目的，系统地研究了s o c 测试数据的压缩问题。 本文提出了两种新的测试数据压缩方法，一是基于折半划分的测试压缩方 法，能有效地压缩测试数据。主要思路是将整个测试集划分成若干定长块，对 非全0 1 块，使用折半的方法划分；对全0 1 块，使用标记位来表示划分的次数。 二是基于l f s r 重播种的方法提出一种新的基于分组共享种子和位翻转的测试 数据编码压缩方法。该方法根据测试集生成的特点，将确定位处于相同位置的 测试向量分为一类，以减少了确定位的个数，同时减少了编码种子个数，提高 种子的利用率，达到压缩测试数据的目的。 本文的创新点在以下几点： 1 基于折半划分的测试压缩方法编码对象是连续的0 或者1 ，与传统的编码 压缩方法相比，它只需要记住数据块被折半划分的次数就可表示其长度，而不 需要用二进制码来表示其长度信息。 2 基于折半划分的测试压缩方法的解码通过一个移位计数器即可还原原测 试集的长度，具有解压结构的附加硬件开销小和通信协议简单的优势。 3 基于分组共享种子和位翻转的测试数据压缩方法充分利用测试集生成的 特点，将确定位处于相同位置的测试向量分为类，并每类确定位不同处无关 位化以减少测试向量的确定位的个数，减少种子长度。此外，分类也可大大减 少种子的个数。 4 与l f s r 重播种的展开序列相比，每类的测试向量不同值的位置不用一 一或反复列出地址信息，只需记录相同位置的地址信息一次，并通过该地址的1 位翻转信号来判断，这样大大减少测试集的大小。 6 本文的结构将安排如下： 第2 章s o c 测试压缩方法。本章主要介绍了两类s o c 钡d 试方法：内建自测试 和测试源划分技术；并对测试数据压缩方法中较常见的两种压缩方法，即基于 编码的压缩方法和基于l f s r 重播种的压缩方法进行介绍与分析。 第3 章基于折半划分的测试数据压缩方法。本章重点介绍折半划分方法的 主要编码规则及思想，其利用二分法的特性，运用折半划分的方法，用划分层 次数来代替测试向量的长度。该方法所引入的硬件开销小，且它的硬件解压控 制简单，成本低。本章最后给出该方法的解压结构和实验结果。 第4 章基于分组共享种子和位翻转的测试数据压缩方法。本章在分析l f s r 重新播种方法基础上，提出了一种新的测试数据编码压缩方法，即基于分组共 享种子和位翻转的压缩方法。介绍了l f s r 重播种方法的基本原理和此方法的主 要编码思想，给出它的解压结构和实验结果，并与其他编码方法做出比较。 第5 章总结全文。本章总结了本文的研究工作，并就现实问题，对以后的 研究作出了展望。 7 第二章s o c 测试压缩方法 9 0 年代国际出现的s o c 概念，以系统为中心、基于i p 模块多层次、高度复 用的设计思想受到普遍重视和广泛应用【3 ，4 】。s o c 的高集成度和复杂度使得s o c 测试面临挑战，往往测试与验证的时间，往往数倍于设计开发的时间，因此s o c 测试对测试资源提出了更高的要求，比如容纳更大的测试数据量的测试通道深 度，更多的测试通道数，更昂贵的测试设备等等。 2 1s o c 测试方法 目前s o c 测试领域使用最广泛的方法是内建自测试技术b i s t 和测试资源划 分技术。 内建自测试( b i s t b u i l t i ns e l f t e s t ) 技术 实际上，即使系统的每个部件是完全可测试的，并有可以达到1 0 0 固定故 障覆盖率的测试码集合，但是两个部件的级联也经常会有不可测试的与冗余的 硬件，以及很低的故障覆盖率。换句话说，测试是一个全局问题。对设计和测 试开发工作，b i s t 提供了层次化分解被测电子系统的方法，这样就使部件在 b i s t 周期运行，如果没有故障，则系统中的电路板可以在b i s t 周期运行。对于 芯片测试，b i s t 能有效地测试嵌入的部件和互连线，因此减轻了系统级测试的 负担，此时系统级测试只要验证功能部件之间的协同工作就可以了。当发生故 障时，b i s t 硬件应当设计成用一个错误信号或总线指出哪个部件发生了故障。 这从很大程度上降低了修理的费用。b i s t 的测试能力随着v l s i 工艺的进步而增 强，而对于外部测试，测试能力总是落后于v l s i 工艺能力的。由于b i s t 可以使 用c a d 工具自动地加到电路中，因此它的测试开发费较低。并且b i s t 通常可以 提供9 0 9 5 的故障覆盖率，在一些特殊的情况下甚至可以达到9 9 【2 1 | 。b i s t 以完全摆脱a t e 设备为目标，主要的测试功能都在芯片上实现，其中包括测试 模式生成、测试响应评价等。因而，b i s t 需要重新设计现有的芯片结构，不可 避免地对性能造成影响。此外，由于知识产权( i p ) 的原因，系统集成者不能过 多地了解芯核的结构信息【2 2 1 ，因而会对芯片结构的修改造成一定的困难。 为了减少测试成本，内建自测试技术就是将测试激励的产生和结果检测等 放在芯片内部，只需一条线将检测结果送出片外或在片内增加故障校正电路， 自动修正电路的某些故障。所以使用b i s t 技术最大的优点是它不需要昂贵的 a t e ，芯片无需额外i o 管脚，克服了测试难以进入问题。除了芯片的生产测试 外，同时也能满足日常的维护测试和在线测试。b i s t 还有一些优点：它使预先计 算的测试集嵌在由片上硬件产生的测试序列上，支持测试重用和快速测试，保 护知识产权。 b i s t 主要完成测试序列生成和输出响应分析这两个任务。通过分析c u t 的 8 响应输出来判断被测电路是否有故障。 增加三个硬件部分：测试序列生成器、 因此，对电路进行b i s t 测试时，需要 响应监测器和测试控制器，如图2 1 。 图2 1b i s t 的一般结构 测试源划分技术 测试源划分技术主要是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，通过数据压缩技术来减少存储需求和测试时间，芯片之外主要建立 一个经过变换的测试数据存储源，以期减少测试数据的传输，同时在芯片上又 不需要花费太多的硬件执行数据变换，实现测试模式的生成。因此，可以进一步 减少测试硬件成本，更好地权衡自动测试设备与片上测试器的成本分配及解决 传输大量测试数据和有限的芯片管脚需要高带宽的要求。其工作过程是：将s o c 芯片上的所有测试芯核的测试模式统一压缩存放在a t e 的存储器中，使之成为 共享的压缩数据存储元，芯片上保留一个测试模式生成与控制中心单元，负责 统一生成所有测试芯核的测试模式，并且利用自测试环境控制测试模式应用到 每个测试芯核中。 测试数据压缩( c o m p r e s s i o n ) 解压( d e c o m p r e s s i o n ) 的方案是b o s t 解决s o c 测试的有效方法。一般在压缩前，先要对向量进行静态动态压缩( s t a t i c d y n a m i c c o m p a c t i o n ) 2 3 , 2 4 】，再将数据编码，从而有效地减少了测试数据的存储空间，降 低了传输的数据量，最后，通过一个解压结构解码。它将部分测试数据存放在 a t e 中，对现有的芯核不需要做大幅的改动，避免了性能的降低。测试集压缩 这种技术运用自动测试模式生成算法，对测试模式实行压缩【25 2 引，以便达到减 少测试数据的目的。通常它不需要额外的硬件投资，直接经过动态或者是静态 的压缩过程实施压缩即可，但是存储这样的压缩集往往需要大量的存储器，或 者是大量的数据传输。编码方案属于测试源划分技术，虽然某些编码方案具有 很高的压缩率，但是芯片上的被测试芯核与a t e 之间数据传输存在一个严重缺 点，信号难以同步，不解决好同步问题，将会严重影响测试效率，改进通讯方 式，又将会增加通讯协议的复杂性。 测试源划分技术的优点有：第一，芯片上的解压器是一种无存储数据源， 解压器结构简单，所以硬件开销小。该技术可进一步减小测试硬件成本，更好 的权衡自动测试设备和片上测试器的成本分配；第二，可以显著减少需要存放 在测试设备存储器的数据总量。如果采用的压缩算法对于给定的测试向量数据 很有效，那么采用压缩算法节省的空间就是很可观的；第三，测试数据经压缩 9 后，需要从a t e 传送到被测芯片的测试数据量减少了很多，所以可以明显减少 测试时间和降低a t e 带宽要求。 2 2 测试数据压缩方法 随着i p 核复杂性的提高以及集成电路制造工艺水平的提升，s o c 测试所需 要测试数据越来越多。测试数据压缩和解压缩是一种行之有效的资源划分方法， 它可以减少测试设备所需要存储的测试数据量，也能够降低对测试数据存储容 量和测试设备数据传输通道的需求。 图2 2 给出了测试压缩解压结构框图【5 7 1 。原始测试数据t d 经过压缩后，得 到压缩后的测试数据t e ，t e 通过测试设备如a t e ，传送到芯片上的解码电路中 去。t e 通过解码电路还原出t d ，并通过扫描链施加到被测电路c u t 中，产生测 试响应。测试响应再通过压缩后，被传送到自动测试设备a t e 上与正确测试响 应进行比较，得到结果。 通过在芯片内部内置解码电路，将经过压缩后的向量重新解码，还原出原 始的测试激励向量，施加到被测电路完成测试。测试响应压缩通常也是在芯片 内部设计一个压缩电路对扫描链输出数据进行压缩。不仅可以减少需要测试设 备提供的测试通道数目，也可以增加允许设计的扫描链数目，从而减少单个扫 描链的长度，也就减少了测试时间，达到减少测试成本的目的。 图2 - 2 测试压缩解压结构框图 由此可见，测试数据压缩主要包含两个方面：测试激励压缩和测试响应压 缩。通常，测试激励压缩是无损压缩( c o m p r e s s i o n ) ，也就是说，解压后移入扫 描链的测试向量中的所有确定位必须与原始测试向量中的确定位匹配。常见的 方法有基于编码的压缩方法等。而测试响应压缩则采用有损压缩( c o m p a c t i o n ) ， 在b i s t 中，多路输入特征寄存器( m i s r m u l t i p l e - i n p u ts i g n a t u r er e g i s t e r ) 就是一个非常高效的响应数据压缩电路。 测试数据压缩方法主要包括基于编码压缩、基于线性反馈移位寄存器 ( l f s r m l i n e a