（微电子学与固体电子学专业论文）基于fpga的边界扫描控制器的实现.pdf

摘要摘要随着集成电路的不断发展，传统的探针测试技术已不能满足现在芯片的测试需求，因此需要一种方便、准确的测试技术来代替传统的探针测试技术。边界扫描技术正是在这样的环境下应运而生。根据边界扫描测试的技术需求，本文设计并开发出了一种能够实现对故障快速诊断与定位的系统。边界扫描控制器的设计部分是系统设计的关键，该部分主要把测试信号转换为符合j t a g 协议的总线信号。它的工作效率对整个测试系统的效率起着决定性的作用。因此，如何设计一个性能良好、工作效率高的边界扫描控制器成为本课题主要的研究工作。本文首先从边界扫描测试的原理开始，分析了测试的故障类型、故障的判定方法以及相关的测试生成算法，提出了一种设计方案。其次，采取了模块化的设计思想，利用v e r i l o gh d l 完成了各个模块的硬件设计部分。然后，基于t e s t b e n c h 对整个系统的功能进行了仿真和验证，并利用内嵌逻辑分析仪c h i p s c o p ep r o 工具进行了硬件调试。最后基于v i s u a lc + + 6 0 完成了故障分析软件的开发工作，并利用该软件对故障进行了定位和分析。通过分析测试结果，可以验证该方案设计合理，符合i e e e l l 4 9 1 标准，能够实现快速的故障诊和故障的定位及分析功能。关键词：i e e e l l 4 9 1 标准：可测性：边界扫描技术：仿真验证：逻辑分析仪a b s t r a c ta b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i t ，i ti sd i f f i c u l tt om e e tt h en e e d so ft h ep r e s e n tt e s tb a s e do nt h et r a d i t i o n a lp r o b et e s tm e t h o d t h e r e f o r e ，w en e e dac o n v e n i e n ta n da c c u r a t et e s t i n gt e c h n o l o g yi n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lp r o b et e s tt e c h n o l o g y i ti si nt h i se n v i r o n m e n t ，b o u n d a r ys c a nt e c h n o l o g ya r i s e sa tt h eh i s t o r i cm o m e n t a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do ft h eb o u n d a r ys c a nt e c h n o l o g yt e s t ，t h i sp a p e rp r e s e n t sas y s t e md e s i g nm e t h o dt h a tc a nr e a l i z ef a s tf a u l td i a g n o s i sb a s e d0 1 1f p g a t h ec o r eo fw h o l es y s t e md e s i g ni st h ed e s i g no fb o u n d a r ys c a nc o n t r o l l e r ,w h i c hc a l lc o m p l e t et h et r a n s f o r m a t i o no ft h ej t a ga g r e e m e n t t h e r e f o r e ，h o wt od e s i 霉皿ab o u n d a r ys c a nc o n t r o l l e rw h i c hc a na c c u r a t e l 5f a s t l yc o m p l e t ej t a gp r o t o c o lc o n v e r s i o nb e c o m et h em a i nr e s e a r c hw o r k f i r s t ，t h i sp a p e rp r e s e n t sab o u n d a r ys c a nc o n t r o l l e rd e s i g ns c h e m e n e x t ，t h ew h 0 1 em o d u l ei sd i v i d e di n t os e v e r a lm o d u l e s ，a n du s ev e r i l o gh d lp r o g r a m m i n gr e a l i z e dt h eh a r d w a r ed e s i g np a r to ft h eb o u n d a r ys c a nc o n t r o l l e r t h e n ，t h i sp a p e rg i v e st h es i m u l a t i o nw a v e f o r mf i g u r eo fe a c hm o d u l e f i n a l l y , d e b u gt h eh a r d w a r eb yu s i n ge m b e d d e dl o g i c a la n a l y z e rc h i p s c o p ep r of r o mx i l i n x t h r o u 曲t h ea n a l y s i so ft e s tr e s u l t st h a tc a l lb eu s e dt ov m f yt h ed e s i g nr e a s o n a b l e a c c o r dw i t hi e e e l1 4 9 1s t a n d a r d ，a n dc a na c h i e v et h ef a u l td i a g n o s i sf u n c t i o n k e y w o r d s ：i e e e l1 4 9 1s t a n d a r d ；d e s i g ns i m u l a t i o n ；l o g i c a la n a l y z e rf o rt e s t a b i l i t y ；b o u n d a r y - s c a nt e c h n o l o g y ；i i第一章绪论第一章绪论第一节研究背景按照摩尔定律，在价格一定时，集成电路上的晶体管数目，大约每隔十八个月就会翻一番。随着芯片的集成度不断的提高，而且加工工艺已经到了深亚微米级。随着电子技术的不断发展，p c b 制造工艺越来越复杂，已不再是原有的单层板，这必然给芯片的测试带来一系列的挑战。芯片管脚数目越来越多，密度越来越大，这些都给电路板测试带来非常大的困难，使用传统的探针探测技术已不能满足现代芯片测试的要求乜3 ，因此需要一种更加方便、准确的测试方式来取代之前的测试手段。现代的生产规模越来越大，这样必然要求有一种测试方式能够对不合格的芯片进行高效的检测，而且可以降低测试的成本和缩短整个测试的周期，这些都使得可测性技术得以迅速发展口1 。可测性设计d f t h 3 ( d e s i g nf o rt e s t ) 就是在集成电路内部添加了逻辑电路等，可以对芯片、电路板等进行快速的测试瞄，6 。边界扫描技术正是d f t 中最主要的技术之一。二十世纪八十年代，一种新的测试技术，联合测试行为组织( i o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 简称j t a g 定义这种测试方法即边界扫描测试。后来在1 9 9 0 年收录为i e e e l l 4 9 卜1 9 9 0 边界扫描测试访问端口和边界扫描结构标准盯1 。该标准发展过程开始于1 9 8 5 年，当时形成于欧洲被叫做联合欧洲测试行为组织( j e t a g ) ，后来又加入了北美的一些成员，所以更名为联合测试行为组织( j t a g ) 。在1 9 8 6 和1 9 8 8 年期间，联合测试行为组织为边界扫描的标准化又专门提交了一系列的提议。在1 9 8 8 年，最后一次提议被测试总线标准委员会采纳，决定这个提议应该成为测试总线家族中的一个基本的标准。跟随着这些决策，联合测试行为组织成为i e e e 工作组中发展这个标准的核心成员。在1 9 9 0年二月份的时候，工作组又开始为这个标准进行了验证、增强和补充，并正式由i e e e 的1 1 4 9 1 - 1 9 9 0 号文档标准化，这个标准开始得到广泛的采用陋 9 | 。在目前的集成电路测试领域，边界扫描测试已成为主流的测试技术。现今世界上大部分的p c b 生产商都接受了边界扫描技术。最主要的一个原因是该技第一章绪论术节省了每个测试阶段的成本。在设计的初期，节约了测试的时间；在生产的阶段，节省了故障检测的时间，因而可以大大减少测试的相关费用；在维修阶段，从测试设备的成本、测试的准备时间来看都可以节省开销。所以，使用该技术可以大大减少电路板的生产费用n0 | 。边界扫描技术主要应用在电路的测试中，可以对具有边界扫描结构的设备进行测试。利用该技术可以对故障进行准确的定位并分析产生故障的原因，缩短了开发的周期。第二节国内外关于边界扫描技术的研究现状在国外，已经开始使用边界扫描技术及相关的仪器。t e x a s 的s c o p e 系列、m o t o r o l a 的6 8 0 4 0 、n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 的很多产品都带有这样的边界扫描结构。p h i l i p s 设计开发了p m 3 7 2 0 用于边界扫描的测试，之后该技术得到越来越多的人的关注n 1 | 。随着技术的不断发展，边界扫描的标准也得到了完善。大概在九十年代时，该技术开始受到国内相关人员的关注。例如电子科技大学以及国防科技大学等从上世纪九十年代就开始关注该技术，并开始进行相关的研究工作。在设计银河- i i i 时，国防科技大学就采取了这种技术，可以支持很多种边界扫描的检测n 引。电子科技大学已设计出p c i - 1 1 4 9 1 边界扫描控制器以及测试的软件，而且成功完成了对电路板的测试n 引。华中科技大学研制的边界扫描测试仪器基于p c i 总线，边界扫描控制器部分是在f p g a 上完成的，但还是缺乏相关的软件n4 | 。在国内，虽然该技术得到了广泛关注，但相关的工具和技术比较少，所以国内的技术还是比较落后。因此，研究边界扫描技术还是具有非常现实的意义，设计并开发出一种性能良好的边界扫描控制器具有非常广阔的前景。第三节论文内容和各章节组织本论文的设计和完成是基于f p g a 来实现的。近年来，f p g a 技术突飞猛进，已经在各种领域应用。由于f p g a 使用灵活且具可编程的特性，所以它能够满足各种各样的需求。本课题来源于在上海贝尔实习时的一个项目。上海贝2第一章绪论尔公司已有自己的边界扫描设备，负责该项目的经理打算开发自己的测试设备。在这样的背景下，本文提出了一种在f p g a 上来实现边界扫描控制器的方案。本论文内容分为六章。以下是各章节的内容安排：第一章绪论。简要的说明了本论文的来源、在国内外的现状以及本论文各章节的内容。第二章边界扫描的基本原理及方法。该章介绍了j t a g 测试的原理、测试的结构、测试的类型以及该技术的一些特点。第三章测试向量生成算法的相关理论研究。该章首先介绍了一些基本的概念和故障的类型，接着在此基础上给出了边界扫描测试的数学模型和故障判定条件。最后对传统测试生成算法的相关理论进行了研究，并在传统算法的基础上优化了等权值算法，提出了等权值抗混淆算法。第四章测试向量的生成。该章主要详细介绍了s v f 文件的产生过程以及测试向量的生成过程。第五章边界扫描控制器的硬件实现。该章重点介绍了开发的平台、设计方案以及各个模块的实现过程。第六章边界扫描控制器的仿真和验证。该章详细介绍了整个模块的仿真验证、板级调试过程以及对故障的定位和分析。第七章对本论文内容做了总结，分析本论文的优势以及不足，并提出了本课题的接下来要完善的工作。3第二章边界扫描的基本原理及方法第二章边界扫描的基本原理及方法在现代集成电路的设计中，人们越来越关注电路系统的可靠性。由于电路的集成度越来越高，电路测试的难度也不断增大。在早期，设计人员凭借自己的经验，然后利用一些工具来完成测试。对于越来越复杂的集成电路系统，过去的测试方法已不能满足现代测试的需求。因此，人们必须采取其他的方式来完成电路的测试。可测性设计d f t ( d e s i g nf o rt e s t a b i l i t y ) 由此而生，并迅速得到发展n5 1 6 1 。而边界扫描测试技术正是其中一个非常重要的技术。i e e e l1 4 9 1 标准对边界扫描测试做了规范，使得该测试得以标准化。i e e e l l 4 9 1 标准对整个测试系统做了规定，包括测试访问端口t a p ( t e s ta c c e s sp o r t ) ，即：测试时钟( t c k ) 、测试输入端口( t d i ) 、测试模式选择端口( t m s ) 和测试输出端口( t d o ) 。边界扫描系统主要由t a p 控制器( t a pc o n t r o l l e r ) 、指令寄存器( i n s t r u c t i o nr e g i s t e r ) 、旁路寄存器( b y p a s sr e g i s t e r )和边界扫描寄存器( b o u n d a r ys c a nr e g i s t e r ) 构成n7 | 。除此之外，还包括一个可选择的复位端口( t r s t ) ，以及其他可选的数据寄存器。t a p 控制器控制寄存器，具有1 6 种状态n 引。测试的整个过程都是在t a p 控制器的控制下进行的。第一节边界扫描技术的原理边晃扫描技术通过在管脚旁添加一个边界扫描单元( b s c ，b o u n d a r ys c a nc e l l ) ，然后再通过一定的逻辑实现了测试，b s c 是由寄存器构成的n 引。每一个引脚处有一个b s c ，且都是双通道：一个是测试数据通道，测试数据输入通道t d i ( t e s td a t ai 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 ) ；另外一个是正常数据通道。正常数据输入n d i ( n o r m a ld a t ai n p u t ) 、正常数据输出n d o ( n o r m a ld a t a o u t p u t ) 。如图2 1 所示。正常的情况下，输入的数据和输出的数据可以通过每一个边界扫描单元，正常的数据从n d i 端口进入，从n d o 端口输出。在进行边界扫描时，可选择通道：输入时，可从t d i 端口或n d i 端口进入；输出时，可以从t d o 输出，也可以从n d o 输出。4第二章边界扫描的基本原理及方法图2 1 边界扫描测试单元的连接框图图2 2 给出了一个边界扫描的示意图。为了对两个设备的连接性进行测试，先把其中一个设备的输入管脚的边界扫描单元输入一个0 或1 ，输出到n d o 端口；然后把该输出数据作为另外一个设备的输入值，在t d o 端口输出；最后对这两个值进行比较，就可以判断连接情况。图2 2 边界扫描的示意图第二节边界扫描的结构及功能相比于传统的探针测试方法，边界扫描测试是在芯片的内部集成了测试电路，它的核心就是通过b s c 在特定的指令下串行输出管脚的状态，以此进行互连测试。边界扫描测试是通过移位的思想，在测试时，把输入的引脚状态串行的移5第二章边界扫描的基本原理及方法到输出端口，完成电路板的测试。i e e e l l 4 9 1 标准对如何添加移位寄存器做了明确的规定。图2 3 是一个标准的边界扫描的基本框架。图2 3 边界扫描的框架图边器壬1 捕学无数字轻入输氆l 癣边界丰j 捕链该结构主要包括三部分：测试访问端口控制器( t a pc o n t r o l l e r ) 部分、指令寄存器( 瓜) 部分和数据寄存器( d r ) 部分。系统管脚简介：t d i ( t e s td a t ai n p u t ) ：测试数据输入引脚。t a p 控制器控制寄存器的状态来决定t d i 的执行操作，在t c k 的上升沿时移入边界扫描测试单元。t d o ( t e s td a t ao u t p u t ) ：测试数据输出引脚。t a p 控制器控制寄存器的状态来决定t d o 的执行操作，在t c k 的下降沿移出测试单元。t m s ( t e s tm o d es e l e c t ) ：测试模式选择引脚。t a p 控制器是一个包括十六个状态的有限状态机f s m ( f i n i t es t a t em a c h i n e ) 。t c k ( t e s tc l o c k ) ：测试时钟输入引脚。t r s t ( t e s tr e s e ti n p u t ) ：测试复位输入引脚。2 2 1t a p 控制器t a p 控制器在整个测试中占据着非常重要的作用。j t a g 控制器包括t c k 、t d i 、t d o 、t m s 和t r s t ( 该端口是可选的) 端口2 。t c k 、t r s t 和t m s6第二章边界扫描的基本原理及方法信号共同控制t a p 控制器的状态，t d i 和t d o 提供输入和输出的通道。t c k提供时钟，t m s 控制数据的移位等操作。t a p 控制器可以根据t m s 和t c k 信号的变化情况产生电路的操作序列。图2 4 给出了t a p 的状态转换框图。一共包括十六个状态，t m s 信号的高低电平决定了状态的转换乜2 23 | 。图2 4 转换框图t a p 控制器状态介绍如下： 1 ) t e s t l o g i c r e s e t ( 测试逻辑复位)当处于这个状态时，将禁用测试逻辑从而使器件进行正常的工作。如果含有i d ( i d e n t i f i c a t i o nd a t a ) 寄存器，指令寄存器就会加载i d c o d e 指令。否则，会引入b y p a s si r 。在t a p 控制器上电时。可以通过置低t r s t 来使t a p 复位。不管最初是哪个状态，只要t m s 保持5 个周期的高电平，就会进入该状态。 r u n t e s t i d l e ( 测试运行空闲)这是边界扫描操作中的测试运行或空闲的状态。如果进入该状态，t m s 信号只要是低电平，控制器就会保持这个状态不发生变化。 s e l e c t d r s c a n ( 选择数据寄存器扫描)这是一个暂时的状态，相当于一个开关的角色。如果t m s 信号保持一个低电平并且在t c k 的上升沿时，状态会转移到c a p t u r e d r 状态并且对扫描的序列进行初始化。如果t m s 信号是高电平并且在t c k 的上升沿，状态将会转移7第二章边界扫描的基本原理及方法到s e l e c t i r s c a n 状态。( 4 ) c a p t u r e d r ( 捕获数据寄存器)当处于该状态，在t c k 的上升沿时，测试数据会并行地载入相应的测试数据寄存器。当t a p 处于该状态时并且在t c k 的上升沿，如果此时t m s 信号是高电平，那么状态就会进入e x i t l d r 状态。如果此时t m s 信号是低电平，那么跳到s h i f t d r 的状态。 s l l i r d r ( 移位数据寄存器)当在这个状态时，会根据指令来选择数据寄存器连接t d i 和t d o 端口，测试数据移入数据寄存器。如果t m s 信号是高电平并且在t c k 的上升沿，那么会进入e x i t l d r 的状态，反之会保持该状态不变。( 6 ) e x i t l d r ( 退出1 d r 状态)这是一个暂时的状态。如果t m s 信号为高电平并且在t c k 的上升沿，那么会跳到u p d a t e d r 的状态，这将会结束扫描过程。如果t m s 信号为低电平并且在t c k 的上升沿，将会跳入p a u s e d r 的状态。由现在的指令所决定的数据寄存器的状态不会发生改变。( 7 ) p a u s e - d r ( 暂停d r )在这个状态时，可以允许操作暂停。由现在的指令所决定的测试数据寄存器的状态将保持不变。如果t m s 为低，则将保持该状态。 e x i t 2 d r ( 退出2 d r 状态)这是一个暂时的状态。如果t m s 为高并且在t c k 的上升沿时，扫描过程将会结束，那么状态将会进入u p d a t e d r 的状态。( 9 ) u p d a t e d r ( 更新数据寄存器)在这个状态时，数据会在t c k 的下降沿并行的更新到锁存器中。只有在更新时，数据才会进入到锁存器。如果t m s 为高并且在t c k 的上升沿，状态将会跳到s e l e c t d r s c a n 的状态。如果t m s 为低并且在t c k 的上升沿，那么将会进入r u n t e s t i d l e 的状态。( 1 0 ) s e l e c t i r s c a n ( 选择指令寄存器扫描)这是一个暂时的状态。如果t m s 为低并且在t c k 的上升沿，那么将会跳到c a p t u r e i r 的状态。如果t m s 为高并且在t c k 的上升沿，将会跳到t e s t l o g i c r e s e t 的状态。 c a p t u r e i r ( 捕获指令寄存器)r第二章边界扫描的基本原理及方法当处于这个状态时，指令代码会在t c k 的上升沿移入指令寄存器。在这个状态下，指令将保持不变。 s h i f i i r ( 移位指令寄存器)这个状态类似于移位数据寄存器，只是移出的是指令寄存器中存在的数据。 e x i t l i r ( 退出1 - i r )这个状态是一个暂时的状态。如果t m s 信号为高电平并且在t c k 的上升沿时，那么将会跳到u p d a t e i r 的状态并结束。如果t m s 信号为低电平并且此时t c k 处于上升沿，那么会进入到p a u s e i r 的状态。 p a u s e i r ( 暂停i r )当在这个状态时，允许指令寄存器的移位进入一个暂停的状态。 e x i t 2 i r ( 退出2 i r )这是一个暂时的状态。( 1 6 u p d a t e i r ( 更新指令寄存器)如果处于该状态，且t c k 处于下降沿时，会将移入的指令数据进行锁存。如果t m s 信号为高电平并且t c k 处于上升沿，将会跳到s e l e c t d r s c a n 的状态。如果t m s 为低电平并且此时t c k 处于上升沿，将会跳到r u n t e s t i d l e 的状态。2 2 2 指令寄存器模块允许一个指令被移入到设计中。指令决定了进行测试还是访问。表2 1 给出了指令寄存器i r 在不同状态下的操作。表2 1i r 在不同状态下的操作t a p 的状态移位寄存器并j 亍输出用来给出i d c o d e (t e s t - l o g i c - r e s e t未定义或b y p a s s ) 指令装载o 】到l s b ，可选择对m s bc a p t u r e - l r保持以前的状态装载专门设计的数据或固定值s h i n i r移向串行输出端保持以前的状态e x i t l 一i re x i t 2 一i r保持以前的状态保持以前的状态p a u s e i ru p d a t e - l r保持以前的状态从移位寄存器装载a l lo t h e rs l r 盟t e s未定义保持以前的状态9第二章边界扫描的基本原理及方法2 2 3 数据寄存器模块测试的结构中必须有的寄存器：边界扫描寄存器b s r ( b o u n d a r y - s c a nr e g i s t e r ) 和旁路寄存器b r ( b y p a s sr e g i s t e r ) ，另外还可以包含器件标志寄存器d i r ( d e v i c ei d e n t i f i c a t i o nr e g i s t e r ) 等。 b s r边界扫描寄存器由器件管脚上的扫描单元组成，它构成了整个边界扫描电路的路径，主要是用来测试集成电路的外部电路。当时钟的上升沿到来时，t d i端口的数据串行的移入，在时钟的下降沿时已有的数据串行输出到t d o 端口。 旁路寄存器( b r )旁路寄存器的位数为1 ，直接把t d i 端口和t d o 端口连在一起，扫描路径最短。在进行边界扫描测试时，如果不需要进行数据寄存器的存取，那么将会放弃数据扫描，而选择旁路寄存器，所以在测试中可以大大缩短边界扫描测试的时间硷引。第三节边界扫描的测试类型及方式边界扫描测试技术为集成电路提供了标准化的测试方法。可以利用该技术对器件进行自测试和互连测试。主要包括：采样测试、内部测试、外部测试和正常的工作方式乜5 | 。采样测试：对输入和输出的信号进行实时监控。内部测试：在该模式下，从t d i 端口输入测试向量，通过编辑扫描链路，从t d o 端口得到响应向量。通过分析得到的响应向量来判断器件内部的逻辑正确与否。外部测试：主要是对器件之间的连线进行检测，判断是否正确。测试向量从其中一个器件的t d i 端口移入，在t d o 端口输出响应向量。通过分析获得的响应向量，来检测有无故障等。正常的工作方式：在该方式下，系统运行于正常的工作状态，不会影响系统正常的工作。1 0第二章边界扫描的基本原理及方法第四节边界扫描的特点与传统的测试方式相比，它具有如下几个特点：它是把要测试的节点集成在芯片引脚，这样的话就不再需要用探针或者示波器对引脚来进行测试，所以消除了电路测试时物理节点带来的限制；该技术是一种d f t ( 可测性设计) ，可以完成芯片级、板级的测试等；器件生产商对带有边界扫描结构的器件都有一个专门的说明。通过在器件中集成边界扫描测试结构，使得可以访问器件内部的节点，增强了分析和诊断器件的能力；可以把边界扫描测试应用于不同的阶段，比如制造阶段和调试阶段等，方便了整个测试工作。总之，在提高器件可测性的手段中，边界扫描测试是一个非常重要的手段，也是未来测试技术的必然趋势。第五节本章小结本章对边界扫描技术的理论做了较详细的介绍。首先介绍了边界扫描测试技术的基本原理，给出了一种基于i e e e l l 4 9 1 标准的边界扫描结构，详细介绍了边界扫描测试结构的各个组成部分。然后，介绍了相关的测试类型和方法等。最后简要的介绍了该技术相关的特点。为后面课题所要研究的边界扫描控制器在硬件上的实现提供充分的理论准备。第三章测试向量生成算法的相关理论研究第三章测试向量生成算法的相关理论研究第一节基本概念及故障类型在进行边界扫描的测试时，测试生成算法的优劣至关重要，而测试生成算法的研究前提又是对边界扫描技术的基本理论和基本方法的研究，因此这部分非常重要。这些基本理论和方法主要包括：故障的数学模型、故障判定的定理和产生测试向量的方法。主要包括三种类型的扫描测试：完备性的测试、芯片的互连测试及内建自测试。在实际的测试过程中，链路完备性测试和内建白测试均有标准的测试方法，所以研究的重点就成了互连测试，相应的测试算法的研究也就具有了重要的意义。3 1 1 基本概念网络：由相互连接的节点组成，记为n ；，i 为1 ，2 ，3 ，n 。任何一个p c b 板上的电路都包含很多网络，这些网络可分为三态网络和简单网络m 3 。如果网络的输入是三态驱动，则称为三态网络：如果输入是单一的，则称为单一网络。测试实质就是对这些网络进行测试，检测其是否正常。故障：在对器件进行边界扫描测试时，如果测试响应向量和测试的激励有偏差，就可以判断该网络存在故障。边界扫描测试循环：测试向量通过t d i 端口串行输入，然后进行测试，同时把响应向量串行输出到t d o 端口。并行测试向量p t v ( p a r a l l e lt e s tv e c t o r ) ：施加给各个网络的激励，记为v ；，j = 1 , 2 ，p 。并行响应向量p r v ( p a r a l l e lr e s p o n s ev e c t o r ) ：当将p t v 施加到各个测试节点时，在扫描测试的输出端口所获得的测试响应向量，记作r ? ，j = 1 , 2 ，p 。对于确定的p c b 电路板，它和网络总数n 相同，但数目不确定。贯序测试向量s t v ( s e q u e n t i a lt e s tv e c t o r ) ：加载到同一个网络上的测试向1 2第三章测试向量生成算法的相关理论研究量，维数等于并行测试向量的数目，个数和网络的个数相同。贯序响应向量s r v ( s e q u e n t i a lr e s p o n s ev e c t o r ) ：相应的，在测试输出端口得到的响应向量称为贯序响应向量s r v ，记作为尺罗，f = 1 , 2 ，n 。测试矩阵：由p t v 构成，记为t 。响应矩阵是由得到的响应向量而构成的，记作作r 。在测试矩阵中，逻辑值“l ”和“o 表示两个不同的测试输入值。在响应矩阵中，逻辑值“1 ”和“0 ”表示不同的响应逻辑值。图3 1 是一个6 4 阶的测试矩阵。1oo1o o111oo1111o11oo1oo1图3 16 4 阶的测试矩阵在图3 1 所示的测试矩阵中，六个行向量表示六个串行测试矢量，四个列向量表示有四个要测试的节点。通过该测试矩阵，可以看出被测板上有六个测试网络，测试经历了四次测试循环。在该测试矩阵的作用下，得到的响应矩阵也是一个6 x 4 阶的矩阵。根据故障的定义，如果测试矩阵与响应矩阵没有偏差则表明该被测网络不存在故障，反之，则存在故障，这时的串行测试向量称为故障征兆，记为s t 。紧凑性指标：测试矩阵中列向量和行向量中的最小者，记作为p 。故障分辨力：在进行测试时，对故障进行诊断和定位故障位置的能力。征兆误判( a l i a s i n gs y n d r o m e ) 测试矩阵中如果有串行测试向量和被测板上的故障征兆相同如式( 3 1 ) 所示，就无法判断是否有故障。v ? = s 厂= ( v ? ，v 孙)( 3 1 )式( 3 1 ) 中s ? 为被测p c b 板上的故障征兆，k ，m ，n 为s t v 的下标。征兆混淆( c o n f o u n d i n gs y n d r o m e ) ：如果被测板上的故障征兆中，有两个13第三章测试向量生成算法的相关理论研究或两个以上相同时，将无法判断被测网络是否存在故障，如式( 3 2 ) ，假定s i 和s f 相同。( v 罗，v 知) = s i ，= s f = ( v 等，v )( 3 2 )征兆误判率定义如下：儿= 误判征兆数。单一短路故障总数( 3 3 )征兆混淆率定义如下：7 。= 混淆征兆数c 组合短路故障总数( 3 4 )3 1 2 故障类型对被测板施加测试的激励，通过边界扫描链后串行的移出测试结果，若测试响应矩阵和测试矩阵有偏差，则可判断网络有故障。从结构上分，这些网络主要有三种故障类型：固定逻辑故障、开路故障和短路故障窿7 | 。图3 2 给出了故障模型的框图。s a 1 ( s t u c k - a t 1 ) 表示该网络固定地显示逻辑“1 ”。s a 0 ( s t u c k a t o )表示该网络固定地显示逻辑“0 ”。固定逻辑故障和开路故障的测试响应固定不变( 0 或1 ) ，因此可以用不全是0 或不全是1 的s t v 来检测这两种故障。图3 2 故障模型的框图桥接短路故障是因为待测网络存在短路，因此在网络上在加载不同的s t v时，测试响应s r v 相同。主要包括两种类型：线与逻辑故障与线或逻辑故障。线与逻辑故障征兆：1 4第三章测试向量生成算法的相关理论研究线或逻辑故障征兆：s ；，= 兀( v 罗，v o ，)( 3 5 )j 厂= z - 1 0 9 ，所以紧凑性比较差。1 9第三章测试向量生成算法的相关理论研究表3 2 根据移位“1 ”算法得到的测试向量p t v网络s t vv 1 pv 2 9v 3 pv d pv 5 pn l1oo00v 1 qn 201oo0v 2 0n 300l00v 3 qn 4000l0v 4 qn s00o01v 5 q3 4 3 等权值算法上述移位“1 算法虽然具有绝对的完备性，但其紧凑性指标p 等于网络总数n ，对于网络数非常多的电路进行测试时消耗的时间比较多，所以在对测试时间要求比较高的场合，可以适当降低完备性来减小紧凑性的值。等权值算法与移位“1 ”算法相比，虽然完备性降低，但它的紧凑性有较大的提高。测试矩阵t 的第，2 行串行测试矢量口的权值为向量中包含“1 ”的个数，用符号矿( 口) 表示。在生成测试向量的过程中，要求所有的s t v 权值相同，并且各不相同。所以如果某些网络短路，其测试响应s r v 的权值会增加( 线或) ，因此不存在故障误判。等权值算法测试生成中，网络的权值g 相同，并且q = l p 2 j ，并且s t v 各不相同。图3 5 为生成测试向量的流程图。图3 5 根据等权值算法得到测试向量的流程图2 0第三章测试向量生成算法的相关理论研究假定网络数n 等于9 ，初始p = 4 ，q = 2 ，此时c ( p ，q ) = 6 n ，满足要求。表3 3 给出了根据该生成算法得到的测试矩阵。表3 3 根据等权值算法得到的测试向量p t v网络s t vv l pv 2 9v 3 pv d 9v 5 1 1 11100ov 1 sn 21o100v 2 51 1 31o010v 3 sn 4l0001v 4 81 1 5ol100v 5 sn 60l010v 6 51 - 1 701000v 7 sn 8001l0v 8 sn 9oo101v o s测试向量s t v 的数目是c ( p ，g ) ，并且当q = l p 2 j 时取得最大值。只有当c ( p ，g ) n ，测试向量集才可以覆盖所有的待测网络。由式c ( p ，l p 2 j ) 可知，如果特别大，则p n ，这表明该算法的紧凑性指标比移位“l ”算法的紧凑性指标要小的多。误判率为0 ，但是具有一定的混淆率。第五节优化的等权值算法虽然等权值算法对紧凑性和完备性指标做了综合考虑，在故障检测的性能上有了很大的提高，不存在故障误判，但是它的故障混淆率仍然很高，因此故障定位精度有待进一步提高。通过在等权值测试向量后添加补充测试向量，可以提高其抗混淆的能力0 。该算法被称为等权值抗混淆算法，虽然增加了紧凑2 1第三章测试向量生成算法的相关理论研究性p 值，但是却获得了比较好的抗混淆的能力。为了便于描述，以桥接短路( 线或模型) 为例，介绍等权值抗混淆算法。测试相似组：对于一组测试向量，所有的向量从第1 位开始至第i 位的值都相同，第i + 1 位到最后一位是由移位“1 ”算法生成的，那么这组向量就称作测试相似组。表3 3 是根据等权值算法得到的测试向量。根据测试相似组的定义可以将该测试向量集分成三个测试相似组。网络n 、n ，、n ，和为相似组一，网络，z ；、和n ，为相似组二，网络，z 。和n 。为相似组三。每个相似组中，相异的部分和移位“1 ”算法生成测试矢量相同，所以相似组内部的网络发生短路不会引起征兆误判和征兆混淆的问题。因此，等权值算法的征兆混淆存在于在不同相似组的网络短路中，2 ，和n 。为相似组一，n 。和n 7 为相似组二，如果n ，和n 7 、为。和玎。短路，那么它们的s r v 都是( 1 ，1 ，0 ，1 ，1 ) ，所以会引起征兆混淆。为了减小征兆混淆率，可以牺牲部分紧凑性来提高完备性，所以在每个s t v的后面通过添加不同的补充测试向量以提高抗混淆的能力。等权值生成的测试向量集称作原向量集，增加的测试向量集称为补充向量集。征兆混淆主要发生在不同的相似组之间，所以在一个相似组添加不同的标识向量可以减小混淆。网络存在线或短路时，它的s r v 的权值必然会增加，而s t v 权值越大，发生混淆的可能性就会越大。因此，补充测试向量的权值越小越好，所以选择由移位“1 ”算法生成的测试向量来作为补充向量集。添加的补充测试矢量必须能够标识一个相似组的测试向量集，根据等权值算法生成的测试向量集，其最大相似组中的s t v 个数是p l p e j + 1 ，所以必须有p l p 2 j + 1 个补充向量。由于原向量集的故障误判率是零，所以补充向量集中的各个向量无须权值相同就可以保证修改后的测试向量集的误判率是零。因此，为了减少其紧凑性指标，可以选全。的补充向量，取p l p e j n p 可。表3 4是增加补充向量后得到的测试向量集。表3 4 根据等权值抗混淆算法得到的测试向量等权值一抗混淆算法网络等权值测试向量p = 5孝、充向量p = 3n l11000oooi - 1 2l0100lo0n 3100100102 2第三章测试向量生成算法的相关理论研究续表3 4 根据等权值抗混淆算法得到的测试向量1 1 4loo01001n 501100o00n 601010100n 7010010101 1 8o011000on 900101100等权值抗混淆算法降低了等权值算法中的故障混淆率，它的紧凑性指标为p = 2 e 一【- 2 ，其中为原测试向量集的紧凑性指标。利用测试向量仿真软件进行分析，在不同的网络总数下等权值算法和等权值抗混淆算法的征兆误判率和征兆混淆率比较如表3 5 所示。表3 5 等权值算法与等权值抗混淆算法的完备性比较等权值算法( )等权值抗混淆算法( )网络数征兆误判率征兆混淆率征兆误判率征兆混淆率804 5 7o0 1 9908 2 300 2 7l o01 2 7 100 7 21 101 9 7 502 2 502 1o5 6 7 101 1 8 6由上表可知，等权值抗混淆算法不仅具备等权值算法的抗误判的特性，而且大大降低了征兆混效率。等权值抗混淆算法虽然牺牲了紧凑性指标，但是提高了抗混淆的能力。由于它具有抗误判、低混淆的特点，因此适合于同时存在多组短路的互连测试中。第六节本章小结本章首先介绍了边界扫描的基本概念和故障类型，接着在此基础上给出了边界扫描测试的数学模型和故障判定条件。最后对传统的测试生成算法进行了研究，并在传统算法的基础上优化了等权值算法，提出了等权值抗混淆算法。该算法在保证征兆误判率为0 的前提下，大大降低了征兆混淆率。2 3第四章生成测试向量第四章生成测试向量第一节串行向量格式( s v f ) 文件介绍作为j t a g 标准的大力推广者，美国德州仪器公司制定了应用于边界扫描的s v f ( s e r i a lv e c t o rf o r m a t 串行向量格式) 标准，该标准定义了后缀名为s v f的计算机文件格式。串行向量格式( s e r i a lv e c t o rf o r m a t ) 文件是一种工业标准格式的文件，它用来描述j t a g 链的操作口。s v f 文件主要是通过描述移入器件中的边界扫描链的信息来记载j t a g 的操作。s v f 文件是一种a s c i i 格式文件，因此，可以用任何一种文本编辑器对它来进行操作，比如读写或者是进行修改等。s v f 表示状态转移到指令有s d r 、s i r 、e n d d r 、e n d i r 、s t a t e 、t e s t和r u n t e s t ，除此之外还包括并行指令( p i o 、p i o m a p ) 和扫描链的偏移( o f f s e t ) 指令( h i r 、h d r 、t i r 和t d r ) 。s v f 文件不区分大小写，“! ”和“”后面的部分为注释语句。生成的测试图形包括两个部分，测试激励向量以及响应向量。接下来给出一个s v f 的例子：第一行的t r s to f f 表示测试复位结束，将转移到其他状态。第二行的e n d i ri d l e 表示边界扫描的指令操作执行完后，将转换到空闲的状态。第三行的e n d d ri d l e 表示边界扫描的数据扫描执行完后，将转移到空闲2 4第四章生成测试向量的状态。第四行的h i r ( 头指令寄存器) 表示指定一个数据头模式，预先考虑随后要开始的i r 扫描操作。第五行的h d r ( 头数据寄存器) 表示指定一个数据头模式，预先考虑随后要开始的d r 扫描操作。第六行的t i r ( 尾指令寄存器) 表示指定一个数据尾模式，用来作为i r 扫描操作的结束。第七行的t d r ( 尾数据寄存器) 表示指定一个数据尾模式，用来作为d r扫描操作的结束。第八行的s i r ( 扫描指令寄存器) 执行符合i e e e l l 4 9 1 标准的指令寄存器扫描操作。第九行的s d r ( 扫描数据寄存器) 执行符合i e e e l l 4 9 1 标准的数据寄存器的扫描操作。第十行的s t a t e 强制跳到一个指定的稳定状态。第十一行的r u n t e s t 强制i e e e l1 4 9 1 总线运行一个状态，这个状态可以指定测试时钟的个数或者指定测试时钟的周期。根据s v f 文件，可以得到状态转移序列，由前面给出的状态转换图能够推得t m s 信号序列。s v f 文件中的命令参考i e e e l l 4 9 1 标准中t a p 控制器的状态。表4 1 给出了s v f 文件中的状态名和相对应的i e e e l1 4 9 1 标准中t a p 控制器的状态名。表4 1s v f 文件中的状态和相应的i e e e1 1 4 9 1 标准的t a p 的状态i e e el1 4 9 1t a ps t a t en a m cs v ft a ps t a t en a m et e s t - - l o g i c - - r e s e tr e s e tr