（电路与系统专业论文）面向系统芯片测试的设计优化技术研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要摘要本文针对面向s o c 测试中的b i s t 设计功耗与时间优化、测试访问结构和核测试包封结构优化以及高层次可测性设计优化等问题，进行了深入研究，在现有面向测试设计的基础上，提出了一系列解决这些问题的有效方法。这些问题都是近年来基于i p 核结构s o c 测试中的研究热点，也是本文的研究重点。由于s o c 采用了基于i p 核的设计方法，出于保密和复用设计的考虑，一一般无法或不容易详细了解i p 核内部的具体电路实现。而b i s t 结构内建了测试码生成器与测试响应分析器，可以在模块内部完成测试，并且基于随机测试码产生器的b i s t 结构简单，容易实现，因此采用b i s t 测试结构是比较好的选择。但g i s t 测试结构有这样一些缺点：采用随机测试时，测试长度过长：对某些随机测试难测的故障，不容易达到满意的故障覆盖率；由于随机测试矢量之间的相关性不强，使电路测试时的状态转换频繁，产生过高的测试功耗等。针对随机g i s t 测试的缺点，本文提出采用多加权集随机测试码生成与基于状态转移概率计算的加权值选择算法优化b i s t 设计。基于多加权集的b i s t 测试对于随机矢量难测故障非常有效，因而能减少测试长度，节约测试时间。在此基础上，再对生成的加权集进行选择可以有效地优化b i s t 连续测试矢量的相关性，使得测试功耗得以进一步优化。此外，本文还研究了在s o c 中的多个b i s t 的测试调度过程，提出了基于多相时钟的b i s t 测试调度算法，将各b i s t 模块合理分配到测试时钟的多个相位上。算法同时考虑了测试功耗的约束条件，通过遗传算法优化g i s t 测试调度过程，使得总测试时间能得到整体上的优化。在s o c 中应用i e e ep l s 0 0 测试设计规范以及其它类似的测试设计技术，确定核测试包封设计、测试控制机制以及测试访问机制，实现测试结构框架的方法已经被普遍采用。在这种框架结构之下，测试资源的分配和测试调度的优劣将直接影响到s o c 整体测试的效率。基于测试总线的测试结构设计包括对各i p 核测试总线分配技术、t a m 的设计技术阻及相应的测试调度，为了能获得最优的测试时 到t必须给i p 核合理地分配s o c 测试总线，并将测试访问机制的设计与i p 核测试包封设计统一起来，在测试资源和测试功耗的约束下，在有效的调度算法配合下给出所有i p 核的优化测试方案设计。为此，本文提出了一种改进的s 0 0 测试访问机制与测试包封同时优化的设计方案。在s o c 外部测试端口数目的限制下，通过在i p 核测试包封设计过程中计算测试效率因子，选择测试时间最少的测试连接方法，从而优化i p 核测试包封的扫面向系统芯片测试的设计优化技术研究描链与测试访问机制连接。随后为了满足测试功耗的约束条件，通过实施有效的测试调度，使测试时间最终得到优化。进一步，本文还利用多目标优化算法对测试结构设计进行优化。这一算法将测试资源与测试时间等作为模型优化的多个目标，对s o c 的整体测试结构实施设计优化，通过对测试资源进行合理的分配和相应的测试调度，最终得到全局优化的资源配置以及满足功耗约束的测试时间优化结果。s o c 的设计不断向更高层次的设计方法发展，设计者比以往更加关注系统级、行为级和r t l 的设计。高层次可测性设计的研究重点是：从系统角度划分电路及其测试的层次，从更大模块的宏观角度对测试生成和测试结构进行优化设计，尽量减少底层可测性设计与系统设计矛盾所带来的设计反复。本文对高层次可测性设计优化问题进行了探讨，提出了一种基于r t l 的b i s t 设计优化方法，这种方法通过对时序元件的提取，以及时序深度的分析，对电路进行划分，从而生成高层次设计条件下优化的b i s t 结构。文中还介绍了发展中的系统级可测性设计优化问题，以期引起进一步的关注。最后，结合自行设计的视觉处理s o c 框架，对其可测性设计部分进行了针对性的讨论和说明。另外，通过对乘法器i p 核的可测性设计实例，详细给出了一种具体的通用i p 核可测性设计结构。以上的算法和设计研究，都经过了标准的b e n c h m a r k 电路或实际电路的模拟验证。实验结果表明，本文所提出的优化算法和测试结构具有一定的先进性和良好的实用价值。关键词：系统芯片，可测性设计，测试优化，测试访问机制，内建自测试迦坚a b s t r a c tt h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h ei n v e s t i g a t i o no ns o m ea l g o r i t h m sa n dr e a l i z a t i o nd e s i g no p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e sf o rs o c ( s y s t e m - o n c h i p ) t e s t r e s e a r c hd i r e c t i o n sm a i n l yi n c l u d eb i s to p t i m a ld e s i g nu n d e rp o w e rc o n s t r a i n s ，s o ct e s ts t m c t u r eo p t i m i z a t i o na n dh i g h - l e v e ld f to p t i m i z a t i o n t h em o t i v a t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o ni st of i n ds i m p l ea n de f f e c t i v ea l g o r i t h m sa n ds u i t a b l er e l a t e dt e s ta r c h i t e c t u r e s ，s oa st oo p t i m i z et h et e s ta p p l i c a t i o no fs o c s t h ec o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w ：b e c a u s eo fu s i n gt h ee m b e d d e dc o r eb a s e ds o cd e s i g nm e t h o da n dc o n s i d e r i n gt h en e e do fk e e p i n gs e c r e t l y , t h ei n n e rs t r u c t u r e so fc o r e sa r eu s u a l l yu n k n o w n t h et e s to fc o r e sc a nb eh a n d l e db yu s i n gb i s tt e c h n o l o g y , w i t he m b e d d e dt e s td r i v e r sa n dt e s tr e s p o n s ea n a l y z e r s ，t h et e s tc a nb ef i n i s h e di nt h ec o r e s t h er a n d o mp a t t e r nb i s th a st h ec h a r a c t e r i s t i co fs i m p l es t r u c t u r e ，e a s yi m p l e m e n t a t i o n b u ti t st e s tp a t t e r nu s u a l l yv e r yl o n ga n di ti sh a r dt or e a c has a t i s f yt e s tc o v e r a g ef o rs o m er a n d o mr e s i s t a n c ef a u l t s a tt h es a n l et i m e ，t h el e n g t ho fr a n d o mt e s tp a t t e r na n di t sc o r r e l a t i o nl e a dt os t a t e sc h a n g e ) e q u e n t l yd u r i n gt h et e s t t h e r e f o r e ，i tc o n s u m e sm o r et e s tp o w e ra n dh a sa ni l li n f l u e n c eo nt h es a f e t yo fs o c s ，t h e naw e i g h t e dr a n d o mp a t t e r ng e n e r a t o ra n dt e s ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mw e r ei n t r o d u c e dh e r et oo v e r c o m ea b o v es h o r t c o m i n g s w i t hm u l t i w e i g h t e ds e t s ，t h eb i s tc a nd e c r e a s et h et e s tl e n g t ha n di n c r e a s et e s tc o v e r a g et or a n d o mr e s i s t a n c ef a u l t s a l s ow i t ht h et e s ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mb e t w e e nw e i g h t sc a no p t i m i z et h et e s tp a t t e r nc o r r e l a t i o na n dl o w e rt e s tp o w e rc o n s u m e a f t e rt h a t ，an e wm u l t i p h a s e - c l o c kb i s ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mw a sp r o p o s e d w i t ham u l t i - p h a s e c l o c ka n dp o w e rc o n s t r a i n s ，s e v e r a lb i s t sc a nb ea r r a n g e di n t od i f f e r e n tt e s tp h a s ea n dt h et o t a lt e s tt i m ew a sd e c r e a s e d h e r e ，ag e n e t i ca l g o r i t h mw a si n t r o d u c e dt oo p t i m i z et h et e s tp r o c e d u r e u s i n gi e e ep 1 5 0 0a n ds i m i l a rc t w ( c o r et e s tw r a p p e r ) d e s i g n s ，t e s tc o n t r o lm e c h a n i s m sa n dc o r r e s p o n d i n gt a m ( t e s ta c c e s sm e c h a n i s m ) c o n s t r u c t e ds o ct e s ta r c h i t e c t u r eb e c o m e sm o r ea n dm o r ep o p u l a r u n d e rt h i sk i n do ft e s ta r c h i t e c t u r e s ，ag o o dt e s tr e s o u r c ed i s t r i b u t i o na n dt e s ts c h e d u l i n gs t r a t e g yw i l ll e a dt oah i 【g h e rt e s te f f i c i e n c y t e s tb u sb a s e dt e s ta r c h i t e c t u r eh a sap r o b l e mt h a th o wt od i s t r i b u t et h et e s tb u sa m o n gt h ei pc o r e s f o ra l lo p t i m a lt e s tt i m er e s u l t ，o n em u s td i s t r i b u t et h et e s tb u s堕旦墨篓苎丛型堕竺堡生垡垡垫查婴窒r e a s o n a b l ea n dc o m b i n et h et a ma n dc t wd e s i g ni naw h o l e ，t h e nu s et h ee f f i c i e ms c h e d u l i n ga l g o r i t h mt e s t i n ga l lc o r e su n d e rt e s tr e s o u r c ea n dt e s tp o w e rc o n s t r a i n s t h e r e f o r e ，t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t sam o d i f i e dt a ma n dc t wc o o p t i m a ld e s i g na l g o r i t h mf o rs o c sw i t hp15 0 0t e s ta r c h i t e c t u r e w i t hal i m i t e ds o ct e s ti op o r tn u m b e r , i tc o m p u t e dt h et e s te f f i c i e n tf a c t o ri nt e s td i s t r i b u t ep r o c e d u r et os e l e c tao p t i m a lc t wa n dt e s tb u sc o n n e c t i o nm e t h o dw i t ham i n i m a lt e s tt i m e ，a n dt h e ns c h e d u l et h et e s tp r o c e d u r eu n d e rt e s tp o w e rc o n s t r a i n t ss ot h a to p t i m i z i n gt h et e s tt i m eo v e r a l l f u r t h e r m o r e ，am u l t i o b j e c t i o no p t i m a la l g o r i t h mb a s e dt e s ta r c h i t e c t u r ed e s i g na l g o r i t h mw a sp r o p o s e d i tt r e a t e dt h et e s tr e s o u r c e sa n dc o n s t r a i n sa so b j e c t i o n st ob eo p t i m i z e dc o n c u r r e n t l y a sar e s u l t ，t h et e s tr e s o u r c e sw e r ea l l o c a t e dr e a s o n a b l ea n df i n a l l yt e s tp o w e ra sw e l la st e s tt i m ew e r eo p t i m i z e d t h es o cd e s i g nm e t h o dh a sm o v e dt oh i g h e rl e v e ln o w s u c ha ss y s t e ml e v e l ，b e h a v i o r a ll e v e la n dr t l ( r e g i s t e rt r a n s f o r ml e v e l ) d e s i g nb e c o m e sm o r ep o p u l a r , t h eh i g hl e v e ld e s i g nf o rt e s t a b i l i t yh a st h em e r i t st h a tt h et e s t sc a nb ed i v i d e di nt h es y s t e ml e v e l ，t h et e s tg e n e r a t o ra n dt e s ts t r u c t u r e sc a r lb eo p t i m i z e di nm o d u l ep e r s p e c t i v e ，a n dt h er e p e t i t i o no ft h et e s td e s i g np r o c e d u r eb e t w e e nh i g hl e v e la n dg a t el e v e lc a l lb er e d u c e dg r e a t l y ar t lb i s tt e s ts t r u c t u r eo p t i m a lm e t h o dw a sd e v e l o p e db ya n a l y z e dt h ef u n c t i o n a lh d ld e s c r i p t i o nd e s i g n s t h i sb i s td e s i g ni nh i g hl e v e lh a dt h el e s st e s tc o s to v e rt h eg a t el e v e lb i s ti n s e r t i o n ，a l s o ，t h es y s t e ml e v e ld f tw a sd i s c u s s e dp r i m a r i l ya f t e rt h a t f i n a l l y , c o m b i n i n gw i t has e l f - d e s i g nc o m p u t e rv i s i o ns o ca r c h i t e c t u r e ，ad f ts t r u c t u r ew a sd i s c u s s e da n dd e s c r i p ti nd e t a i l a l s o ，f o ram u l t i p l yi pc o r e ，ag e n e r a lb i s ts t r u c t u r ew a si n t r o d u c e d u s i n gs t a n d a r db e n c h m a r ko rp r a c t i c a lc i r c u i t s ，t h ea b o v ea l g o r i t h m sa n dd e s i g n sw e r ea l ls i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m a la l g o r i t h m sa n dd e s i g n si nt h i sd i s s e r t a t i o nh a dt h eg o o dp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：s y s t e m - o n c h i p ，d e s i g n - f o r - t e s t ，t e s to p t i m i z a t i o n ，l o wp o w e rt e s t ，t e s ta r e h i t e e t u r e独创性声明本人声明所呈交的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。尽我所知，除了本文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安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做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：j & ；he l 期：迎缱21 丝关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容；可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定)本人签名：磕l 生日期：趔1 ，! 竺导师签名第一章绪论i1 1 1 系统芯片s i x ：第一章绪论1 1s o c 的设计与测试随着微电子技术的发展，目前集成电路( i c ，i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 进入了超深亚微米的时代，采用9 0 r i m 工艺的流水线已经投入生产，这使得电子器件的特征尺寸越来越小，芯片规模越来越大，数千万甚至超过1 0 亿门的电路可以集成在单一的芯片上川。同时，兼容多种工艺的新技术可以将差别很大的不同种器件集成到同一个芯片上。这为系统集成开辟了更广阔的应用途径，从而使当前的系统集成设计成为一种“时尚”。把完整的系统构造在一个单独的芯片上，实现一个完整的系统功能，这样的芯片被称为系统芯片( s o c 。s y s t e m o n c h i p ) 【2 】。s o c 适用于移动电话、网络路由、视频点播、移动信息终端等广泛的应用环境。由于单片系统芯片设计在速度、功耗、成本上和以往多芯片系统相比占有较大的优势，因此在当前的集成电路产业发展中s o c 占有举足轻重的地位，根据国际半导体工业协会专家的预测，在今后5 年中，s o c 的产量将超过集成电路总量的5 0 以上口】。所以，能够快速地开发、制造、测试、调试和验证复杂的s o c ，对于电子工业的持续成功发展至关重要。s o c 的设计是以嵌入式的i p 核( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e ，知识产权核) 为基础的，这意味着对以前设计的功能i p 核可以进行重复利用，因而这些嵌入式核也称之为虚拟元件( v c ，v i r t u a lc o m p o n e n t ) 1 4 o这些嵌入式核不同程度地预备在系统设计中重复使用，根据其功能应用到各种不同的s o c 设计中。各种嵌入式核可能来源于不同的公司，但是它们可以集成在同一个s o c 中。目前在新设计中，约4 0 以上采用了某种形式的可以重复使用的核设计。可重复使用的i p 核以多种形式存在：可综合寄存器传输级( r t l ，r e g i s t e rt r a n s f e fl e v e l ) 内核、门级网表、s p i c e 网表、g d s i i 版图格式的核等。因此，根据提交的形式，可以把i p 核分为软核、固核、硬核。而根据i p 核的功能，又可以分为各种随机逻辑核，嵌入式存储器核和模拟核。随着芯片集成继续发展，更多形式的嵌入式i p 核已经应用到了s o c 的设计中，诸如现场可编程逻辑阵列f p g a ，闪存f l a s h ，射频i 心模块与微波核，甚至发展到微电子机械( m e m s ) 以及光学元件。图i i 是一个视频处理s o c 的组成框图，由此可以看出s o c 的一般结构。一三至堕堕塑塑! ! ! 兰燮塑堡生垡些垫查塑塞个s o c 可能包括有各种特定功能逻辑核、接口核、处理器核、存储器核，以及由更多i p 核组成的复杂核。当然，除了使用可复用i p 核之外，s o c 还包含有用户定义的逻辑( u d l , u s e r d e f i n e l o g i c ) ，这些u d l 也不排除以后会成为其它s o c设计时使用的i p 核。图1 i 视频s o c 的结构框图一般而言，当今的s o c 设计具有以下特点( i ) 规模大、结构复杂：( 2 ) 采用基于i p 核的设计；( 3 ) 速度高、时序关系严格；( 4 ) 工艺先进、互连问题突出：( 5 ) 低电压设计，功耗问题严重。s o c 的这些特点，给测试工作带来了巨大的挑战。完全采用专用自动测试设备( a t e ，a u t o m a t et e s te q u i p m e n t ) 的测试方案代价高昂1 6 】，例如a g i l e n t 公司的9 3 0 0 0系列s o c 测试设备具有1 g b s 测试速率，测试头具有9 6 0 个数字通道和4 个模拟通道，在每个测试通道都提供称之为“片上测试仪”处理器的结构。当测试弓j 脚数达到2 0 0 0 个以上时，其售价将达到2 0 0 0 万美元以上。但是对于多种多样的s o c芯片来说，有时仍然不能满足测试要求。另外，虽然芯片设计趋向低电压( 如1 8 伏以下) ，但由于集成度的提高，其功耗仍然在剧增，而在测试环节的功耗较之正常使用时消耗更严重。当s o c 应用到小型化的电路板上时，高密度的器件安装使测试变得愈发困难，采用某些接触式的测试方法已经不可能。第一章绪论3有关数据显示，目前s o c 的测试验证费用已经超过了设计总费用的5 0 ，测试所需时间则大大超过设计时间。当芯片的单位功能制造成本以每年平均2 5 一3 0 的比例下降时，而测试成本却以每年平均1 0 5 的比例提高n所以，为了验证制造厂商设计制造出来的物理设备芯片是正确的，为了对s o c特别是其内部的各种i p 能进行有效的测试，必须对s o c 的整体测试、i p 核测试访问、i p 核内部各部件进行有效的可测性设计( d f t , d e s i g n f o r t e s t b i l i t y ) ，以期得到有效的测试结果。i 1 2 可测性设计1 可测性设计的概念所谓可测性设计，一般是指一切考虑了测试要求的设计，或者说一切能使测试生成和故障诊断变得比较容易的设计【7 j 。如果能在预先规定的性能指标下生成、评价并应用一个测试集，则称针对此测试集所属的电路是可测的。性能指标是指在预先规定的代价预算和时间范围内，达到预先设定的故障检测、故障定位和测试应用标准。可测性设计方法主要是针对改善电路的可控制性和可观察性两个重要的性能指标【g j 。通过可测性设计把测试逻辑设计到s o c 以及i p 核中去，这样就可以从根本上减少对测试设备的依赖。这样的测试方法虽然增加了一些芯片面积、布线和测试端口等制造成本，但是对于测试设备的要求就大大降低了，而且会大大缩短产品响应市场的时间周期，进一步节省测试环节的成本，提高系统可靠性。2 可测性设计的方法在s o c 测试中，常用的可测性设计主要有以下一些方法：( 1 ) 扫描设计1 】是s o c 中使用最多的方法，为此，测试系统必须存储测试此种芯核( i p ) 所需的相当长的测试矢量。所以必须考虑到测试系统具有并行测试多个芯核( 扫描链) 的能力。( 2 ) b m f ( 内置自测试) 设计【1 2 - 1 6 】在s o c 中，b i s t 的应用获得了成功，特别是在嵌入式r a m r o m 测试中。当r a m r o m 深深地嵌入s o c 时，利用b i s t不需要接触外部数据通道，能进行自治测试。b i s t 的主要问题是代价高而且又会降低芯片性能。( 3 ) 边界扫描设计【1 7 1 9 1i e e e l l 4 9 1 的推出，是为了解决板级数字电路的测试问题。进而系统级的边界扫描结构的应用，使得可蚍通过层次化的测试访问机制，利用边界扫描结构测试系统中的每个模块。( 4 ) 测试结构设计【2 0 琊l 包括i e e ep 1 5 0 f f f 2 4 】在内的一些组织正致力于研究面向系统芯片测试的设计优化技术研究规范的测试包封和测试控制机制，使得能够对嵌入式的i p 和模块进行有效的测试。为了配合i p 的测试，在s o c 中需要研究相应的测试访问机制完成测试数据在外部a t e 和i p 核之间晌有效传输。( 5 ) i d d q t 2 5 】和i d d t 2 6 1 可测性设计i d d q 测试是测量c m o s 电路在稳态下的静态电流。基于电流测试还有i d d t 测试，测量电路在动态切换过程中的动态电流。3 基于嵌入式核的s o c 可测性设计针对i p 核的实际情况，嵌入核的设计必须能够满足s o c 设计的测试约束。反之，s o c 测试也必须包容各种形式嵌入式核的测试方式，从而能顺利完成对所有核的测试。并且最好能给s o c 设计人员提供更多针对可重用核的测试开发工具。这种可重用核的使用和搭配对设计验证和制造测试带来了挑战。每个可重复使用的内核都有不同测试结构和测试数据，其中包括无扫描，部分扫描或全扫描模块的测试矢量以及内建自测试的测试矢量。在系统设计和可测性设计过程中，集成所有可重复使用的内核和它们所有的测试结构，并维持总体测试覆盖率，成为测试设计的瓶颈。为了克服这个问题，i p 核供应商和集成用户必须要紧密合作，以保证i p 核的集成测试流程的顺畅。如图1 2 所示的是一个典型的覆盖两端i p 核集成测试的设计流程。一裟i 述i 旧等表re ；台l 逻辑综合l ：i i ：惮舢“h 删网表l- qc o r 矢e 量傩f 卜s o c测试古! 【障测试矢量覆盖率报告图1 2i p 核集成测试的设计流程筇氍绪除、一晌钊刈s o c 整体t 苷j s j 。测性设汁而高，筲先必须充分保行i p k a ! u 试f l jj 戊j ) a应j j ，s o c 测试由各i p 核单独测试、u d l 测试以及i p 核之问或核1 ju d l 之m 伸珏连测试绢成。芯， 。级测试就是要为各f p 核乖fu d l 单独测试以及互连测试提供种芯片级的测试访问机制( 7 f a m ，t e s ta c c e s sm e c h a n i s m ) 、，b 片级测试控制( 1e s ic o n t r 0 1 ) 以及测试包封( c t wc o r et e s tw r a p p e r ) ”7 结构。图1 ，3 是一个s o c 的可测性设计框架示意图，s o c 系统的t 。i 测性跬汁提供j 访问每个l p 核的测试通路与相应的测试摔制结构。图1 3s o c1 1 1 的d f l l 框架通常评价可测性设汁的优劣心包括可测性i f j 分析检查、t 孜障覆箍率情况的分析、扣i i u 蹄的插入伍干目威的删试部分进们州i l 骆动优化等力m i 。在电路设“过程吲步设训测试电路，划提高系统可。洲r 一有：i i - 矗i 大的帮助。4s o c 测试设计优化技术可测性泼计征s o c 中的应用已足必然之势，仉如果仪仪采川以往+ 般性的j测，r j ：改i f 力法，则难以满足s o c 测试的需要。必须有适台s o c 特点优化的r 丌测。陛设汁1 j 测试办法，爿能列其进行有效测试7 l 。1 r | _ ； i13 所示，可测性发训深入到j 7s o c 的符个部分，l ! 纤成为系统的个一f 婴川成部分。然而，随着电路剧模v j 急剧增k ，川洲4 r 改计部分i f j 脱帧山川j 、训j f g 【 。，此寸，r q 测性改汁埘系统的不利彤l i | 1 t 】山随之增多圳如，仃数圳鼢件 ：| 1 | j 测跌l i l 鼢会埔圳系统延迟，影响系统f f , j i k f i ：测_ 【j i = i i l i l | 小身达剑丁定的j 、面向系统芯片测试的设计优化技术研究模，从而引起了其自身的测试问题，进而影响系统的可测性：测试电路过多需要占用更多的芯片面积，增加了生产成本：测试过程中的测试功耗急剧上升，危及芯片的安全等等。这些问题在中低规模a s i c 设计中表现的还不是很突出，到了s o c 中就变得非常紧迫了。所以在s o c 设计过程中，必须对s o c 测试设计进行优化，这样既能保证s o c设计的有效性，又能减少测试设计的不利影响。面向s o c 测试的设计优化的目标，在于采用相应的方法和手段使s o c 测试时所需要的：( 1 ) 测试资源配置优化；( 2 ) 测试时间优化：( 3 ) 测试功耗优化。最终目标是减少测试成本和提高芯片的可靠性。针对目前s o c 的设计现状，测试设计优化在s o c 的设计流程中可以进行实施的方向有很多。图1 a 给出了测试设计优化在s o c 设计验证测试过程中的应用层次，可以看到，从高层次的设计输入开始，到最终物理实现的布局布线阶段，都有可测性设计优化的对象。这个优化的过程渗透在s o c 以及i p 核设计和测试的各个阶段。、i p 库玎综舟】p防真j p 席可实现1 p测试向量设计规范检查可测性仿真系统测试l测试平f s仿真f向量生成测试优化技术：蓑：f ：i 耗f _f ：茬i可测性综台测试向量静态躲t l ：布局布线赢1 可瓣态时序形式骢缸分析互连线参数提取g ds i i 刚表图1 4s o c 可测性设计优化的层次第一章绪论7在上述的流程中，经过对各部分测试设计的研究，本文认为目前s o c 测试设计优化急需解决的关键技术问题主要有：( 1 ) 测试结构的优化设计这是由s o c 的规模决定的，对于集成数千万，甚至上亿门的s o c ，它所需要的测试结构所占有的面积成本必须得到相应的优化，才能适合系统设计以及制造的要求。测试结构优化设计，一般可以从测试开销、测试时间、测试覆盖率几个方面进行。它的原则包括：以较少的测试硬件完成较多的测试内容；以精简的测试向量集测试更多的故障；以简单的测试施加方法应用测试等。优化方法有很多种，如采用电路结构分析方法，使用智能计算方法，改进结构设计等多种手段。( 2 ) 测试低功耗设计测试设计和低功耗设计在过去的研究通常是分开进行的，那时测试期间的功耗只是一个次要问题，因为测试的速度一般低于正常工作的速度。但是现在电路系统的测试是在很高的时钟速率下进行，测试速度甚至与电路正常工作速度相同，此时必须采用全速测试( a t s p e e d t e s t i n g ) 。测试期间的功耗因此会升高。在正常工作模式下，功耗优化技术已有一些研究。而最近国际上新出现的个研究领域是有关在测试期间功耗最小化的问题，也就是在测试设计中同时考虑低功耗设计问题。( 3 ) 高层次可测性设计优化随着门级验证技术的加速发展，复杂的设计要求在更高级别的抽象层次上进行测试验证。混合了v h d l 和v e r i l o g 结构的r t l验证一般是由单的验证工具来完成的。在系统级验证中，软件模块和硬件模块协同验证。在设计抽象的另一个领域中，低级( 晶体管和版图结构) 设计测试验证工具需要能在较短的时间内处理较大规模的设计，可以自动地抽取设计层次和有效地处理设计模块的算法的测试对达到这些目标是非常重要的。由于上述都是目前s o c 测试设计的关键，所以针对特定情况下的相关优化方法有不少。关于这几个方向当前的研究状况，本文在后面相应的章节中分别进行了详细的分析和归纳。尽管已涌现了多种优化方法，但这些问题仍然值得进一步的研究。例如，对于i p 核测试，伪随机b i s t 是一种简单有效、应用广泛的方法，然而对较大的i p核的测试时间和功耗却令人难以接受，优化b i s t 对实际应用具有非常现实的意义。在研究s o c 的测试结构时，大多数的方法仅对测试时间这一目标进行测试结构、测试调度或者联合的优化，使得测试能够最快完成。然而，当前的测试条件下，由于组成s o c 的i p 核不断增加，还必须考虑到测试功耗和测试资源的影响。并且，在各种优化目标之间如何权衡，也是一个非常重要的问题。目前的s o c 设计中，采用高层次设计手段逐渐普及，但相应的高层次测试设计优化方法研究却未能有相应的提高。所以，针对设计潮流，提出新的优化的高层次可测性设计方法势在必行。面向系统芯片测试的设计优化技术研究1 2 本课题的研究背景国外的s o c 设计在可测性设计应用方面起步较早，水平较高。如p h l i p i s 公司推行公司内部的s o c 及i p 核测试规范应用获得成功，并且即将成为未来制定的国际测试标准的一部分。由于推行规范化的测试设计，测试接口和测试结构设计就比较容易，相应地提高t n 试复用的水平。模块设计和系统设计工程师能够得到最佳的测试协同设计效率。认识到测试标准的不足给芯片系统测试访问带来问题，测试界专业人士已经成立了两个组织。一是i e e e 测试技术专门委员成立的i e e ep 1 5 0 0 工作组，任务是定义描述测试核的语言、测试控制机理和i p 核封装访问方法。二是虚拟插座接口联盟( v s i a ) 口8 j 成立的一个工作组，任务是开发交换测试数据的标准。i e e ep 1 5 0 0的制订，对于规范测试结构很有意义。关于这个标准的具体内容，在以后的章节里有详细的介绍和分析。在上述基础上，国际上展开了对s o c 测试优化方法的深入研究，提出一些关于测试结构、测试生成、测试施加、测试分析等方面的改进与新方法，以期优化测试过程中的开销，节约测试时间，提高整体的测试覆盖率。目前，国际上测试低功耗技术的研究也正处于蓬勃发展的研究阶段。降低测试期间过多的功耗是学术界和工业界研究的热点问题。目前国内有关测试低功耗研究的报道也逐渐增多。研究在s o c 设计与测试过程中降低测试功耗的一些实用的关键技术和方法，对于促进我国s o c 发展具有很重要的现实意义。中国电子信息产业直保持2 0 以上的增长率，主要集中在移动通信设备、数据通信设备、计算机及消费产品领域。s o c 给用户提供专业化和系统化端到端的系统级解决方案，可以迅速突破国外大公司形成垄断，这已经成为我国微电子业界的共识。市场的需求决定着需要开发的s o c ，考虑到我国电子信息市场的特殊性，即大量的移动通信和数字家电市场的核心芯片主要依赖于迸口的状况，开发数字家电类s o c 已经为国内各大i c 设计机构、公司所看好，纷纷投入人力、物力进行这两个方面s o c 的研发工作。国内移动通信类s o c 的丌发主要集中在华为、中兴、大唐等通信公司，数字家电类s o c 的开发主要集中在海尔、华大、华虹等设计公司1 2 9 1 。从目前来说，瞄准国际集成电路产业发展的趋势，通过进行s o c的设计实施跟踪和突破，能充分发挥我国已有的生产能力，有助于我国赶超世界微电子的先进水平。在s o c 设计将要蓬勃发展的形式下，对于面向系统级芯片测试优化技术的深入研究，对我国s o c 产业的健康发展非常有益。在国内s o c 的开发大多集中在设计领域，对于测试研究的投入相对较少。而测试过程对于s o c 来说，是不可逾越第一犟绪论9的一个设计阶段。整体而言，虽然目前我国对于s o c 测试的基础研究还相对薄弱，但我们也看到在国内多所重点大学和核心科研机构对s o c 可测性设计研究的成功报道，如中科院计算所对龙芯测试设计 3 0 ，国防科大对于银河处理器的测试研究 3 h 、对嵌入式微处理器e s t a r l 的可测性设计研究【3 2 】，浙江大学对s o c 测试结构实现改进 3 3 】等等，不一而足，都是关于s o c 测试研究方向上的亮点。集成电路的测试技术、设计技术与制造技术并称为三大关键技术。s o c 更是一项综合的系统工程，需要大量的人力和财力的投入，我国s o c 设计技术必须在测试、设计、制造三方面得到全面的发展，彳能迅速赶上世界先进水平，为集成电路产业的整体发展奠定稳定的基础。然而，我国总体上来说，对于研究面向s o c 测试的优化技术深度尚显不足。本论文所涉及的课题致力于探索面向s o c 的新型测试优化技术，对提高我园自行设计s o c 的测试技术做出一些贡献。本论文的研究工作是在国家自然科学基金和国家教育部博士点基金以及国防预研基金项目的研究基础上和资助下开展起来的。结合项目的实施，本文对s o c测试设计优化的一些关键问题和有针对性的问题进行了深入研究。1 3 本论文研究内容和章节安排本论文针对s o c 测试设计的优化技术深入研究的问题，主要涉及到s o c 测试结构优化，低功耗b i s t 设计优化技术，高层次可测性设计优化等三个方向中的若干具体内容，通过深度的分析和研究，以期得到解决实际测试问题更优化的测试结构设计与测试方法。为了验证本论文所提出的若干算法及优化的测试体系结构，对i s c a s 与i t c提供的标准b e n c h m a r k 电路进行了模拟仿真实验。此外还对正在研究的视觉处理s o c 中的可测性设计进行了描述，进一步说明了s o c 测试设计的过程。本论文研究的主要成果包括：1 针对l f s r 类型b i s t 测试生成功耗和时耗过高的缺点，提出一种基于确定型测试集的g a 伪随机测试多加权优化算法，可以大大降低b i s t 测试的长度和测试总功耗。在此基础上，通过计算转换概率的方法选择测试权值，使得测试功耗得到进一步优化。2 在s o c 测试框架下应用多个b i s t 测试时。在功耗约束下对b i s t 进行基于多相时钟的测试调度，通过合理分配b i s t 到不同的测试时钟，使得s o c 的总测试时间能得到了有效优化。1 0面向系统芯片测试的设计优化技术研究一- 一3 对一种t a m 与c t w 同时优化的测试结构优化设计算法进行改进，并结合功耗约束的