（通信与信息系统专业论文）dsp可测性、测试方法和平台的研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 随着集成电路技术，信号处理技术的快速发展，数字信号处理器的功能越米越强以及屯 路的规模越来越大，使得当前数字信号处理器的测试面临着严重挑战。如何合理地对数字信 号处理器进行可测性设计、产生测试程序和采用何种验证测试平台对其进行验证测试成为数 字信号处理器设汁的核心问题之一。 本文作者以浙江大学1 6 位定点数字信号处理器一m d 】6 的验证测试。_ r = 作基础，针对数 字信号处理器的可测性设计、测试群序产生和软硬件协同验证测试平台设计等展开论旺，力 求建立一套面向数字信号处理器的验证和测试方法，以便能够使数字信号处理器变得可测、 易测；同时能够提高数字信号处理器的测试覆盖率和速度，从而缩短产品的上市周期。 本文的主要内容和创新如f ： 提出了一种基于i e e e l l 4 9 1j t a g 接口协议基础上的e i c m ( e m b e d d e di n c i r c u i t m o d u l e ) 设计方法。运过增加描令和扫描链，同时通过t a p 模块控制把串行输入转换 成并行输出采用基于并行访问的方法对d s p 处理器的寄存器文仲和片上存储器单元 进行读写操作，减少了扫描时间，且减少了扫描链对关键路径时延的影响，实现了片上 e i c m 模拟模块。 采用了基于指令树模型遍历的方法产生指令集测试程序，提高了指令集测试的覆盖率， 保证了d s p 数据通道和功能单元的正确性：采用了基于状态机转换路径的方法产生异 常测试程序，保证了状态机测试的覆盖率，为流水结构d s p 处理器的儿个难点如数据 竞争、异常处理的测试提供了一种解决办法；采用了基丁：应用目标的应用程序测试方法， 采用这种方法，能够根据设计目标，对被测处理器的功能、性能进行全方位的评价，同 时能够为用户提供了相应的解决方案，加速产品的上市速度。 根据d s p 处理器的不同验证和测试要求，研制了一种可重用的软硬件协同验证和测试 平台。采罔可配置1 p 模块羽】总线结构，实现了埂件平台可配置性和可重用性；采用嵌 入式模拟模块，提供了断点、单步、跟踪等调试手段，实现了实时的验证测试功能；采 用分层的方法设汁软件平台，实现了软件平台的可配置性。采用本平台，不仅能够对 m d l 6 处理器进行功能单元、系统级的验证测试，同时还能进行原型芯片的系统级测试。 提u 了一种采用阶层式结构的可测性设计方案，为s o c 芯片的可测性设计提供了一种方 法。通过在项层t a p 指令寄存器中定义选择和选择无效指令，在测试带测试机制i p 模 块时减少了对顶层t a f 控制器状态的影响从而保证了它的稳定性；在测试不带测试 机制i p 模块时，通过增加调试指令和目标选择指令，以及采用并行访问方式访问被测 单元，增加了测试灵活性，明显地减少了测试时间。 m d l 6 原掣芯片己完成测试，。枣片在核心电压1 8 v 的情况下，其最高1 作频率为 1 6 2 m h z ，功耗为1 i m w m h z 。 关键词；数字信号处理器可测性设计嵌入式模拟模块指令树模刑状态机协同验证 浙江大学溥上学位论文 a b s t r a c t w 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 tt e c h n o l o g ya n dt oc i r c u i t ss c a l e ，d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o rb e c o m e sm o r ea n dm o r ep o w e r f u l ，b a s e do nv e r s a t i l es i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y h o w e v e r , s u c hp r o g r e s sc h a l l e n g e sd e s i g n e r st op r o p o s em o r ee f f e c t i v ev e r i f i c a t i o nm e t h o d s h o w t od e s i g nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rw i t hg o o dt e s t a b i l i t y , t og e n e r a t ep r o g r a m sf o rv e r i f i c a t i o na n dt o c r e a t es u i t a b l ev e r i f i c a t i o np l a t f o r m sa p p e a ra sk e yi s s u e so f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rd e s i g n t h ea u t h o rt a k e sc h a r g eo fv e r i f i c a t i o na n dv a l i d a t i o nf o ra1 6 - - b i tf i x e d - p o i n td s p , n a m e d m d l 6 i no r d e rt oa c h i v eg o o dt e s t a b i l i t y , v e r i f i c a t i o n c o v e r a g ea n df a s t e rs p e e d t h i sp a p e r p r o p o s e ds e v e r e m e t h o d sf o rt h et b l l o w i n gp r o b l e m s ：d e s i g nf o rt e s to f s i g n a ld i g i t a lp r o c e s s o r s ， g e n e r a t i o no fv e r i f i c a t i o np r o g r a m sa n dd e v e l o p m e n to fh a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g np l a t f o r m t h e r e f o r e ，t h et i m e - t o - m a r k e to f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r si ss h o r t e n e d t h em a i nc o n t e n t sa n di n n o v a t i v ep o i n t si n c l u d e di nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w ： t or e d u c es c a nt i m ea n dd e l a yt i m eo fc r i t i c a l p a t h i nt h em e t h o db a s e do nc h a i n a e m b e d d e d i nc i r c u i te m u l a t o r ( e 1 c m ) w a sp r o p o s e d b a s e do ni e e e i1 4 9 1 p r o t o c o l ， i n s t r u c t i o n sa n ds c a nc h a i nw e r ei n t r o d u c e d w i t ht e s ta c c e s sp o r t ( t a p ) m o d u l ee x c h a n g i n g s e r i a l i n p u tw i t hp a r a l l e lo u t p u t , r e g i s t e rf i l e sa n dr a n d o ma c c e s sm e m o r y ( r a m ) o nc h i p w e r er e a do rw r i t t e ni np a r a l l e l i s m e x p e r i m e n tr e s u l t se i c mc u td o w ns c a nt i m ea n dt h eb a d e f f e c to nc r i t i c a lp a t hb r o u g h tb ys c a nc h a i n t h et i m eo n t e s t i n gc h i pc a nb er e d u c e dg r e a t l y , a n dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rb e c o m e sf a s t e r t os a t j s $ d i f f e r e n t r e q u i r m e n to fv a l i d a t i o na n dt e s t i n gf o rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ga f u n c t i o n a lv a l i d a t i o na n d t e s t i n g m e t h o di s p r o p o s e d u s i n g t h em e t h o do f s o f t w a r e h a r d w a r ec o - v a l i d a t i o n ，t h es p e e do fv a l i d a t i o na n dt e s t i n ga c c e l e r a t e d t e s t i n g c o v e r a g er a t eo f i n s t r u c t i o nw a sh i g h l yi m p r o v e db yt e s t i n gp r o g r a mo fi n s t r u c t i o nb a s e d o n m o d e lo fi n s v u c t i o n u s i n gp i p e l i n e dc o n t r o lb a s e dv a l i d a t i o nm o d e l ，d a t ah a z a r db e t w e e n i n s t r u c t i o n sw a sd e t e c t e d e x p e r i m e n t ss h o wt h a ti n s t r u c t i o nc o v e r a g ea c h i e v e s1 0 0p e r c e n t ， a n da l s oc o d e c o v e r a g eo f d s p i ss a t i s f i e dw i t ht h es p e c i f i c a t i o n 。 t om e e td i f f e r e n tr e q u i r e m e n to fc o - s i m u l a t i o n 、c o - v e r i f i c a t i o na n d t e s t i n gf o rd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) ，a r e u s a b l es o f t w a r e h a r d w a r ec o - v e r i f i c a t i o na n dt e s tp l a t f o r mf o rd s pi s p r o p o s e d u s i n gr e c o n f i g u r a b l e 1 pm o d u l ea n db u s - b a s e d m e t h o d ，r e c o n f i g u r a b l ea n d r e u s a b l eh a r d w a r ep l a t f o r mw a sr e a l i z e d u s i n ge m b e d d e di n - c i r c u i t m o d u l e ( e i c m ) ， r e a l t i m ev e r i f i c a t i o na n dt e s tw a s i m p l e m e n t e d ，u s i n g h i e r a r c h i c a l d e s i g nm e t h o d ， r e c o n f i g u r a b l e s o f t w a r ew a s i m p l e m e n t e d t h ee x p e r i m e n t s r e s u l ts h o w st h a tt h e s o f t w a r e h a r d w a r ev e r i f i c a t i o na n dt e s t p l a t f o r m c a ns i m u l a t ei n s t r u c t i o ns e ta sw e l la s s i m u l a t ea p p l i c a t i o np r o g r a m m e d i a p r o c e s s o rp o s e sn e wc h a l l e n g e sf o rd e s i g n 。f o r - t e s t ( d f t ) ，w i t hd e v e l o p m e n t o f d e s i g n l i t 浙江大学博士学位论文 t e c h n o l o g yo fm e d i ap r o c e s s o ra n da p p e a r a n c eo fh e t e r o g e n e o u sm e d i as y s t e m - o n - c h i p i n t h i s p a p e r , t h ed e s i g nw a yo fh i e r a r c h ya r c h i t e c t u r ei sp r o p o s e d t os o l v et h ep r o g r a mo f c o n t r o lf o rm u l t i t a pa n df l e x i b i l i t yo ft e s t t h ei m p a c to nt o p t a pc o n t r o l l e rs t a t e si s d e c r e a s e da n ds t a b i l i t yi si n c r e a s e db yt h ed e f i n i t i o no fs e l e c t e da n du n s e l e c t e d i n s t r u c t i o nw h e nt e s t - m e c h a n i s mi pm o d u l e sa l et e s t e d ，t h et e s tf i e x i b i l i t yi si n c r e a s e da n d t e s tt i m ei sd e c r e a s e do b v i o u s l yb ya d d i n gi n s t r u c t i o no fd e b u ga n do s e l e c t e da n d b u s - b a s e da c c e s sm e t h o d ，w h e nn o - t e s t m e c h a n i s mi pm o d u l e sa r et e s t e d t h er e s u l t i n d i c a t e dt h a tt h er e v i s e dp a r to ft a pc o n t r o l l e ri n c r e a s e d5 c o m p a r et ot l es t a n d a r dt ap c o m p l e t e l yc o m p a t i b l e w i t hi e e e l1 4 9 1p r o t o c o la sw e l l m d l 6c h i ph a sb e e ns u c c e s s f u l l yt e s t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec h i pc a no p e r a t ea t 1 6 2 m h z 1 8 v , w i t h t h e p o w e rc o n s u m p t i o n o f l 1 m w m h z k e y w o r d ：d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) d f t 巾e s i g n f o r - t e s t ) e l c m ( e m b e d d e di n c i r c u i t m o d u l e ) m o d e lo f i n s t r u c t i o nt r e e s t a t em a c h i n ec o - v a l i d a t i o n i v 浙江大学溥i 擘位论文 1 1 引言 第一章绪论 近年来，集成电路技术获得了极其广泛的应用，根据m o o r e 定律，数字集成电路的规 模以每1 8 个月翻一番的速度持续地发展。随着电路规模的不断增人，集成度的不断增高、 设计技术的不断提高和亚微米、深亚微米技术的不断发展，使得数字信号处理器( d i g i t a l s i g n a lp r o c e 6 s o rd s p ) 的功能越来越强人、芯片越来越小、验证测试越来越凼难。 虽然d s p 处理器的电路规模不断增大，引脚数目不断增多，但是其引脚与芯片的规模 比却不断较少。对于整个d s p 处理器芯片的验证测试，可测性设计方法、测试资源如引脚 等合理安排和使用，对于减少用丁芯片可测性设计的开销和验证测试时间是很重要的。另外， 在验证测试过程中，采用何种验证测试平台，以及测试程序产生方法对于被测d s p 处理器 的测试覆盖率和上市进程也同样至关重要。 本章首先介销了d s p 处理器的发展史和d s p 处理器的技术展望，然后分* q 概述了d s p 处理器的可测性设计方法、测试程序产生和测试平台的设计等。 1 2 d s p 处理器的介绍 数字信号处理器( d 谢删s i g n a lp r o c e s s o r ) 是指利用专用或通用的数字信号处理芯片，以 数字计算的方法对信号进行处理。它具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小 等优点。d s p 已经成为一个新的技术领域和独立的学科体系，当前已经形成了有潜力的产 业和市场。 1 2 1d s p 处理器的发展历程 由于高速数字信号处理算法具体应用的要求同时为维持低成本与低功耗目标，冈此出 现了专门用于数据信号处理的数字信号处理器( d s p ) 。d s p 处理器的发展历程大致分为四个 阶段。 7 0 年代为产品试验阶段i i 咽： 在d s p 出现之前数字信号处理只能依靠m p u ( 微处理器) 来完成。但是m p u 采用冯诺 依曼结构，兆享数据和程序总线，数据运算效率低，同时这些m p u 没有专门的乘法器，乘 法运算需要通过加法的多次迭代多个周期完成，显然无法满足高速实时的要求。网此，到 7 0 年代末蝴，人们提山了采i e f j 独立数据和程序总线( 哈佛结构) 的处理器结构，这种结构可以 很好地消除数据和程序访问的冲突，从而提高处理器的运行效率。世界上第一个d s p 芯片 是1 9 7 8 年a m i 公司宣布的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年i n t e l 公司宣布的商用可编程期间2 9 2 0 是d s p 浙江大学博十学位论文 处理器的一个主要里程碑，但是这两种芯片均没有现代d s p 处理器必备的专门乘法电路， 而1 9 8 0 年，日本n e c 公司推出的u p d 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用d s p 芯片。 8 0 年代为实用d s p 处理器面世，产舳开始普及阶段： 随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年t i 公司推出了首枚真正意义上的商用d s p 处理器1 3 1 ( t m s 3 2 0 1 0 ) ，该d s p 器件采用微米n m o s 上艺技术制作，虽然功耗和尺寸较人， 但是运算速度却比m p u 快了几十倍。结构上其初具现代d s p 处理器的特点，不仅包含了一 些通用指令，而且还包含某些特殊的指令，如并行操作指令，限制寄存器操作和组合等，在 语音合成和编码器中得到了j 1 泛的鹰用。该d s p 芯片的问世是d s p 发展的里程碑，它标志 着d s p 应用系统由概念走向实用，由大型复杂系统向小型化跨进了一大步。 8 0 年代中后期到9 0 年代传统d s p 处理器得突飞猛进发展阶段： 8 0 年代中后期开始，第1 二代d s p 芯片问世，运算速度迸一步提高，其应用范同逐步扩 大到通信、计算机领域。这一阶段的典型d s p 处理器a d s p - 2 1 x x ，t m s 3 2 0 c 2 x x ，m o t o r o l a d s p 5 6 0 x x 系列等”j 。这一代的d s p 处理器的特点每一个周期执行一条指令，有一个乘法累 加器m a c ，1 个a l u 以及其它执行单元，m a c 执行单元可以达剑( 5 0 n s 2 0 n s ) ，功耗较低， 一般采用非流水设计，工作频率可以达到2 0 5 0 m h z 之间，进入9 0 年代以来，d s p 处理 器发展进一步加快，第三代d s p 处理器相继出现，第三代d s p 处理器普遍较高的时钟频率 ( 9 0 1 5 0 m f i z 之间) ，同时增加了一些功能单元，一般采用较短的流水级( 4 级6 级流水之 间) ，加上低功耗设计，从功能单元执行速度上看m a c 执行时间较短( 2 0 n s 8 n s 之问) ，可 在一拍或两拍内完成。此类处理器中典型的产品为a d i 公司的a d s p - 2 1 9 x ，m o t o r o l a d s p 5 6 3 x x i “以及t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 x 1 等。 从9 0 年代末期至今的d s p 体系结构迅速发展阶段： 从9 0 年代后艄到现在，则是d s p 处理器技术迅猛发展的时期，随着半导体下艺的飞速 进步，在单个芯片上可以集成更多的晶体管，这样可以将原先需要多个处理器或协处理器共 同完成的工作集成到一个芯片完成，同时这也使得d s p 处理器可以整合更多总线、接口单 元和硬件防议，从而形成一个完善的片上系统( s o c ) ，因此现代d s p 的设计不仅要从d s p 核体系结构和具体实现方面考虑，而且要从是整个数字信号处理系统的角度考虑。当前第四 代处理器一个最显著的特点是人多采用多发射结构，同时借鉴当前高性能通用处理器的某些 设计方法实现d s p 处理器的设计，并且具有完善的片上外设和总线接口，另外强大的配套 软件开发t 具可以有效降低编程和开发的复杂度和工作量，从而大大提高了总体的性能和系 统的可重用性。在这些多发射d s p 处理器中很多采用超长指令字f v l i w ) 结构，如t i 公司 先后提小了t m s 3 2 0 c 6 2 x j 、t m s 3 2 0 c 6 7 x 、t m s 3 2 0 c 6 4 x j ”d s p 处理器，也有一些公司根 据d s p 的特点衍生的v l i w 变种结构，如a d i 公司则推出了作为一种v l i w 结构变种的名 为静态超标量技术的4 发射t i g e r s h a r c p 州d s p 处理器，摩托罗拉和朗讯公司则推出了基于 变长执行集的s c l 4 0 处理器1 1 “，虽然每个执行集的指令数从一条指令到晟多六条指令不尽 相同，但是这些指令执行的编排是在汇编的时刻静态产生，因此这也是一种v l i w 思想的 变种：当然也有一些处理器采用超标量结构来实现多发射，l s 公司推出的z s p 系列，它们 包括z s p 4 0 0 ，z s p 5 0 0 以及z s p 6 0 0 处理器，其中z s p 4 0 0 ，z s p 5 0 0 为4 发射结构，而z s p 6 0 0 ”j 2 浙江人学辞士学位论文 则为这一系列的高端产品，其采用6 发射结构。 1 2 2d s p 处理器的技术展望 系统集成化： 目前，随着e d a 工具的推广完善和v l s i 设计的普及化以及、f 导体工艺的迅速发展， 在一个硅片上实现一个极为复杂的系统已成为可能。片上存储器的容量大小基本上可以根据 需要从干字节数量级到兆字节数量级字节进行选择，因此原先的一块板、个机箱共至一个 机柜实现的电子系统有可能集成在一块芯片上，大大减少应用设各的体积、成本和功耗，同 时将原先需要固化硬件设备电路实现的功能通过编程实现，增加了系统的可重用性。因此， 各d s p 厂商纷纷采用新工艺，政进d s p 核，并将几个d s p 核、m p u 核、专用处理器单元、 外闱电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上，成为d s p 的片上系统。 控制和计算功能融合： 长捌以来，d s p 一直强调信号处理能力，因为采用数据流和程序运行都是可测的，田 此这种处理器结构设计是为了面向计算密集型的应用，而对控制密集型支持不够。控制密集 型的戍用多要求处理器有丰富的何操作功能，快速的实时响应能力，众多的i o 控制端l 1 ， 快速的数据传输能力。现代的d s p 处理器结构设计中将充分考虑计算密集型和控制密集型 两方面的应用要求，在保证计算处理能力优先的前提下，通过快速的现场切换、多执行部什 并行执行等方式，加强控制类操作的处理能力。另外，对td s p 系统，为更好的支持控制、 管理功能，在原有的直接面向存储器的处理器结构基础上，开始提供可选择配置的c a c h e 和s r a m 存储结构。 指令并行化： 对于早期的d s p ，其通过指令集中某些复合指令支持在单个指令周期中对多个操作指 令进行译码。可以实现算术运算和数据传递的同步并发执行，即是通过开发指令内的并行性 来提高处理器的性能和效率，但是这样不可避免带来指令编码和寄存器结构的异质化，从而 增加了指令译码的复杂度和数据冲突潜在可能性，进而限制d s p 的最高允许工作频率和降 低d s p 的执行效率。囚此某些现代d s p 体系结构设计采用基于单操作指令的多发射结构， 这些多发射结构可以分为超标量处理和v l l w 结构。 对于微处理器来说，其体系结构从c i s c 、r i s c 发展到超标量、超长指令字v l i w 技 术，目的是进一步提高运行速度和性能，而不断进步的半导体生产丁艺为之提供了切实的保 证。事实上，微处理器性能提高的基本技术途径有两种：一是减少机器周期或者减少条指 令执行的机器周期数，二是提高每个周期执行的指令数。前者导致了将原先一级流水就可完 成的各个操作细分为多级完成，形成不断减少各级流水线时延的超流水技术诞生，该技术开 发基r 时间的并行性；而后者导致了超标量和超长指令字v l l w 技术的诞生，该技术开发 基于空间的并行性。 数据并行化： d s p 的运算为数据的密集运算，所有d s p 各种体系结构的尝试其最终目的就是为了提 高处理数据的效率，实现数据的大规模并行处理能力。对于数据的并行化，可以采用s i m d 3 浙江大学博十学位论文 l jm i m d 技术实现。 另外，由rc m o s 的日益进步，处理器功能单元的电路门数对整个处理器成本的影响 已不是很剧烈，因此1 6 位相对于3 2 位d s p 的成本利功耗优势已不是很明显，而3 2 位处理 器的性能则比1 6 位处理器提高很多因此整个d s p 市场迅速向3 2 位过渡。但这并不是说 1 6 位完全将被淘汰，在很多领域j 6 位d s p 处理器已经可以保持足够的精度，卉+ 且很多d s p 运算都可以归位m a c 运算，而m a c 的运算速度是实现处理器高速返算的瓶颈，一个1 6 何的m a c 运算可能要1 2 个周期，而一个3 2 位的m a c 则至少需要3 4 个周媸，显然 在这种情况下用3 2 位处理器取代1 6 位处理器得不偿失，但是如果我们充分利用3 2 位数据 线宽的优势，将灵活的配置成一个3 2 位数据操作、两个1 6 位数据操作或者4 个8 位数据并 行操作。通过在3 2 何处理器中实现对1 6 位操作甚至8 位揲作的支持，这样此3 2 位处理器 在某些隋况下甚至可视为2 个1 6 位或4 个8 位徽处理器作为s i m d 并行运行，这不仅极大 提高运算的效率，而且拓广了3 2 位处理器的使用范围从而使3 2 位处理器在真正意义上成 为市场的主流，因此s i m d 技术也是实现数据并行化的重要手段。 面向可编泽优化的d s p 处理器结构设计： 大多数传统的d s p 采蚪j 汇编编程，在应用程序开发上需耍非常多的时间。编程的效率 问题是复杂d s p 应用系统开发的一个难题，而且随着d s p 系统复杂度的不断增加，使得 d s p 编程的难度进一步加大，这种情况将给汇编语言程序员的开发效率和开发进度带来极 大挑战，故高效的编译器支持成为d s p 设计中的一个迫切需要解决的问题。 对于d s p 的c 编译器设计，一个很严重的问题是d s p 的数据结构和c 语言数据结构不 匹配。另外的问题是传统的d s p 设计没有把可编译性当成一个目标，为降低应用程序存储 容量提高代码功能密度，常常把多个操作集成到一条指令中执行，而这些指令通常为崮定 的1 6 何比变，不可避免带来指令的非正交化，对于某些多操作指令，专门的寄存器干特殊 的限制隐含在指令中极大地增加了编译器设计和寄存器分配难度。 对于以上问题，解决方法主要为：第一，扩展c 语言结构，如支持1 6 位整型、分数类 型数据格式，多个存储器空间以及s i m d 执行集，这样虽然可以提高编译器生成代码的质最， 但是会带来编译器的专用化问题，不利于代码的移植。第二，m a t l a b 二l 具常用于d s p 算 法的仿真，所以可以基于m a t l a b 构建编译器如b o p s 编泽器，这样可以较好提高生成汇 编代码的效率。第三，可以采用张量代数方法实现算法的优化，开发算法的并行性，只是它 需要算法设计者编写初始的实现算法。第四，采用内建库的方式，将一些具体的应用如f i r 、 i i r 、f f t 、d c t 等算法做成可重用的库，每次编译时调用，这样以来控制部分可以采蚪jc 语言编写，而计算部分可以通过直接凋用库方法生成。最后，采用c 语言和汇编语言混合 编程方式，这种方式可视为商级语言编程和汇编编程的一种折衷，其开发效率也时一种折衷。 编泽的最终结果应该基于结构、性能、代码密度和功耗方面做出权衡，然后选择一个某 种条件下的虽优结果。随着系统开发过程中软件开发地费用增加，d s p 处理器设计正在经 历重大地转变，现代的d s p 处理器结构将会越来越多地面向编译优化进行设计。d s p 编泽 器地设计也会更加注重与对s i m d 和m i m d 这些更高数据和指令并行度的结构进行优化编 译，编译器可能成为d s p 系统中最重要的部分。对于d s p 处理器设计过程中的三个重要方 4 浙江大学博j 学位论文 面：编泽优化方法、指令级构架设计、d s p 处理器微结构设计，需要在设计过程进行全面 的研究，最终的d s p 处理器设计将是这三个方面综合考虑、循环迭代的最优结果。 1 3 可测性设计方法 芯片测试的功能主要是通过控制和观察电路中的信号，以确定电路是否正常 ：作。闪此， 芯片的测试技术也就涉及剑可控性和可观察性这两个基本概念。目前芯片测试方法面临的主 要问题有两个：首先由丁系统芯片中含有人量电路节点，不可能通过对芯片进行全功能测试 米确定电路是甭存在故障，以往的通过在电路中引入测试点米增加仃点的可控性和可观察性 的方法，由于在一块芯片上集成了整个系统单元，芯片的引脚个数披人人限制，从而使被引 的测试点也极其有限；其次传统的集成电路测试时所运行的测试速度低于芯片正常1 = 作的 运行速度。在芯片测试时，经常小现芯片在测试状态下运行良好，但却在正常速度下出现故 障，这种情况在深亚米芯片中尤为明显。 可测试性问题包括故障模型的建立、测试结构、测试矢量生成等。而设计时必须考虑的 可测试胜问题主要是测试结构，即如何在电路中增加测试结构以方便芯片的测试。闪此，本 章主要讨论测试结构的没计问题。 从测试结构上分，可测性设计的方法有多种，当前所采用的测试方法主要有功能点测试 法3 “、基于扫描链的测试法 ”2 、内嵌自测试法1 2 1 。”、边界扫描法【2 ”7 】以及在线模拟测 试法”“”j ，f 面分别简单介绍： 1 3 1 功能点测试技术 功能点测试技术可h j 于特殊电路和单元的测试，但它不能解决成品电路的测试筛选问 题。功能点测试技术是针对个已定型的电路设计中的测试问题而提出的。该技术有分块、 增加测试点、利用总线结构等几种主要方法。 分块法采用的技术有机械式分割、跳线和选通门等。机械式分割是将电路一分为二，并 以此细分下去，这样虽然使得测试生成和故障模拟的工作量减少，但却不利于系统的集成， 费用也人人地增加。采用跳线的方法则会引入大量的i o 端口。而选通门的方法需要在设汁 中引入大量的输入输出端口以及完成选通功能所需的模块。 增加测试点是提高电路可测性最直接的方法，如图1 1 。其基本方法是通过将电路内部 难以测试的结点引出，作为测试结点，如果测试结点用做电路的原始输入，则可以提高该电 路结点的可控性：如果测试点用做电路的原始输出，则可以提高该电路的可观察性。该方法 的缺点是由于引脚数的限制，所能引入的测试点数目非常有限。 利用总线结构类似于分块法，它将电路分成若干个功能块，并且与总线相连，可以通过 总线测试各个功能块，改进各功能块的可测试性。这种方法的缺点是不能检测总线自身的故 障。 5 浙江人学博十学位论文 忭、! 驳 7 u 、 7 ，重 小j ：厂 闻一川 刊竺p 一l tj i 图1 j 功能点测试示例 功能点测试技术的缺点在于它不能解决成品电路的测试筛选生成问题，只能用来辅助分 析调试；另一方面，它需要在电路中每个测试点增加可控的输入端和可观察的输出端+ 也因 此增加了附加的连线和i 0 端口。 1 3 2 基于扫描技术的结构化测试方法 结构化可测试性技术对电路结构进行总体上的考虑，只增加了用于测试内部逻辑电路， 就可以访问芯片内部的电路结点。而且它按照一定的d f t ( d e s i g n f o r t e s t a b i l i t y ，可测试性设 计) 规则进行测试电路设计，具有通用性和自动化程度高的特点。 厂磊话疆j i j 勇酹丽j 1正常模式，输入 l_j一一+ 囤1 2 内部扫描示意图 扫描技术是指通过将电路中任一结点的状态移进或移出来进行测试定位的手段，其特点 是测试数据的串行化。通过将系统内的寄存器等时序元件重新设计，使其具有可扫描特定， 6 浙江大学博士学位论文 这样测试数据从芯片端口经由移位寄存器等组成的数据通路串行移动，井在数据输出端对数 据进行分析，以此提高电路内部结点的可控制性和可观察性，达到测试芯片内部结点的目的， 其r u 路如图1 2 所示。扫描技术又分为全扫描技术、部分扫描技术和边界扫描技术。 全扫描技术就是将电路中的所有触发器用特殊设计、具有扫描功能的触发器代替，使其 在测试时链接成一个或多个移位寄存器连。这样，电路在测试时分成可以进行分别测试的纯 组台电路和移位寄存器链，电路中的所有状态可以直接从原始输入到输出端得到控制和观 察。全扫描技术可以显著的减少测试生成的复杂度利测试费用，但这是以面积和速度为代价 的。 部分扫描方法只选择一部分触发器构成移位寄存器链，降低了扫描技术的芯片面积消 耗，减少了测试时间。但其对电路的测试是不完全的。 1 3 3 边界扫描技术 图1 3j t a g 边界扫描结构 边界扫描技术是各j c 制造商支持和遵守的一种扫描技术标准，起先主要用于对印刷电 路板的测试，它提供一个标准的测试接口简化了印刷电路板的焊接质量测试。为了支持所有 的测试情况a s i c 芯片测试、表面封装p c b 板测试、系统诊断等，国际上计算机、通信 及、j ，导体厂家联合成立测试行动组j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) ，并于1 9 8 0 年提出标准的 边界扫描体系结构。其2 0 版j ! | 1 4 试总线已成为i e e e l l 4 9 1 标准成为标准化测试的明显起 点。j t a g 测试结构基于边界扫描路径原理，只增加了5 个专门的测试引脚：测试时钟t c k 、 测试模，选择信号t m s 、测试输入t d i 、测试输出t d o 和测试复位信号t r s t ( t r s t 为 可选信号) 。其测试逻辑土要由测试接入口t a p ( t e s t a c c e s sp o r t ) 和边界扫描链组成。其结构 7 浙江大学博上学位论：定 如图1 3 所示。通过在芯片内部测试点上添加边界扫描单元，j t a g 协议也可用于s o c 芯片 的测试中。同时，通过j t a g 方式，具有j t a g 端口的多个芯片可以连接在一起进行统一的 测试。 1 3 4 内建自测试技术 内建门测试( b i s t ，b u i l t i ns e l f t e s t ) 是指利用电路的一部分完成电路本身的测试功能。 由于测试码是在电路内部产生，所以人人简化了测试- 作，并且不需要价格昂贵的测试设备， 节省了测试费用。b 1 s t 可以分为t e s t - p e r - c l o c k 和t e s t p e r - s c a n 两种方法。t e s t p e r - c l o c k 方 法的测试码在产生后都要被串行的移到扫描寄存器中，每次的响应结果也要串 j 移出到分析 器中，会浪费大量的时间。而t e s t p e r - s c a n 方法是按照时钟频率丁作的，只有在测试结束后 才会把测试结果串行移山，但是测试电路比t e s t p e r - c l o c k 方法复杂。 b i s t 技术源于激励一响应一比较的测试机理，b i s t 主要能在芯片正常j 二作运行速度下进 行测试功能以及能够检测功能故障和非模型故障。b i s t 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山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。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 响应输m 来判断被涮电路是否有故障。因此，对电路进行b i s t 测试时，需要增加三个硬件 部分：测试序列生成器、响应监测器和测试控制器，如图1 4 所示。 在进行内建白测试时应考虑四个方面的因素：首先是故障覆盖率：测试序列生成器生成 测试码可检测的故障占可能故障的比例。其次是测试集的大小：测试序列生成器生成的测试 码数目，一般是人的测试集对应高的故障覆盖率，但也会使故障的延迟增加；然后是便什开 销：内建自测试需要额外的硬件；最后是特性损失：内建自测试硬件对正常的电路行为有影 响。 图1 4b s t 测试电路 目前，b i s t 主要应用于存储器的测试中，姬过b i s t 电路可以很方便的对存储单元的 存取功能进行测试。对其它逻辑电路也可以采用b i s t 测试，但逻辑b i s t 电路并不常用， 8 浙江夫学博士学位论文 因为原有的扫描技术和测试设备也在更新和发展，仍然能够满足较多大规模芯片的测试需 求。 1 3 5 在线模拟测试技术 在线模拟测试技术作为带有微处理器的系统调试中的关键部分，越来越多地被微处理器 和s o c 芯片所采用。包括在线模拟测试模块的微处理器芯片，除了具有原有微处理器的所 有功能以外，还将跗带有支持在线的实时验证和调试功能。例如，在微处理器系统完全自主 正常上作的条件下，对系统可采取单步、断点和内部资源设置、读取等调试方法。因为采用 在线调试模块的调试方法不需要对彼调试系统增加其它的设备或电路，而且能保持被调试系 统完全自主的正常- l = 作。调试中所获得的系统状态或故障是系统真实工作的充分反映，能够 达到最大的调试准确性和调试效率。其结构框图、扫描链选择单元如图1 5 所示。 幽1 5 在线测试模块框图 该技术在标准j t a g 协议的基础上，结合内部扫描技术，采用移位寄存器方式将电路中难 以测试的关键节点的信号串行输出，这样便可直接观察到内部的信号。采片 这项技术会大人 提高整个电路调试的效率和测试的覆盖率。 1 3 6 各种测试技术的特点 功能点测试方法： 9 浙江大学博上学位论文 功能点测试方法在需