（电路与系统专业论文）基于51IP核SoC的设计与应用[电路与系统专业优秀论文].pdf

山东大学硕士学位论文 | 自目_ e i 目i 目_ 目e 目! 目_ 自自| _ i n p , , ! | _ i _ g j 自目| ! i ! j e _ a s i c 汀p g d f r d r c e d a f s m g d s i i g v c h d l i c 口 i s p l 江b i s t m c u r a m r o m s d c s d f s f r s o c s p i s t a t c l v l s l w d t 符号说明 a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t a u t o m a t e dt e s tp r o g r a mg e n e r a t i o n d e s i g nf o rt e s t d e s i g nr u l ec h e c k e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n f i n i t es t a t em a c h i n e g e o m e t r i cd a t as t r e a mi i g a sv o l u m ec o n t r o l l e r h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e i n t e g r a t e dc i r c u i t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y i n - s y s t e mp r o g r a m m i n g m e m o r yb u i l t - i ns e l f - t e s t m i c r oc o n t r o l l e ru n i t r a n d o ma c c e s sm e m o r y r e a do n l ym e m o r y s y n o p s y sd e s i g nc o n s t r a i n t s t a n d a r dd e l a yf o r m a t s p e c i a lf u n c t i o nr e g i s t e r s y s t e m o n a c h i p s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e s t a t i ct i m i n ga n a l y s i s t o o lc o m m a n dl a n g u a g e v e r yl a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n w a t c hd o gt i m e r 专用集成电路 自动测试程序产生 可测性设计 设计规则检查 电子设计自动化 有限状态机 几何数据流格式i i 油量控制器 硬件描述语言 集成电路 知识产权 在系统可编程 存储器内建自测试 微控制器 随机存储器 只读存储器 s y n o p s y s 设计约束 标准延时文件格式 特殊功能寄存器 片上系统 串行设备接口 静态时序分析 工具命令语言 超大规模集成电路 看门狗定时器 3 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本入承担。 论文作者签名：蛊遮兰 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蛊拯三导师签名： 山东大学硕士学位论文 摘要 改革开放以来，随着我国经济建设和交通运输事业的迅速发展，加油站遍布 全国城乡，成品油销售量逐年增加。国内现有的税控加油机的计量微处理器大部 分是由单片机构成，外加必要的分立元件。虽然税控加油机的研发走过了漫长的 道路，但仍旧还有很多问题有待分析和解决。 本项目设计实现的g v c ( g a s - v o l u m e c o n t r o l l e r ) 芯片是税控加油机主板的 核心s o c 芯片。在完善税控加油机控制器功能的基础上，复用d w 8 0 5 l 口核， 片内集成了存储器与接口模块，不仅实现加油机相关的控制功能，而且提高了主 板芯片的集成度，简化了主板的设计，硬件简单，显著提高了可靠性和抗干扰能 力，改善了系统的电磁兼容特性。 本学位论文所作的研究工作主要是在对d w 8 0 5 l 与税控加油机工作原理进行 深入研究的基础上，根据税控加油机的特殊应用要求，论述了系统的设计、验证、 综合、时序分析、等价性验证与可测性设计( d f r ) 等方面的内容。 本文对g v c 芯片进行了顶层功能和结构的定义与模块划分，给出了各个子 模块及顶层模块的详细结构、具体设计及仿真结果，设计中考虑了功耗以及面积、 速度等因素：在系统进行了集成以后，本文对顶层设计进行了综合与时序分析， 并给出了相应的步骤与结果，所得的结果完全符合我们的要求；本文的另一项工 作就是对设计进行了d f t 的设计，插入了扫描链，覆盖率分析表明，d f t 设计 也完全达到了设计的要求，文中也同时给出了d f t 设计的步骤以及生成测试图形 的步骤；此外，本文给出了仿真验证平台与部分验证结果，并且对门级网表进行 了必要的等价性验证，给出了相应的步骤与结果。 验证的结果表明，g v c 芯片的设计达到了本课题要求的目标，并且已经交付 后端，由后端人员完成了布局布线与必要的验证。并且，最终实现了时序收敛， 完成了整个芯片的设计验证工作，在更详尽的功能验证、f p g a 验证、后仿真完 成以后，即可交付f o u n d r y 厂进行流片。 关键词：g v cs o cd w 8 0 5 1综合s t ad f r 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t g a ss t a t i o n sh a v ec o v e r e da l lo fo u rc o u n t r yw i t ht h es p e e d yd e v e l o p m e n to f e c o n o m y t h er e v e n u e c o n t r o ld e v i c eo ff u e ld i s p e n s e rh a sg o n ea c r o s sa l o n gw a y , b u t m a n yp r o b l e m sn e e dt ob es o l v e d t h eg v c ( g a s v o l u m e - c o n t r o l l e r ) c h i pi st h ec o lec h i po ff u e ld i s p e n s e rw i t h r e v e n u ef u n c t i o n w ei m p r o v e dt h ei n t e g r a t i o nd e g r e eo ft h em a i n b o a r dc h i p sw h e n i m p l e m e n t i n gt h ec o n t r o lf u n c t i o no ff u e ld i s p e n s e r s o ，t h em a i n b o a r dw i l lb e c o m e s i m p l e r , a n di t ss e c u r i t ya n de m c w i l lb ei m p r o v e da tt h es a m et i m e t h ep a p e rd i s c u s s e st h ec h i ps y s t e md e s i g n , v e r i f i c a t i o n , s y n t h e s i s ，s t aa n dd 丌 f o rg v c c h i p ，b a s e do ng o i n gd e e pi n t or e s e a r c h i n gt h et h e o r i e so fd w 8 0 5 1a n df u e l d i s p e n s e r f i r s t l y , t h i sp a p e rs t a t e st h ef u n c t i o n so fg v cc h i p ，a n dp a r t i t i o n st h em o d u l e so f t h et o pm o d u l e w ew o r k e do u tt h ed e t a i ls t r u c t u r eo fe a c hm o d u l e ，t h es i g n i f i c a n t p a r t si nd e s i g n , a n dt h er e s u l t so ff u n c t i o ns i m u l a t i o n i nt h i sp r o c e s s ，t h ep o w e r , a r e a , a n ds p e e dh a db e e nc o n s i d e r e d s e c o n d l y , a i l c rt h ei n t e g r a t i o no fc h i ps y s t e m , t h i s p a p e rd i s c u s s e st h es y n t h e s i sa n ds t af o rg v cc h i p ，a n dg i v e so u tt h er e l e v a n t a p p r o a c h e sa n dr e s u l t sw h i c h a c c o r dw i t ho u rd e m a n dc o m p l e t e l y t h i r d l y , t h ep a p e r d i s c u s s e st h ed e s i g nf o rt e s t w ei n s e r t e da c a nc h a i ni n t og v c c h i p ，a n dg a v eo u tt h e p r o c e s so fd f ta n da t p gt h e t e s tc o v e r a g er a t i oi n d i c a t e st h a td f t d e s i g nr e a c h e s o l l l d e m a n d f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e rg i v e so u tt h ef u n c t i o ns i m u l a t i o nf l a ta n dt h es o m e r e s u l t so fs i m u l a t i o n , a n dp u t su pt h ef o r m a lv e r i f i c a t i o nf o rg a t el e v e ln e t l i s t s t h ev e r i f i c a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e s i g no fg v cc h i ph a sa c h i e v e d0 1 1 1 r e q u i r e m e n t a n db a c k - e n d 脚n n e lh a v ec o m p l e t e dt h ew o r ko fl a y o u ta n d n 潞s a r yv e r i f i c a t i o n f i n a l l y , w ea c h i e v e dt i m i n gc o n v e r g e n c e 2 k e y w o r d s ：g v c s o cd w 8 0 51 s y n t h e s i s s t ad f t 山东大学硕士学位论文 1 1 税控加油机的发展 第一章绪论 改革开放以来，随着我国经济建设和交通运输事业的迅速发展，加油站遍布 全国城乡，成品油销售量逐年增加。由于加油站经营方式和进货渠道复杂，许多 加油站财务制度不健全，致使成品油的销售数量和金额无法准确掌握，造成国家 税款大量流失。为了加强加油站的税收管理，强化税源监控，堵塞税收漏洞，规 范计量器具的制造，打击成品油流通领域的违法活动，维护消费者的合法权益， 同时配合国家实施道路和车辆收费改革，做好成品油市场的清理整顿工作，根据 国务院办公厅转发国家经贸委等部门关于清理整顿小炼油厂和规范原油成品油 流通秩序意见的通知的有关规定，国家税务总局和国家质量技术监督局联合下 发了关于加油机安装税控装置和生产使用税控加油机有关问题的通知( 国税发 【1 9 9 9 1 1 1 0 号) 和关于推行使用出租汽车税控计价器有关问题的通知( 国税发 【1 9 9 8 1 6 4 号) ，规定从2 0 0 0 年1 月1 日起不得再生产、销售非税控加油机和非税 控计价器，决定对全国现有加油站加油机安装税控装置，并组织生产和使用税控 加油机。虽然税控加油机的研发走过了漫长的道路，但仍居还有很多问题有待分 析和解决。 税控加油机电子部分主要由电源模块、税控模块、接线模块、开关、控制模 块( 或称为加油机控制器) 、传感器、显示模块、键盘及显示、实时时钟等组成。 计量微处理器是控制器的核心，监控微处理器是税控模块的核心【1 】【2 】，其中监控 微处理器由国家统一监管生产。计量微处理器和监控微处理器通过通讯接口协调 工作，控制加油机的正常运行嘲。 国内现有的税控加油机的计量微处理器大部分是由单片机( 8 9 c 2 0 5 1 、8 0 c 3 2 、 8 7 c 5 2 等) 构成，外加油量检测电路、电机启停控制电路、键盘处理电路( 如 m m 7 4 c 9 2 2 ) 、显示电路( 如n j u 6 4 3 3l c d 驱动器) 、数据存储电路、日历时钟 电路( 如m c 6 8 h c 6 8 t i 、d s l 3 0 2 、d s l 2 c 8 8 7 等) 、串行通信电路等 4 山东大学硕士学位论文 1 2 片上系统的现状 从分立元件到集成电路再到片上系统( s o c ) ，这是微电子领域的重大革命。 2 l 世纪，集成电路将进入s o c 时代【4 1 。s o c 就是将微处理器、模拟i p 核、数 字i p 核和存储器( 或片外存储控制接口) 集成在单一芯片上。它通常是客户定制 的( c s i c ) ，或是面向特定用途的标准产品( a s s p ) 。 s o c 是面向特定用户的能最大满足嵌入式系统要求的芯片，因而具有很多优 势：能极大改善功耗开销，可减少印制板上部件数和管脚数，减少板卡失效的可 能性，有利于板卡的性能改善( 由于片内连线缩短) ，降低风冷要求，减少系统开 发商成本，尤其适合数字化产品开发，如手持设备、信息家电等。 s o c 芯片是一个复杂的系统，为了在规定时间完成设计，并提高设计的可靠 性，只有依赖基于口核复用的s o c 设计方法。m 核特指经过验证的各种超级 宏单元模块电路。虚拟器件接口联盟( v s i a ) 根据设计层次，将m 核划分为三个 层次：软核、硬核和固核。软核通常以h d l 形式提交，硬核指经过预先布局且 不能由系统设计者修改的i p 核，固核由r t l 的描述和可综合的网表组成。在 这三个层次中，硬核性能最优但适应性较差，软核灵活性大、可移植性好。一般 来说，疋核必须具有以下特征【5 】= 可读性；设计的衍展性和工艺适应性；可测性； 端口定义标准化；版权保护。 s o c 设计中的m 核复用研究重点在于开发适合应用需求的片上总线结构 形式，并将系统中各个模块以最简洁的接口形式外挂在总线上，实现m c u 核对 外围设备的访问。片上总线需要具备如下三个特征【6 】： 片上总线要尽可能简单。 片上总线有较大的灵活性由于片上系统应用广泛，不同的应用对总线 的要求各异，因此片上总线具有较大的灵活性。 片上总线要尽可能降低功耗。 片上总线有两种实现方案，一是选用国际上公开通用的总线结构：二是根据 特定领域自主开发的片上总线。本文所涉及的5 l 核s o c 应用芯片是采用工业 标准的8 0 5 1 核内总线架构形式，具备文中所述三个特征，因而在8 位s o c 系 5 山东大学硕士学位论文 统设计领域获得广泛的关注，其辛要有两种总线类别：存储器( m e m ) 总线和特殊 功能寄存器( s f r ) 总线，分别用于核内、片内存储器以及外围设备的扩展。 1 3s o o 设计的典型流程 s o c 典型的设计流程如图l 所示。在g v c 项目中，我们丰要使用的是s y n o p s y s 公司全流程的a s i c 设计工具。 系 统 及 电 路 级 设 计 图1s o c 设计的基本流程 集成电路设计流程大致可以分为三个阶段【7 】： 第一阶段：根据社会需求，提出设计目标，定义设计项目的功能。在这一阶 段，社会需求调研、市场分析、设计开发投资风险、功能定义、性能指标、投片 成本等问题，需要决策层给出项目建议书。 第二阶段：集成电路设计阶段。由i c 设计者根据开发时间、成本、功能、 性能需求，选择不同的设计技术方案。针对s o c 的设计，这一阶段，设计者要充 分考虑口的复用问题，选择合适的口核，并能够按照设计，将自己的设计提取 为可复用的口核，供以后使用。 6 山东大学硕士学位论文 第三阶段：投片生产。选择合适的f o u n d r y 厂商，根据不同的半导体工艺， 生成版图，进行时序仿真、功能仿真，仿真通过后，即可根据版图上生产线。 1 4 本文的主要工作以及章节安排 本项目设计流片的g v c ( g a s v o l u m e c o n t r o l l e r ) 芯片是税控加油机丰板的 核心s o c 芯片。在完善税控加油机控制器功能的基础上，本项目复用d w 8 0 5 1i p 核，片内集成了r o m 、r a m 、1 2 c 、看门狗、外设控制端口等各个功能接口模块， 不仅实现加油机相关的控制功能，而且提高了主板芯片的集成度，简化了主板的 设计，硬件简单，降低系统的故障发生概率；显著提高可靠性和抗干扰能力，改 善系统的e m i ( 电磁兼容) 特性。 本学位论文所作的研究是在对d w 8 0 5 l 工作原理进行深入研究的基础上，根 据税控加油机的特殊应用要求进行设计，并且在c h a r t e r0 3 5 u m 的特定工艺库上， 论述了系统的设计、验证、综合、时序分析与形式化验证、可测性设计( d f t ) 等方面的内容。 本文的章节安排如下： 第一章绪论。主要介绍有关税控加油机的发展现状，并且简要介绍了s o c 设计的现状和流程； 第二章g v c 芯片设计。主要详细介绍了g v c 的结构特点、s p e c 定义、模块 的划分以及各个模块的功能与设计等； 第三章逻辑综合的策略与实现。主要介绍了基于c h a r t e r0 3 5 u r n 工艺库的 g v c 芯片的综合过程，介绍了时序约束、综合策略、设计优化等内容； 第四章可测性设计的实现。本章主要介绍了芯片的测试结构、测试协议、 测试规则以及测试向量的生成，实现了较高的测试覆盖率； 第五章芯片的验证方法与实现。本章主要介绍了s o c 的验证方法学，并且 基于此方法学建立基于v e r i l o g 语言的t e s t b e n c h 。给出了验证的思想、目标和结果。 同时也给出了静态时序分析与形式化验证的方法和结果： 第六章结束语，主要介绍了对全文以及项目工作的总结和展望。 7 山东大学硕士学位论文 第二章g v c 芯片设计 2 1 芯片系统级设计 在对税控加油机功能进行深入分析的基础上，我们设计的g v c 芯片作为实 现加油机相关控制功能的s o c ，应当具有以下特点： 芯片集成输入信号处理、油量计量与存储、加油控制、数据显示以及与 监控芯片通信等加油机所需控制功能； 油量计量与数据存储完全符合税控燃油机鉴定大纲的要求； 完全符合国家税控燃油加油机专用监控微处理器的接口协议； 芯片内嵌8 0 5 1 c p u ，其指令与5 l 系列单片机兼容； 芯片具有1 2 c 总线接口模块，可实现与1 2 c 接口存储器的直接挂接； 芯片内置看门狗。 根据制定的g v c 芯片的基本功能要求，对g v c 芯片的功能与模块进行定义 与划分【l o 】【i l 】。图2 即是g v c 芯片的顶层模块结构图。 图2g v c 芯片项层模块结构 山东大学硕士学位论文 g v c 芯片是一个全数字的集成电路芯片，芯片完全使用同步设计m 】，降低 了设计的难度与风险【m l 。芯片主要围绕d w 8 0 5 1 核进行外围设备的设计，通过存 储器总线与s f r 总线将外围设备与d w 8 0 5 1 进行集成。系统主要包括d w 8 0 5 1 核、1 2 c 串口模块、存储器、外设小系统( 键盘、显示、语音、通信接口、看门 狗等) 、在系统编程( i s p ) 、存储器内建自测试( m b i s t ) 以及相应的时钟与复位 产生电路等。设计使用的描述语言为v e r i l o g 硬件描述语言。 2 2d w s 0 5 1 模块 由于m s c 5 1 系列单片机的广泛应用，在集成电路s o c 设计领域，许多公司 开发了专用的i p 核。d w 8 0 5 1i p 核是由s y n o p s y s 公司开发的商用软核，配合其 完善的i c 设计与验证平台，在s o c 设计方面得到了广泛的应用。它具有如下主 要特征【8 】【1 2 l ： ( 1 ) 兼容工业标准的8 0 3 x 8 0 5 x ： 标准的8 0 5 1 指令集 可选的全双工串口 可选的第三个可编程定时计数器 标准的8 0 3 x 8 0 5 xi o 口控制信号 ( 2 ) 高速内部结构 指令周期为4 个系统时钟周期 指令执行速度是标准8 0 5 1 的2 5 倍 在0 1 8 u r n 工艺下工作时钟频率可达1 6 6 m h z 减少了总线的访问时间 ( 3 ) 双数据指针 ( 4 ) 参数化的内部r a m 地址范围，可根据需要进行配置 ( 5 ) 参数化的内部r o m 地址范围，可根据需要进行配置 ( 6 ) 通过s f r 总线接口，方便用户外围设备的扩展 ( 7 ) 1 6 位存储器寻址接e l ( 8 ) 针对不同r a m ，支持可变指令周期长度的m o v x 指令 9 山东大学硕士学位论文 ( 9 ) 全同步设计 ( 1 0 ) 支持工业标准的编译器，汇编程序，以及r o m 调试设备 d w 8 0 5 1 核的这些特点，融合s y n o p s y s 公司标准的i c 设计流程以及全流程 的设计与验证工具支持，再加上工艺厂商对s y n o p s y s 公司开发平台的强大支持， 使得设计者能在较短的时间内完成s o c 芯片的设计。因此，本文的应用设计也采 用了成熟的d w 8 0 5 1i p 核。 本文使用的d w 8 0 5 l 版本为3 7 0 a ，相应的配置工具为c o r e c o n s u l t a n t ( v e r s i o n 2 0 0 4 0 3 ) ，主要完成计算和控制功能。根据系统要求，d w 8 0 5 1 配置为6 个中断 源、2 5 6 b 的内部r a m 接口、3 2 k b 的内部r o m 接口、1 个r s 2 3 2 串口、3 个计 数器。综合完毕后即可得到d w 8 0 5 1 的门级网表。d w 8 0 5 l 的结构框图如图3 所 示。 t 1 t 。翻n f l _ o 心 t 2 戢 愠口| t 图3d w 8 0 5 1 核的结构框图 d w 8 0 5 1 预留了外围设备的接口，提供了i r a mb u s 、i r o mb u s 、m g l i lb u s 、 s f rb u s 等总线，可以让设计人员灵活的设计各种外围设备。 1 0 锄一一一 刚一矗一一一 山东大学硕士学位论文 2 3 存储器模块 g v c 芯片的内部存储器主要有三个。一个2 5 6 8 b i t 的异步r a m 作为 d w 8 0 5 1 的内部洲；一个5 1 2 8 b i t 的异步r a m 作为d w 8 0 5 1 的外部片上 r a m ，用于暂存程序运行时的中间计算结果；一个3 2 k 8 b i t 的o t p r o m 作为 d w 8 0 5 l 的内部程序存储器，用于存储d w 8 0 5 1 的运行程序。 l 、内部r a m 的连接 图4 是d w 8 0 5 1 与内部异步r a m 的连接图，粘连逻辑的存在使r a m 的写 使能出现在c l 周期( 一个机器周期的第一个时钟周期) 中间的时钟下降沿，并 且此时i r a mw e ln 与i r a mw e 2n 同时有效。图5 是d w 8 0 5 1 对内部的异步r a m 进行读写操作时的时序图。读操作发生在c 4 周期起始时的时钟上升沿处，地址 在c 3 周期有效，因此，允许r a m 最大有一个时钟周期的存取时间。 图4 内部异步r a m 与d w 8 0 5 1 的连接图 2 、内部r o m 的连接 d w 8 0 5 1 最大可以连接6 4 k b 的内部r o m ，本设计中使用3 2 k b 的内部r o m ， 但是i r o ma d d r 总线仍然为1 6 b i t s ，最高位始终被置位为0 。内部r o m 的接口 信号有i r o ma d d r 、i r o mr dn 、i r o mc sn 和i r o md a t ao u t 。图6 给出了内部r o m 的接口时序。内部r o m 的读操作可以只用地址驱动，此时i r o m r d n 和i r o m c s n 始终为低电平，r o m 的读取时间可以达到3 个时钟周期。 山东大学硕士学位论文 c 3 x “xc 1x c 2 x j il1il广 r da d d rxw i a d d r) ( ：7 强 r c a 0 d a t ax 7 ，? ，? ，? 7 ，? ，f ，f ，7 ，艨 0 , 3 1 , 3 一i n y ? ， r e a dd a t am u s tb ev a l i d嘲 图5d w s 0 5 1 对内部异步r a m 的读写时序 c y c l e c i i 厂 厂 厂 厂 厂 确a d d r 确r dn 厂一 i 嘣t 1 锋n 咖由妇! d u l 一 (0 0 0 8) (1 翌x 0 9 i ( 0 0 ( z z( i即( 忍x7 5xl - - x：琵；8 6 ( o 图8d w 8 0 5 1 对外部存储器的读时序 1 3 山东大学硕士学位论文 7 厅厅厅nhh 门几hh7 力门厅厅 l c lc 2c 3c 4c 1c 2c 3 i ( 二4c 1c 2c 3c ac 1l c 2c 3c 4 if。 ( 0 0 嘲删 咀j u 帆 x弘埘xu u u b iji ( 0 0 ： 5 5 i ( z zxf o g _ z 1 5 z z 8 6 ( 0 图9d w 8 0 5 1 对外部存储器的写时序 2 4s f r 总线接口译码模块 d w 8 0 5 1 通过s f r 总线与外设模块进行通信，d w 8 0 5 1 共可以提供1 2 8 个特 殊功能寄存器，这些寄存器的地址与内部r a m 的高1 2 8 字节地址重叠，通过不 同的地址访问方式进行区别，其中部分特殊功能寄存器是由d w 8 0 5 1 核内部保留 使用的，不分配给外设使用。s f r 总线接口模块给每个外设模块所使用的寄存器 分频一个未使用的s f r 地址，表l 给出了可以使用的s f r 地址【9 】【5 2 1 。根据g v c 芯片的功能要求，芯片中共使用了l o 个特殊功能寄存器，给它们分配的s f r 地 址如表2 所示。 表1d w 8 0 5 | 核中未使用的s f r 地址 8 0 h9 0 h9 3 h 一9 7 h9 a h 一9 f ha o h a 7 h a 9 h a f hb o h b 7 hb 9 h b f hc 2 h c 7 hc 9 h c e hc f hd l h d 7 h d 9 h d a h d f h e l h e 7 l ie 9 h e a h e f hf l h f 7 hf 9 h f f h 注：地址8 0 h ，9 0 h ，a 0 h 和b o b 在没有使用与标准8 0 5 1 兼容的p o 、p l 、p 2 和p 3 口的情况下可用。以0 或8 结尾的地址可以位寻址。 1 4 山东大学硕士学位论文 表2 外设寄存器的s f r 地址 寄存器名称地址描述 k e y9 3 h 键盘扫描端口寄存器 l c d9 4 h l c d 数据u 寄存器 1 2 c19 c h 1 2 c 模块分频寄存器a 1 2 c29 d h1 2 c 模块分频寄存器b 1 2 c39 e h1 2 c 的控制、状态寄存器 1 2 c4 9 f h 1 2 c 的数据发送、接收寄存器 c t r l l8 0 h 控制i - 1c t r l i 寄存器，可位寻址 c t r l 29 0 h 控制口c t r l 2 寄存器，可位寻址 ( 1 r 1 3a o h 控制口c f r l 3 寄存器，可位寻址 c t r l 4b o h 控制口c t r l 4 寄存器，可位寻址 根据d w 8 0 5 1 的功能，s f r 接口的结构原理框图如图l o 所示。 图1 0s f r 接口模块结构原理图 所有的s f r 读操作都在一个机器周期的c 3 段进行，s i j rr d 信号在c 3 内有效 s f r d a t a i n 选择正确的外部数据，在c 3 结束时将数据读入d w 8 0 5 1 。所有的写操 1 5 山东大学硕士学位论文 作在机器周期的c 1 段进行，s f rw r 信号在c l 期间有效，s f rd a t ao u t 的数据在 c l 末尾被锁存到外设寄存器中。s f r 接口译码模块的仿真波形图如图l l 所示。 2 5i2 c 接口模块 2 5 11 2 c 协议描述 图1 1s f r 模块的仿真波形图 1 2 c 总线是一个多丰机的总线，使用串行数据线( s d a ) 和串行时钟线( s c l ) 在总线上传递信息。每个器件都有唯一的标识地址，而且都可以作为一个发送器 或者接收器。当连接在1 2 c 总线上的多个主机器件同时传输数据时，通过仲裁来 避免混乱。如图1 2 ，s d a 和s c l 都是双向线路，通过一个电流源或上拉电阻连 接到电源电压。器件输出级必须是漏极开路或者集电极开路，当总线空闲时，两 条线路处于高电平，执行线与的功能。1 2 c 总线支持的速率有三种，最大1 0 0 k b i t s 的标准模式，最大4 0 0 k b i v s 的快速模式，最大为3 4 m b i v s 的高速模式。连接到 总线的器件数量只由总线电容最大是4 0 0 p f 的限制决定【1 3 】。 s d a 线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定。数据线的状态只有在 s c l 线的时钟信号是低电平时才能改变。1 2 c 总线有起始( s ) 、停止( p ) 两个总 1 6 山东大学硕士学位论文 线条件，开始与重复开始条件相同，是在总线时钟s c l 高电平期间检测到s d a 总线信号的下降沿；停止信号是在总线时钟s c l 高电平期间检测到s d a 总线信 号的上升沿。 s d a s e r 囡d a t a l i n e 章r p 0 0 r p l t jl t j s c l s e r i 瑚c l o c kl i n e )j 一 c l k ll一_ - 一 卜 l sc l k 一 d a t a - j 亡 o u t o i s 饼1 j e 匕 d a t 朋1 j 亡 ii 础2 j e ，奠 卜_ o u t 。 l o 况舅 d a t a l l i 咐 i n n：i i n 寸。盯a 弧 图4 1m u x - d 扫描触发器结构 显然，二路选择器的加入将增加触发器的建立( s e t u p ) 时间，但是反而会有利 于对触发器中保持( h o l d ) 时间的处理，以解决时序问题。 m u x d 触发器不是用于扫描设计的唯一扫描触发器。还有其它两种较常用 的扫描触发器，分别是时钟控制扫描( c l o c k e d s c a n ) 单元和m m 公司在a s i c 中使 用的电平敏感扫描设计( l s s d ：l e v e ls e n s i t i v es c a nd e s i g n ) ，本论文不作详细介 绍。 图4 2 为扫描设计的基本结构。扫描触发器除了提供从d 到q 的功能数据路 径外还提供从s d i 到s d o 的扫描数据路径。如果在一个设计中将所有的时序单 山东大学硕士学位论文 元转化为扫描触发器，就称这种测试结构为全扫描。如果在设计中还存在某些非 扫描时序单元，就称这种测试结构为部分扫描。 扫描链的合成配合以自动测试图形生成( a r p g ) 技术可以生成简洁、高故 障覆盖率的测试向量。简洁的测试向量意味着缩短生产测试的测试时间，而高故 障覆盖率则可以降低出厂芯片的故障率。可以通过e d a 软件的a t p g 工具自动 生成高覆盖率的测试图形，大大降低了测试牛成的难度。 c 图4 2 扫描设计的基本结构 3 内建自测试设计 在集成电路芯片内部增加产生激励和做测试分析的电路，这样芯片不但能完 成逻辑功能，还能在给定测试命令时进行自我测试分析，并输出结果，这就称为 内建自测试( b i s t ：b u i l d i ns e l f - t e s t ) 。图4 3 是b i s t 的基本结构。 图4 3b i s t 的基本结构 4 7 山东大学硕士学位论文 b i s t 可以通过实现自我测试从而减少对a t e 的依赖，减少测试成本；而且 可以解决很多电路无法直接测试的问题。b i s t 可以有效的提高错误覆盖率，缩短 测试时间。但是，b i s t 需要占用额外的面积和引脚，这是b i s t 的最大的缺点。 b i s t 主要分为两类：逻辑b i s t ( l b i s t ) 和存储器b i s t ( m b l s t ) 。 4 边界扫描技术 边界扫描技术是一种扩展的自治测试技术。它在测试时不需要其它的测试设 备，不仅可以测试芯片或p c b 的逻辑功能，还可以测试i c 之间或p c b 之间的连 接是否存在故障。因此己成为数字系统可测性设计的丰流，i e e e 也于1 9 9 0 年确 定了有关的标准( 正e e l1 4 9 1 ) 。 边界扫描技术的基本原理如图4 4 所示。它是在核心逻辑电路的输入输出端 都增加一组寄存器，这些寄存器的特点是：每个寄存器都可输入数据，也可输出 数据；所有的寄存器可连接成一个移位寄存器。 帛行数掘 输入 边界寸1 椭i 丫l - 元 ；i j ：数据 输f i j j 1 r a g 器什1j r a g 器件2 图4 4 边界扫描的基本原理 内测试和外测试是两种基本测试模式。内测试是测试核心逻辑。核心电路的 输出端的寄存器置为输入方式，输入端的寄存器置为输出方式，并通过t d i 将核 心逻辑电路输入端的寄存器置入测试激励向量以驱动核心逻辑，同时将其响应采 集到核心逻辑输出端的寄存器中，最后将响应逐位移出，即可得到测试结果。外 测试是测试i c 或p c b 之间的连线。将每个欲测试的连线的一端的寄存器置为输 入方式，从t d i 置入激励向量，另一端的寄存器置为输出方式，以采集该线上的 响应值，通过比较响应与激励之间的关系就可判断所测连线是否有故障。 山东大学硕士学位论文 4 4g v c 芯片的测试策略 g v c 芯片是一个全同步的数字芯片设计，规模相对较小，而且内部集成了数 量相对众多的存储器。结合前面讨论的目前丰流的测试方法以及芯片的特点， g v c 芯片采用如下的测试策略： 对逻辑部分采用全扫描测试 对r a m 采用m b i s t 测试 对r o m 采用应用程序的烧写与读出数据的比对方式测试 g v c 芯片有深度分别为2 5 6 b 与5 1 2 b 的两块r a m ，两块r a m 使用同一个 m b i s t 电路进行测试。m b i s t 与其他的逻辑采用全扫描测试。对于o t p r o m ， 由于其只能一次烧写，因此在应用中将应用程序烧入到r o m 后，再将其读出， 比对两者是否一致，根据比对结果判断是否正确。当然，o t p - - r o m 在制造过程 中也要进行一系列的测试过程，这由制造厂商与封装测试厂商提供。 对于芯片的工作状态由四个外部端口控制：t e s t e n ，s c a ne n ， m b i s te n ，m e me a 。t e s t e n 为扫描测试使能信号，s c a ne n 为扫描移位 使能信号，m b i s te n 为m b i s t 模式信号，m e me a 为o t p r o m 使能信号， 此信号有效则可以通过并行方式对r o m 进行操作。表8 给出了g v c 芯片的工作 状态和测试引脚配置关系。 表8g v c 芯片测试引脚配置说明 t e s t e n 、s c a n e n 、m b i s t _ _ e n 、m e m _ e a 0 0 0 00 0 1 01 1 0 01 0 0 00 0 0 l 工作模式功能模式船i s t 测试扫描移位扫描捕获r o m 并行操作 4 5 存储器内建白测试 4 5 1r a m 故障介绍 由于存储器的单元很小，密度很高，所以它的制造故障非常显著，而且故障 种类繁多。一般故障可以分为如下几类【3 l 】： 4 9 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 单值故障( s t u c ka tf a u l t s ，s a f ) ：某一个单元永远为l 或者0 ； ( 2 ) 转变故障( t r a n s i t i o nf a u l t ，t f ) ：某个单元从0 到l 或从l 到0 转换失效； ( 3 ) 耦合故障( c o u p l i n gf a u l t ，c f ) ：某些单元翻转时使得其他不相关的单元 同时翻转。主要有：反向耦合( i n v e r s i o nc o u p l i n g ) 、桥接耦合( b r i d g ec o u p l i n g ) 、 随机耦合( d y n a m i cc o u p l i n g ) ； ( 4 ) 地址解码故障( a d d r e s sd e c o d e rf a u l t ，a f ) ： ( 5 ) 桥接故障( l i n k e df a u l t ) ：一个故障单元会影响到正常的单元。 4 5 2 算法介绍与选择 r a m 的测试算法有很多，但没有一种算法能够检测所有的故障。目前比较 常用的是m a r c h 算法，表9 给出了常用m a r c h 算法的复杂度和可检测的故障。 表9 常用m a r c h 算法介绍 c f 算法复杂度 s a f皤t fs c f l i n k e d i ni d d y n f a u l t s m a t s4 na s o m e m a t s +5 n仙a n 脚s + +6 na ua a m 匕气r c h x6 n a 皿 a n a na u m a r c h c 一1 0 n a a a na i la a ua u n d h y 8 na 皿a na ua ns o m e m 削r ( m b1 7 na a ua ua ns o m e m a r c h a1 5 na 皿a ua ua l ls o m e 根据算法及实现的难易程度以及对故障覆盖率的要求，对g v c 芯片中的 2 5 6 b 和5 1 2 b 两块异步r a m 采用m a t s + + 算法来进行测试。m a t s + + 算法的 流程是：l ( w o ) ；f ( r 0 ，w 1 ) ；l ( r l ，w o j o ) 。0 ”表示地址为升序或者降序都可；。t 一 表示地址为升序：_ i 一表示地址为降序。地址的升降序并不表示地址是连续的。 。w 0 表示向当前单元写逻辑“0 ”；_ w l 一表示向当前单元写逻辑“l ”；“r 0 ”表 山东大学硕士学位论文 示从当前单元读数据并且期望值为逻辑“0 ”；“r l ”表示