FPGA 重復(fù)配置和測試的實(shí)現(xiàn)

　　從制造的角度來講，FPGA測試是指對FPGA器件內(nèi)部的邏輯塊、可編程互聯(lián)線、輸入輸出塊等資源的檢測。完整的FPGA測試包括兩步，一是配置FPGA、然后是測試FPGA，配置FPGA是指將FPGA通過將配置數(shù)據(jù)下載編程使其內(nèi)部的待測資源連接成一定的結(jié)構(gòu)，在盡可能少的配置次數(shù)下保證FPGA內(nèi)部資源的測試覆蓋率，配置數(shù)據(jù)稱為TC，配置FPGA的這部分時間在整個測試流程占很大比例;測試FPGA則是指對待測FPGA施加設(shè)計好的測試激勵并回收激勵，測試激勵稱為TS。

　　通常來說，要完成FPGA內(nèi)部資源的完整測試需要針對不同的待測資源設(shè)計多種配置圖形，多次下載到FPGA，反復(fù)施加激勵和回收測試響應(yīng)，通過對響應(yīng)數(shù)據(jù)的分析來診斷故障。因此，用于FPGA測試的儀器或系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于：如何加快單次配置的時間，以節(jié)省測試過程中的配置時間開銷;如何實(shí)現(xiàn)自動重復(fù)配置和測試，將FPGA較快速度的在線配置和快速測試結(jié)合起來。

　　由于一般的集成電路自動測試儀ATE為通用IC測試設(shè)計，但FPGA測試有上述特殊性，在芯片功能測試之前必須對其進(jìn)行特定的配置，否則芯片是不具備內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)的，內(nèi)部資源將無法測試，而通用的ATE要完成測試步驟中的配置功能時，需要以人工或通過電腦專門編程修改配置數(shù)據(jù)生成測試系統(tǒng)可執(zhí)行的測試激勵形式進(jìn)行配置，且如果配置數(shù)據(jù)較多，這個轉(zhuǎn)換過程將可能比較復(fù)雜，易用性不強(qiáng)，無法高效地用于FPGA器件的測試中，需要對FPGA測試設(shè)計專用的測試平臺以滿足其配置測試需求。

　　我們設(shè)計的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了快速重復(fù)配置和測試的功能，配置數(shù)據(jù)可以直接引用EDA軟件生成的位流文件而不需要像ATE一樣轉(zhuǎn)換成繁雜的測試激勵形式，相較于ATE有一定的優(yōu)勢，對FPGA測試有一定的使用價值。

　　FPGA可重復(fù)配置和測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

　　系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　圖1 可重復(fù)配置測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)包括軟件和硬件兩部分。硬件部分包含PCI橋接芯片、FPGA1中的數(shù)據(jù)接口模塊、配置模塊、測試模塊和被測FPGA。軟件部分包含對實(shí)現(xiàn)FPGA配置部分的代碼和實(shí)現(xiàn)FPGA測試部分的代碼。FPGA1中的各硬件模塊通過EDA軟件以JTAG接口固化FPGA1中，其中FPGA1中的配置模塊負(fù)責(zé)接收來自PC方軟件發(fā)送的配置數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生對被測FPGA的配置時序，完成配置步驟，測試模塊負(fù)責(zé)發(fā)送測試激勵和回收被測FPGA的響應(yīng)數(shù)據(jù)，等待PC方軟件的回收。

　　系統(tǒng)軟硬件交互流程

　　整個系統(tǒng)通過軟硬件的數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)對被測FPGA的自動配置和測試的流程，軟硬件交互的流程從圖2可以體現(xiàn)：系統(tǒng)啟動后，首先需要開始對被測FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)配置，由軟件向硬件發(fā)送配置開始指令，硬件接收指令后對被測FPGA產(chǎn)生配置開始的時序，告訴被測FPGA準(zhǔn)備接收配置數(shù)據(jù)。當(dāng)軟件查詢到配置模塊中的狀態(tài)寄存器值代表等待數(shù)據(jù)時開始發(fā)送配置數(shù)據(jù)。配置數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，軟件通過讀取配置模塊的狀態(tài)寄存器值判斷配置是否成功，決定是否可以開始測試。如果配置成功，軟件則開始向被測FPGA發(fā)送測試激勵數(shù)據(jù)并讀回測試響應(yīng)保存在電腦中，由軟件對測試響應(yīng)進(jìn)行分析決定是否需要進(jìn)行下一次配置和測試流程。如果需要，在一定的延時之后軟硬件將回復(fù)初始狀態(tài)，并選擇新的配置數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)，開始新一輪的配置后測試流程。

　　圖2 FPGA芯片自動重復(fù)下載自動測試系統(tǒng)軟硬件交互流程圖

　　軟硬件數(shù)據(jù)交互的通路是PCI總線，軟件向FPGA1發(fā)送指令或數(shù)據(jù)時，軟件通過PCI應(yīng)用編程接口函數(shù)將數(shù)據(jù)放到PCI總線上，PCI橋接芯片將較為復(fù)雜的PCI接口信號轉(zhuǎn)化為相對簡單的Local Bus數(shù)據(jù)信號，由FPGA1中的接口模塊接收并產(chǎn)生相應(yīng)的動作。而軟件向FPGA1讀取數(shù)據(jù)的通路則相反。圖3和圖4分別是軟件在VC++6.0環(huán)境中斷點(diǎn)調(diào)試發(fā)送指令和軟件向FPGA1發(fā)送指令時由嵌入式邏輯分析儀SignalTAP II捕捉到的指令數(shù)據(jù)和接口模塊波形。

　　圖3 VC++6.0環(huán)境中斷點(diǎn)調(diào)試指令發(fā)送

　　圖4 嵌入式邏輯分析儀SignalTAP II波形

　　圖4中ADS_N、BLAST_N、LWORD_N、LHOLD、LHOLDA是Local Bus的接口信號，ConfigEnd和ConfigStart是分別代表配置結(jié)束和配置開始的標(biāo)志寄存器，LA是接口的地址信號，用于模塊中控制寄存器的尋址，LD是接口的數(shù)據(jù)信號，用于指令數(shù)據(jù)的發(fā)送和數(shù)據(jù)的回收。

　　以配置開始指令的發(fā)送為例，從圖3圖4兩圖中可以看出軟硬件交互過程中的指令發(fā)送方式，在VC++中單步調(diào)試，發(fā)送一個開始指令0x01到配置命令寄存器地址0x01，通過硬件模塊的接口動作，用嵌入式存儲器SignalTap II中捕捉到LA的數(shù)據(jù)為1h，LD上的數(shù)據(jù)為1h后ConfigStart寄存器置高，配置開始。

　　配置速度測試實(shí)驗(yàn)

　　軟硬件具體方案設(shè)計完畢后，軟件在Visual C++6.0環(huán)境下實(shí)現(xiàn)并調(diào)試。硬件在QuartusII7.1軟件下編譯。

　　為了對比基于PCI總線的FPGA高速配置方案與基于ByteBlasterII JTAG下載電纜的速度性能，首先使用QuartusII7.1軟件采用JTAG方式對FPGA2配置5次，計算每次下載所示時間，得到如表1中所示的數(shù)據(jù);再使用本系統(tǒng)中基于PCI總線的配置功能對FPGA2配置5次，軟件會自行計算總的下載時間，得到如表1中所示的數(shù)據(jù)：

　　從表1的數(shù)據(jù)對比中可以看到，基于PCI總線的自動下載配置方式要比基于JTAG電纜的下載配置方式提高超過20倍的速度，如果使用基于JTAG電纜對某大容量的FPGA下載需要近20分鐘的話，使用PCI下載方式則只需不到1分鐘的下載時間，具有明顯的速度優(yōu)勢，大大節(jié)省了FPGA測試中的數(shù)據(jù)配置時間。

　　總結(jié)

　　該FPGA芯片測試平臺具有以下特點(diǎn)：

　　(1)針對FPGA測試的特點(diǎn)：需要重復(fù)對待測FPGA配置，設(shè)計了FPGA在線配置模塊和自動測試模塊，從概念上初步實(shí)現(xiàn)了自動重復(fù)下載和重復(fù)測試的功能，為FPGA自動化測試尋找到一個好方法;

　　(2)利用軟件的靈活性提高了測試系統(tǒng)中具有可觀察性好和可控制性強(qiáng)的優(yōu)勢;利用硬件結(jié)構(gòu)上并行度高、速度快的優(yōu)勢提高了測試的效率;

　　(3)相較于專業(yè)的ATE設(shè)備，該系統(tǒng)軟件可控性更強(qiáng)，配置數(shù)據(jù)更方便。