ARM Cortex-M3 微處理器測試方法研究與實現(xiàn)

0 引言

隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，集成電路制程工藝從深亞微米發(fā)展到納米級，晶體管集成度的大幅提高使得芯片復雜度增加，單個芯片的功能越來越強。二十世紀90 年代ARM 公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。采用ARM 技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)( IP 核)的微處理器，即ARM 微處理器，已遍及工業(yè)控制。消費類電子產(chǎn) 品。通信系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，基于ARM 技術(shù)的微處理器應用約占據(jù)了32 位RISC 微處理器七成以上的市場份額。ARM 芯片的廣泛應用和發(fā)展也給測試帶來了挑戰(zhàn)，集成電路測試一般采用實際速度下的功能測試，但半導體技術(shù)的發(fā)展使得測試開發(fā)工程資源按幾何規(guī)律增長，自動測試 設(shè)備(ATE)的性能趕不上日益增加的器件I/O 速度的發(fā)展，同時也越來難以滿足ARM 等微處理器測試所用的時序信號高分辨率要求，因而必須不斷提高自動測試設(shè)備的性能，導致測試成本不斷攀升。此外，因為ARM 芯片的復雜度越來越高，為對其進行功能測試，人工編寫測試向量的工作量是極其巨大的，實際上一個ARM 芯片測試向量的手工編寫工作量可能達到數(shù)十人年甚至更多。本文針對ARM Cortex 內(nèi)核的工作原理，提出了一種高效的測試向量產(chǎn)生方法，并在BC3192 測試系統(tǒng)上實現(xiàn)了對ARM Cortex-M3 內(nèi)核微處理器的測試。

1 微處理器測試方法

集成電路測試主要包括功能測試和直流參數(shù)的測試，微處理器的測試也包括功能和直流參數(shù)測試兩項內(nèi) 容。微處理器包含豐富的指令集，而且微處理器種類繁多，不同微處理器之間很難有統(tǒng)一的測試規(guī)范。為了使測試具有通用性，我們有必要對微處理器的測試建立一 個統(tǒng)一的模型，如圖1 所示。芯片測試系統(tǒng)為被測微處理器提供電源和時鐘，并能夠模擬微處理器的仿真通信接口來控制微處理器工作，同時配合仿真時序施加激勵向量，從而達到測試目 的。

按微處理器仿真通信接口大致分兩類，一類是具有仿真接口(如JTAG)的微處理器，一類是沒有仿真接口的微處理器，對于配備類似JTAG 接口的微處理器，測試儀通過仿真一個JTAG 接口對被測芯片進行功能或參數(shù)測試。沒有配備仿真調(diào)試接口的芯片，可以根據(jù)芯片的外部接口和引導方式選擇測試模型。

1.1 跟蹤調(diào)試模式

大多數(shù)的微處理器都提供了跟蹤調(diào)試接口，例如最常用的JTAG 接口，Cortex-M3 內(nèi)核除了支持JTAG 調(diào)試外，還提供了專門的指令追蹤單元(ITM)。JTAG(Joint Test Action Group,聯(lián)合測試行動小組)是一種國際標準測試協(xié)議(IEEE 1149.1 兼容)，主要用于芯片內(nèi)部測試。現(xiàn)在多數(shù)的高級器件都支持JTAG協(xié)議，如ARM、DSP、FPGA 器件等。標準的JTAG 接口是4 線：

TMS、TCK、TDI、TDO,分別為模式選擇。時鐘。數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。JTAG 最初是用來對芯片進行測試的，因此使用JTAG 接口測試微處理器具有很多優(yōu)點。

用JTAG 接口對微處理器進行仿真測試，是通過測試系統(tǒng)用測試矢量模擬一個JTAG 接口實現(xiàn)對微處理器的仿真控制，其核心是狀態(tài)機的模擬，圖2 所示為測試系統(tǒng)使用的JTAG TAP 控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

通過測試儀來模擬狀態(tài)轉(zhuǎn)換就可以實現(xiàn)JTAG 通信控制。

JTAG 在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層具有統(tǒng)一的規(guī)范，但針對不同的芯片仿真測試協(xié)議可能略有差異。為了使測試模型具有通用性，我們對測試模型的JTAG 接口做了一個抽象層，如圖3 所示。圖中抽象層將類型多樣的控制函數(shù)轉(zhuǎn)化成芯片能識別的數(shù)據(jù)流來控制被測芯片的工作狀態(tài)。

1。2 引導模式/FLASH 編程模式

針對沒有配備仿真調(diào)試接口的微處理器，可以利用引導功能實現(xiàn)對微處理器的測試。因沒有配備仿真調(diào)試 功能，不能實現(xiàn)仿真測試。因此針對這一類的微處理器測試中，需要在芯片中加載測試代碼。大多數(shù)的微處理器芯片都具有上電引導功能，可以利用引導功能將測試 代碼加載到微處理器中，進而實現(xiàn)功能和直流參數(shù)測試。而對于內(nèi)部配備FLASH 的微處理器可以先將測試代碼下載到片內(nèi)FLASH 中，以實現(xiàn)對微處理器的功能和參數(shù)測試。

為了實現(xiàn)對微處理器的測試控制，通常，測試系統(tǒng)利用微處理器的片上通信接口與片上測試程序通信，互相配合完成功能和參數(shù)測試。