在通用自動(dòng)測(cè)試儀上實(shí)現(xiàn)SPI 存儲(chǔ)器測(cè)試的方法研究

串行存儲(chǔ)器大多采用I2C 或SPI 接口進(jìn)行訪問，其中以SPI 接口的芯片最多，主要包括EEPROM、FLASH memory、FRAM等類型。與并行存儲(chǔ)器相比，串行存儲(chǔ)器引腳少、體積小、易于擴(kuò)展、與單片機(jī)或控制器連接簡(jiǎn)單、工作可靠，而且大多擁有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，所以越來越多地用在各類電子產(chǎn)品和工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中。但SPI 存儲(chǔ)器所有輸入的內(nèi)容全都由一個(gè)管腳完成，通用自動(dòng)測(cè)試儀無法分辨這些信息類型，因此不便于實(shí)現(xiàn)地址自動(dòng)算法產(chǎn)生，這給使用通用測(cè)試儀測(cè)試該類芯片帶來了很大難度。本文首先介紹了SPI 類串行接口存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而以芯片AT25HP512 為例，講述了其工作原理及測(cè)試難點(diǎn)，最后提出了一種能應(yīng)用于通用自動(dòng)測(cè)試儀的SPI 存儲(chǔ)器測(cè)試方法。

1 SPI 串行接口存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)

1.1 SPI 總線的結(jié)構(gòu)

SPI 是一種通用串行接口總線，字長(zhǎng)為8 位或16 位，SPI接口利用SCK、SI 和SO 三根線進(jìn)行數(shù)據(jù)讀/ 寫。其中，SCK 為時(shí)鐘信號(hào)，用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蔬M(jìn)行同步，在每一個(gè)SCK 周期，有一位數(shù)據(jù)移入或移出串行存儲(chǔ)器。SI 為串行數(shù)據(jù)輸入，用于輸入命令和數(shù)據(jù)。SO 為串行數(shù)據(jù)輸出，用于輸出狀態(tài)和數(shù)據(jù)。本文將以一種典型的SPI EEPROM AT25HP512 為例分析其結(jié)構(gòu)及訪問方式。圖1 為AT25HP512 芯片的管腳定義，其他SPI存儲(chǔ)器通常也都有類似的管腳。

1.2 AT25HP512 的讀/ 寫方式

AT25HP512 容量64K 位，采取分頁存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)，每頁128 位，既可隨機(jī)讀/ 寫數(shù)據(jù)，又可以以序列方式連續(xù)讀/ 寫。序列讀操作一旦執(zhí)行，位地址可以自動(dòng)增加，直到讀出所有單元;序列寫操作一旦執(zhí)行，可以完成一頁的128 位寫。圖2 為AT25HP512頁寫操作的時(shí)序圖，利用該特性可快速完成數(shù)據(jù)的訪問。

2 使用自動(dòng)測(cè)試儀測(cè)試SPI 存儲(chǔ)器的難點(diǎn)

2.1 數(shù)字集成電路自動(dòng)測(cè)試儀的特點(diǎn)

自動(dòng)測(cè)試儀(ATE)，用于檢測(cè)集成電路功能的完整性。標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字ATE 可針對(duì)專用及通用數(shù)字電路提供高速、高通道數(shù)字控制、測(cè)試能力。芯片的測(cè)試程序通常會(huì)有許多個(gè)功能測(cè)試向量以測(cè)試不同的功能模塊，這些向量都會(huì)被加載ATE 內(nèi)存中，以順序或并發(fā)方式被執(zhí)行。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于受ATE 內(nèi)存大小(即圖形深度)的限制，如果向量過長(zhǎng)，超過測(cè)試設(shè)備圖形深度，就要加載一段向量，測(cè)試一段向量，再加載一段向量，再測(cè)試。該做法會(huì)使測(cè)試成本大為增加，因此往往不允許多次加載，所有測(cè)試向量需要一次性加載或由算法自動(dòng)產(chǎn)生，以保證測(cè)試的連續(xù)性。

2.2 存儲(chǔ)器測(cè)試特點(diǎn)

存儲(chǔ)器雖然邏輯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但容量通常較大，而且由于存儲(chǔ)器各個(gè)存儲(chǔ)單元有可能出現(xiàn)相互打擾，即某個(gè)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)變化可能引起其他單元的變化，因此存儲(chǔ)器需要反復(fù)讀/ 寫的測(cè)試，測(cè)試向量的總長(zhǎng)度往往超過ATE 的測(cè)試圖形深度。針對(duì)存儲(chǔ)器這種結(jié)構(gòu)固定、可連續(xù)訪問、測(cè)試算法固定的器件，需要ATE 能根據(jù)算法自動(dòng)產(chǎn)生測(cè)試圖形，用比較短的測(cè)試向量，按照固定地址產(chǎn)生邏輯自動(dòng)完成有規(guī)律的地址變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)讀/寫操作。

通用ATE 一般都具備一組或多組地址產(chǎn)生器(APG)，該單元模塊可完成地址保持(HOLD)、自加(INC)、自減(DEC)等操作，使用這些標(biāo)準(zhǔn)邏輯，就可以實(shí)現(xiàn)絕大多數(shù)的存儲(chǔ)器測(cè)試算法。以最常用的棋盤格測(cè)試算法為例。

如果順序?qū)憸y(cè)試程序，需要4N 的測(cè)試向量深度(N 為存儲(chǔ)器容量)，但是用測(cè)試算法，每一步流程只需要幾條向量，全部只需要用幾十條向量就能完成，具體方法如圖3 所示?？梢娎米詣?dòng)地址產(chǎn)生邏輯，可以實(shí)現(xiàn)極大深度的存儲(chǔ)器測(cè)試。

2.3 SPI 存儲(chǔ)器測(cè)試難點(diǎn)

上述方法可用于多數(shù)并行存儲(chǔ)器，但難以用于SPI 存儲(chǔ)器。

主要原因?yàn)椋?/P>

(1)SPI 存儲(chǔ)器沒有獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和地址總線，所有輸入都由SI 這一根線完成，SI 除要發(fā)送地址外，還要發(fā)送數(shù)據(jù)和指令，無法獨(dú)立應(yīng)用于地址操作，也就無法完成對(duì)地址的算法產(chǎn)生，如INC 等;

(2)SPI 總線通常應(yīng)用8 位寄存器，為完成一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸需要在8 個(gè)時(shí)鐘周期，由8 條向量串行執(zhí)行，這就大大增加了向量的長(zhǎng)度。因此，盡管ATE 有足夠的數(shù)據(jù)寬度，卻往往受限于數(shù)據(jù)位的深度不足，無法完成測(cè)試。

3 SPI 存儲(chǔ)器的測(cè)試實(shí)現(xiàn)方法

首先，SCK 信號(hào)要按測(cè)試需求產(chǎn)生測(cè)試時(shí)鐘，~CS、~WP 和~HOLD 給出相應(yīng)控制信號(hào)。

其次，為了利用了測(cè)試儀的通道寬度，減少測(cè)試向量的深度，需要將串行發(fā)送的數(shù)據(jù)以并行的方式存儲(chǔ)于測(cè)試儀中。多數(shù)通用測(cè)試儀都設(shè)計(jì)了并行轉(zhuǎn)串行的邏輯模塊，即在多個(gè)通道上并行輸入數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)指令完成轉(zhuǎn)換，由一個(gè)通道將數(shù)據(jù)發(fā)送出來。如果ATE 不具備該功能，也可由外部邏輯實(shí)現(xiàn)。

最后，要最大限度地應(yīng)用測(cè)試儀的AGP 模塊地址自動(dòng)產(chǎn)生邏輯，將串行程序算法并行化處理，最終給出區(qū)別存儲(chǔ)器地址和其他輸入信息的控制邏輯。

3.1 棋盤格算法測(cè)試

以AT25HP512 棋盤格測(cè)試為例，串行SPI 存儲(chǔ)器測(cè)試可分為以下步驟。

(1)并行轉(zhuǎn)串行。存儲(chǔ)器待收發(fā)的數(shù)據(jù)和指令都以8 位并行的方式放置在內(nèi)部寄存器中，因此要借助ATE 并行轉(zhuǎn)串行輸出功能，將8 個(gè)通道的數(shù)據(jù)從一個(gè)通道輸出。以并行轉(zhuǎn)串行指令PTOS 為例，PTOS 00000101,相當(dāng)于從SI 引腳在8 個(gè)周期串行輸出0 0 0 0 0 1 0 1 ;

(2)將指令寄存的數(shù)據(jù)以8 位并行方式連接到測(cè)試通道上。

以讀狀態(tài)寄存器命令為例，SI 要輸出的數(shù)據(jù)連接到不同通道，再由并轉(zhuǎn)串邏輯電路輸出。讀出的結(jié)果與預(yù)期值進(jìn)行比較。

表1 相當(dāng)于執(zhí)行了讀狀態(tài)寄存器命令RDSR,本例中讀回的預(yù)期結(jié)果為L(zhǎng)LLLLLLL.

(3)設(shè)置狀態(tài)寄存器。發(fā)送寫狀態(tài)寄存器命令WRSR,設(shè)置存儲(chǔ)器為寫READY 狀態(tài)。

(4)將8 位地址線連接到AGP 相關(guān)的通道上。

(5)為了能在SI 引腳上既能輸出地址又能輸出指令和數(shù)據(jù)，要設(shè)置多路選擇單元，完成切換。切換控制位可以由通道位完成。圖4 為測(cè)試通道控制的寄存器輸入切換，控制位為0,SI引腳切換至地址線，控制位為1,SI 引腳切換至數(shù)據(jù)線和指令線。

應(yīng)用該開關(guān)，就可以把需要使用算法的地址和不需要利用算法的指令和數(shù)據(jù)在通道上分開。

(6) 完成向存儲(chǔ)單元寫入數(shù)據(jù)的操作。表2 實(shí)現(xiàn)了連續(xù)寫一頁的函數(shù)PAGEWRITE 操作，從0 地址開始連續(xù)進(jìn)行128 個(gè)寫操作，把00000000 和11111111 的棋盤格數(shù)據(jù)交替寫入一頁中。

(7) 利用AGP,實(shí)現(xiàn)頁地址遞增操作。每一頁寫都調(diào)用PAGEWRITE,每完成一次頁寫操作，頁地址自動(dòng)加1,執(zhí)行下一頁的寫操作，直到全部頁的寫操作完成。表3 為每調(diào)用一次單頁寫，頁地址自動(dòng)加1 的操作。

(8) 讀并檢驗(yàn)結(jié)果操作。與寫操作類似，給出讀指令和起始地址后，可連續(xù)讀出所有單元。

以上方法，首先完成了逐頁的連續(xù)寫操作，頁地址可自動(dòng)遞增，每完成一次正向棋盤格(按0101 格式)寫操作后，再以0 地址為起始地址，完成整個(gè)器件地址自動(dòng)遞增的連續(xù)讀操作。然后再按照相同的方法執(zhí)行一次反向棋盤格(按1010 格式)的寫、讀，從而實(shí)現(xiàn)完整的棋盤格測(cè)試。

3.2 其他測(cè)試算法

在實(shí)際工程中應(yīng)用最多的是存儲(chǔ)器測(cè)試法算法復(fù)雜度為N的測(cè)試算法，除棋盤格測(cè)試法外，較為常用的還有齊步法、列條圖形法和前進(jìn)后退法等。應(yīng)用這些算法測(cè)試SPI 存儲(chǔ)器都與棋盤格測(cè)試類似，只是AGP 自動(dòng)產(chǎn)生算法的方式不同，本文不再詳述。

4 結(jié)語

本文分析了SPI 串行存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)和訪問方式，利用通用自動(dòng)測(cè)試儀的并行轉(zhuǎn)串行指令，增加了選通控制邏輯，為ATMEL公司的SPI 串行存儲(chǔ)器AT25HP512 編寫了測(cè)試程序，該程序最終以二進(jìn)制代碼的形式順序存儲(chǔ)于測(cè)試儀中。實(shí)驗(yàn)證明，該方法可以克服SPI 存儲(chǔ)器地址算法自動(dòng)產(chǎn)生的困難，對(duì)該類芯片測(cè)試具有通用性。