SOC的可測試性設(shè)計策略

　　可測試設(shè)計(DFT)是適應(yīng)集成電路的發(fā)展要求所出現(xiàn)的一種技術(shù)，主要任務(wù)是對電路的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，提高電路的可測性，即可控制性和可觀察性。按測試結(jié)構(gòu)分，目前比較成熟的技術(shù)主要有測試點(diǎn)插入、內(nèi)部掃描設(shè)計、內(nèi)建自測試(BIST)、邊界掃描設(shè)計等[1]。

　　內(nèi)部掃描設(shè)計技術(shù)有兩種：全掃描技術(shù)將電路中所有的觸發(fā)器用特殊設(shè)計的具有掃描功能的觸發(fā)器代替，使其在測試時鏈接成一個或幾個移位寄存器;部分掃描技術(shù)只選擇一部分觸發(fā)器構(gòu)成移位寄存器，降低了掃描設(shè)計的硬件消耗和測試響應(yīng)時間而受到重視。在測試向量自動生成(ATPG)上，組合電路常采用D，PODEM和FAN等算法;時序電路可采用HITEC，GENTEST，CONTEST以及遺傳算法等 [2]。如果被測電路(CUT)具有自己產(chǎn)生測試信號、自己檢查輸出信號的能力，則稱該電路具有BIST功能。BIST主要完成測試序列生成和輸出響應(yīng)分析兩個任務(wù)。通過分析CUT的響應(yīng)輸出，判斷CUT是否有故障。BIST有存儲器BIST(MBIST)、邏輯電路BIST(LBIST)和 DBIST[3]等幾種。

　　2 IP核的DFT方法

　　在SOC中通常嵌入多個IP核，它們電路邏輯非常復(fù)雜且對時序要求非常嚴(yán)格，因此不同類型的IP核有不同的可測試性設(shè)計方法。

　　2.1 專用數(shù)字邏輯模塊

　　數(shù)字邏輯模塊的可測試性設(shè)計一般采用內(nèi)部掃描設(shè)計技術(shù)，但隨著芯片規(guī)模向著上千萬門級發(fā)展，傳統(tǒng)的內(nèi)部掃描設(shè)計會生成數(shù)目眾多的相當(dāng)長的測試向量。由于測試生成和測試響應(yīng)分析都在外部ATE上，掃描輸入輸出時間過長，導(dǎo)致測試成本急劇增加，故需要對傳統(tǒng)的內(nèi)部掃描設(shè)計技術(shù)做出改進(jìn)。

　　可引入偽內(nèi)建自測試(PBIST)[8] 方法來減少測試數(shù)據(jù)和縮短測試時間。對于BIST來說，故障覆蓋率不高是其固有的缺點(diǎn)，而PBIST是希望能利用內(nèi)部所產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列，檢測到盡可能多的故障。一般電路中都會有相當(dāng)部分的故障是可以用隨機(jī)向量來檢測的，而這部分故障如果采用PBIST方法來測試，就可以充分發(fā)揮其在測試時間、測試數(shù)據(jù)量等方面的優(yōu)勢。在完成這部分故障的測試后，再由外部ATE提供確定性的測試向量來滿足最終的故障覆蓋率需求。

　　可引入片上多輸入鑒別寄存器(OPMISR)技術(shù)[9]，對測試響應(yīng)進(jìn)行壓縮，輸出的測試結(jié)果是 MISR壓縮后的數(shù)據(jù)，從而降低對ATE緩存容量的要求。利用OPMISR技術(shù)在測試模式時可把每條掃描鏈從中間一分為二，這樣原來的一條掃描鏈相當(dāng)于兩條掃描鏈了，從而倍增掃描鏈條數(shù)，且單條掃描鏈上的寄存器數(shù)目是原來的一半，所以測試向量移位輸入所需的時鐘周期也相應(yīng)減半。同時增加的MIST電路把原本在ATE上完成的信號鑒別工作部分轉(zhuǎn)移到了片內(nèi)進(jìn)行，對測試響應(yīng)進(jìn)行了壓縮，減小了生成的ATPG文件。

　　Mentor Graphics[7]的嵌入式決定性測試(EDT)技術(shù)，采用測試數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，對測試激勵和測試響應(yīng)都進(jìn)行壓縮，通常能帶來數(shù)十倍的測試數(shù)據(jù)壓縮率。EDT在芯片上增加解壓縮模塊，利用環(huán)路發(fā)生器和相位轉(zhuǎn)換電路兩個邏輯塊，對來自于ATE的壓縮激勵向量進(jìn)行解壓處理，產(chǎn)生內(nèi)部掃描鏈上的測試激勵向量。EDT同時在芯片內(nèi)增加壓縮模塊，利用異或樹和掩蓋邏輯電路兩個邏輯塊，對內(nèi)部掃描鏈輸出的測試響應(yīng)向量進(jìn)行壓縮處理后輸出給ATE。

　　2.2 存儲器核

　　存儲器內(nèi)建自測試是將BIST邏輯電路嵌入芯片內(nèi)部，通過給相應(yīng)存儲器核的外圍加一層測試控制電路，作為存儲器核與芯片系統(tǒng)其他邏輯電路的接口，負(fù)責(zé)相應(yīng)的測試及控制功能，最終實(shí)現(xiàn)片上自動測試存儲器核。以SRAM為例，重要的測試算法有MATS+，MarchC-，MarchA和MarchB等[10] 。

　　SOC芯片中片上存儲器占芯片面積比重不斷增大，導(dǎo)致了芯片成品率降低?？梢圆捎没陔娮颖ｋU絲的片上存儲器修復(fù)系統(tǒng)技術(shù) [11]，利用冗余存儲器里的冗余行和列來替代失效行或列，從而使失效存儲器正常工作，來提高芯片的成品率。其結(jié)構(gòu)可以與MBIST結(jié)合在一起，修復(fù)功能運(yùn)行受 MBIST的控制器控制。

　　2.3 微處理器核

　　對一個上百萬門的嵌入式微控制器，如采用全掃描設(shè)計可以取得較高的故障覆蓋率，但它由于可能在處理器關(guān)鍵路徑上增加可測試性電路，從而增加電路延時，降低電路性能。因此芯核的數(shù)據(jù)通路通常采用基于指令的LBIST方法來進(jìn)行測試 [4,12]。

　　微處理器核的數(shù)據(jù)通路主要由三個部分組成：程序計數(shù)器及指令提取單元、指令譯碼邏輯以及微處理指令執(zhí)行單元。LBIST方法需要對此增加三個寄存器：測試控制寄存器(TCR)、線性反饋移位寄存器(LFSR)以及多輸入特征寄存器(MISR)，如圖1所示。TCR在測試模式下掃描輸入微處理器的指令操作碼，LFSR生成隨機(jī)數(shù)據(jù)，提供測試模式下的操作數(shù)，而MISR壓縮指令執(zhí)行單元的執(zhí)行結(jié)果，生成測試響應(yīng)的特征值。掃描輸入和掃描輸出可以由邊界掃描來提供。

　　通常微處理器核中除數(shù)據(jù)通道外還通常包含許多寄存器堆以及RAM單元，這些存儲器單元通常采用MBIST方法。而芯核其他部分比如控制部分通?？梢圆捎脙?nèi)部掃描設(shè)計，以獲得期望的測試覆蓋率。因此微處理器核測試是多種測試策略組合在一起的混合測試策略。

　　2.4 模擬/混合電路核

　　模擬電路可測試性設(shè)計的主要思想是為測試提供對選定節(jié)點(diǎn)的訪問，可以采用以下技術(shù)提高電路的可測試性：插入測試點(diǎn)，如加入電流傳感器來觀測錯誤電路引起的錯誤電流;進(jìn)行數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過加入模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)激勵和響應(yīng)的傳播;功能結(jié)構(gòu)重組，通過對電路的功能結(jié)構(gòu)重組，產(chǎn)生區(qū)別于正常工作模式的測試模式來觀測 [4]。

　　通過提高模擬電路的可測試性后，也可以采用 ATPG方法和BIST方法。較為典型的模擬電路ATPG方法如利用敏感性分析來產(chǎn)生測試向量的方法 [13]，該方法可以看作是尋找一個輸入測試向量，使得正確電路的響應(yīng)和故障電路的響應(yīng)數(shù)據(jù)上相差最大。模擬電路BIST方法通過內(nèi)置測試信號發(fā)生器和特征分析器來實(shí)現(xiàn)，有基于振蕩器的方法、基于頻譜特征分析的方法和基于∑△編碼的方法等 [4]。

　　2.5 第三方IP核

　　針對諸如CPU，DSP，MPEG這種通用的IP核可以采用DBIST(deterministic logic BIST)的測試方法[3]。這種面向IP核確定性故障模型進(jìn)行芯片結(jié)構(gòu)改變和測試模塊加入的DBIST ，采用高效的ATPG重播種的方法進(jìn)行測試向量生成。

　　可以利用基于掃描測試的向量生成DBIST的種子數(shù)據(jù)。DBIST結(jié)構(gòu)和測試過程數(shù)據(jù)流向如圖2所示。測試時，ATE通過掃描輸入的方法送入以陰影寄存器(shadow register)的值來置PRPG的狀態(tài)，然后PRPG產(chǎn)生一系列的向量(數(shù)量由步長決定)，這一系列的向量逐個地通過相位轉(zhuǎn)換電路進(jìn)一步地擴(kuò)展到更寬的位數(shù)，從而加載到CUT，其響應(yīng)輸出到壓縮電路中，然后輸入MISR產(chǎn)生一個鑒別碼，鑒別碼再被串行地送出到外界。在內(nèi)部IP核測試的過程中，就同時地移入下一個種子的值到陰影寄存器中。接著繼續(xù)用下一個種子來產(chǎn)生測試向量。

3 SOC的DFT策略

　　一個上百萬/千萬門級的SOC設(shè)計，設(shè)計之初就要在宏觀上進(jìn)行考慮，以得到最優(yōu)DFT策略。比如嵌入式存儲器模塊是否需要用片上處理器進(jìn)行測試還是采用MBIST;處理器內(nèi)核本身有沒有采用內(nèi)部掃描或者是否帶有LBIST，它是否能被整合入總體芯片測試方案;怎樣才能使片上專用邏輯取得可以接受的故障覆蓋率;是采用全掃描還是部分掃描等。

　　3.1 邊界掃描設(shè)計的應(yīng)用

　　現(xiàn)在大多數(shù)SOC包含模擬信號，一種切實(shí)可行的可測試性設(shè)計策略是將模擬部分、數(shù)字部分和存儲器部分分開。為了將測試信號傳遞給各部分和進(jìn)行互連測試，邊界掃描(IEEE 1149.1和1149.4)是現(xiàn)有的最好解決方案[10] 。

　　混合信號器件的模擬測試總線(ATB)(IEEE 標(biāo)準(zhǔn)1149.4)體系結(jié)構(gòu)。TAP表示測試訪問端口、ATAP表示模擬測試訪問端口、ABM表示模擬邊界模塊、D(DBM)表示數(shù)字邊界模塊、TBIC表示測試總線接口電路。AT1傳送模擬激勵， AT2將模擬響應(yīng)發(fā)送回ATE。互連中的短路和開路故障很有可能發(fā)生在模擬內(nèi)核和數(shù)字內(nèi)核之間，采用以往的基于IEEE 1149.1邊界掃描方案是不能測試這類故障的，并且也無法測試模擬內(nèi)核，而上述的方案就能很好的解決這些問題。

　　若SOC邊界掃描方案支持INTEST或RUNBIST指令，則邊界寄存器必須在芯片上電路的數(shù)字部分和模擬部分之間包含接口單元 [10]，如圖4所示。這對在INTEST中控制和觀察在模擬部分和數(shù)字部分之間包含的信號是必須的。圖4給出了如何使用INTEST測試模擬內(nèi)核。在任何時間只有一個模擬管腳可以被激勵，也只有一個被觀察。INTEST指令斷開數(shù)字內(nèi)核并將它用來自邊界寄存器的設(shè)置圖形替換。TBIC、ABM模塊和位于數(shù)字內(nèi)核與模擬內(nèi)核之間的三個邊界寄存器單元被用于設(shè)置測試。如果要測試的是數(shù)字內(nèi)核，所有標(biāo)注為D的單元將是有效的，TBIC和 ABM單元將配置成只能從TDI到TDO傳送信號。

　　3.2 TOP層測試解決方案

　　SOC的TOP層測試解決方案如圖5所示。先對存儲器、處理器核、模擬/混合電路核、第三方IP核、專用數(shù)字邏輯等模塊按照上文介紹的DFT方法進(jìn)行設(shè)計。然后用邊界掃描(符合IEEE 1149.1和1149.4)的控制器來控制芯片內(nèi)各個芯核及專用邏輯的測試，采用層次化的測試訪問機(jī)制來實(shí)現(xiàn)對各模塊的控制(由邊界掃描控制器控制ITCM，再由ITCM對各子層TCM進(jìn)行控制)。圖中省略了LBIST和模擬BIST模塊。

　　內(nèi)部掃描和JTAG結(jié)合以后可以節(jié)省測試管腳數(shù)，但不再支持原來的各掃描鏈并行輸入輸出方式，這樣必將使測試向量的掃描移位時間大大延長。所以，如果專用數(shù)字邏輯門數(shù)龐大時，還是應(yīng)采用傳統(tǒng)的并行方式，或者應(yīng)用PBIST，OPMISR， EDT等技術(shù)。各種BIST模塊和JTAG結(jié)合后，不再需要直接與ATE相連，自然也減少了測試管腳數(shù)，各BIST模塊測試所需初始化數(shù)據(jù)也可由JTAG來提供。

　　4 結(jié)語

　　今天的SOC設(shè)計在測試方面所花的時間和費(fèi)用可能要比實(shí)際功能電路開發(fā)更多，導(dǎo)致產(chǎn)品成本升高，甚至喪失商機(jī)。要使新的IC設(shè)計具有全面可測試性的唯一途徑就是開展早期RTL可測試性分析，并綜合運(yùn)用內(nèi)部掃描、BIST、邊界掃描技術(shù)以及其他新的DFT技術(shù)，以提高測試的故障覆蓋率，縮短設(shè)計周期，加快產(chǎn)品的上市速度。