在測(cè)試中，目的是要盡快確定芯片是否以較高的穩(wěn)定性正常工作，而不是絕對(duì)的穩(wěn)定性。現(xiàn)在芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)普遍認(rèn)識(shí)到，這需要在芯片上添加DFT（可測(cè)試設(shè)計(jì)）電路。第三方工具和IP （知識(shí)產(chǎn)權(quán)）企業(yè)可幫助實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。

　　而調(diào)試則完全不同了。調(diào)試的目的并不只是簡(jiǎn)單地確定芯片出現(xiàn)了故障，而是要找出故障的原因。這種檢查并不限于在測(cè)試臺(tái)上的幾秒鐘，可能要持續(xù)數(shù)周時(shí)間。它并不是自動(dòng)進(jìn)行的，而是需要芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的參加。它出現(xiàn)在設(shè)計(jì)周期中的離散點(diǎn)上：在第一個(gè)芯片設(shè)計(jì)階段、在可靠性研究階段和現(xiàn)場(chǎng)故障分析階段。

　　根據(jù)這種情況，可以想象，良好的DFT 策略應(yīng)能夠滿足芯片調(diào)試的需要，而且，實(shí)際上也往往是如此。隨著SoC（單片系統(tǒng)） 設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，一流的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)表 示，他們將對(duì)支持調(diào)試而不是測(cè)試的電路提供更多的計(jì)劃、實(shí)現(xiàn)工作以及芯片面積。

　　“十年前在設(shè)計(jì)3層金屬層時(shí)，這并不是什么大問(wèn)題，”Bay Microsystems 工程部的高級(jí)副總裁Tony Chiang說(shuō)。“如果芯片有問(wèn)題，應(yīng)該直接研究金屬層來(lái)察看電路，而對(duì)于聚焦離子束系統(tǒng)則應(yīng)該重新布線。現(xiàn)在，對(duì)于9層金屬層和0.2mm金屬間距，問(wèn)題就不是

　　那么簡(jiǎn)單了。必須將電路設(shè)計(jì)成具有從芯片外部能控制和能觀察的，而在成本和時(shí)間預(yù)算上不超出我們的目標(biāo)。”

　　這種情況，簡(jiǎn)單扼要地描述了調(diào)試設(shè)計(jì)界的情況。

　　技術(shù)概覽

　　調(diào)試與DFT并不是完全脫離的。Broadcom公司的測(cè)試開(kāi)發(fā)工程高級(jí)總監(jiān)Kris Hublitz舉例介紹說(shuō)，Broadcom有一個(gè)由70多名工程師組成的公司級(jí)團(tuán)隊(duì)，他們與公司其它的芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)共同從事調(diào)試和測(cè)試。Hublitz再三宣稱DFT廠商LogicVision是Broadcom芯片調(diào)試策略的主要合作伙伴。

　　其他人也同意這種觀點(diǎn)。“調(diào)試設(shè)計(jì)與生產(chǎn)測(cè)試并不是毫無(wú)關(guān)系，” CSR （Cambridge Silicon Radio） 的副總裁David McCall說(shuō)。“兩者的起點(diǎn)差不多。”

　　很多設(shè)計(jì)經(jīng)理強(qiáng)調(diào)，這一起點(diǎn)就是探尋電路的能控性和能觀性。調(diào)試與生產(chǎn)測(cè)試相似，基本問(wèn)題是將電路設(shè)置在一個(gè)已知的狀態(tài)，然后開(kāi)始運(yùn)行，觀察其行為。在中等規(guī)模的集成中，邊界掃描技術(shù)可有效地完成此任務(wù)。由于芯片內(nèi)部狀態(tài)較少，可以全面地對(duì)其進(jìn)行測(cè)試：將輸入通過(guò)已知的一系列狀態(tài)，對(duì)電路進(jìn)行時(shí)鐘同步，然后觀察輸出。

　　隨著微處理器的出現(xiàn)，事情變得更加復(fù)雜了。微處理器有很多內(nèi)部狀態(tài)，所以只將輸入施加給一個(gè)已知矢量并觀察輸出并不是特別有效。早期，業(yè)界嘗試了多種技術(shù)使微處理器實(shí)現(xiàn)可調(diào)試，從對(duì)寄存器間的每群邏輯進(jìn)行掃描到依賴同類的跟蹤、斷點(diǎn)及微機(jī)用于進(jìn)行軟件調(diào)試的單步函數(shù)等。將兩種方法結(jié)合起來(lái)才能起作用。

　　如今設(shè)計(jì)人員對(duì)SoC的數(shù)字部分使用相同的工具套件。另有一些技術(shù)用于混合信號(hào)的模擬電路。但沒(méi)有單獨(dú)一種方法可以囊括整個(gè)復(fù)雜的SoC。所以，調(diào)試的設(shè)計(jì)流程包括將系統(tǒng)分割成獨(dú)立的可調(diào)試模塊，對(duì)每個(gè)模塊實(shí)施一個(gè)調(diào)試策略，并將這些策略整合到一個(gè)完整芯片的方案中，使單個(gè)模塊的用戶接口相似并盡量減少電路需要的芯片資源。最后，設(shè)計(jì)師必須使用這些調(diào)試資源重新檢查，使完全集成的芯片的運(yùn)行既可控制又可觀察，因?yàn)槟悴荒苤桓鶕?jù)隔離功能模塊就能判斷某些問(wèn)題。

　　數(shù)字SoC

　　最基本的SoC 形式是由簡(jiǎn)單的往往是可編程的外設(shè)模塊和內(nèi)存所包圍的CPU 核。多數(shù)情況下，CPU 核為第三方的IP，至少有一個(gè)內(nèi)部調(diào)試內(nèi)核的選項(xiàng)。軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)常強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。此內(nèi)核與標(biāo)準(zhǔn)的DFT 電路相結(jié)合，這種電路是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為外設(shè)所實(shí)施的，以實(shí)現(xiàn)能觀性和能控性來(lái)隔離故障。可以在CPU 核中應(yīng)用這種調(diào)試內(nèi)核，模擬核的非同步部分，以捕捉結(jié)果。通過(guò)讓CPU 讀寫外設(shè)寄存器，此內(nèi)核也可模擬并觀察外設(shè)，通常允許設(shè)計(jì)師在可以處理的級(jí)別上確定掃描鏈中的故障。

　　但如今并沒(méi)有多少這么簡(jiǎn)單的SoC（圖 1）。更多的情況下，芯片有幾個(gè)或一群CPU 核和幾種不同的處理器內(nèi)核。某些外部控制器非常復(fù)雜，只用CPU對(duì)其進(jìn)行模擬來(lái)觀察結(jié)果，并不能對(duì)其有效診斷。還有多個(gè)時(shí)鐘域，它們之間通常彼此并不同步。這樣的芯片需要更有效的方法來(lái)調(diào)試。

　　在這種情況下，有幾種策略可用。Broadcom的Hublitz介紹的一種簡(jiǎn)單方法是使所有主要功能模塊的輸入和輸出可以訪問(wèn)芯片的針腳。這種方法需要大量的多路復(fù)用。在有大量I/O 和內(nèi)存接口的設(shè)計(jì)中，在引入任何額外訪問(wèn)進(jìn)行調(diào)試之前，芯片針腳數(shù)已經(jīng)限定了，設(shè)計(jì)人員必須復(fù)用針腳進(jìn)行調(diào)試訪問(wèn)。只將輸入輸出簡(jiǎn)單引出每個(gè)復(fù)雜模塊，可能比將其在主CPU 核上執(zhí)行更有用，設(shè)計(jì)師可能需要引出內(nèi)部信號(hào)。

　　所有這些多路復(fù)用和輸入輸出傳送共同作用，可能并不太實(shí)際。而且，結(jié)果的額外互連會(huì)造成盡管所有模塊可從針腳進(jìn)行實(shí)際訪問(wèn)，但其訪問(wèn)速度根本達(dá)不到要求。這是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。“我們必須要以全速測(cè)試電路，特別是模塊間的互連，”Hublitz 說(shuō)。“這對(duì)于65 nm工藝的芯片更是如此。否則會(huì)產(chǎn)生芯片中的故障。”

　　Hublitz 強(qiáng)調(diào)，由ATE （自動(dòng)測(cè)試設(shè)備） 支持的良好的DFT 策略，可極大地有助調(diào)試過(guò)程。“我們第一輪調(diào)試在ATE 系統(tǒng)上進(jìn)行，”他說(shuō)。“在我們清楚了芯片不會(huì)融化后，把它交給設(shè)計(jì)人員，與他們一起合作。”Hublitz同時(shí)表明，芯片可能會(huì)不斷地返回到 Broadcom的測(cè)試臺(tái)，以使 ATE 系統(tǒng)采集大量的數(shù)據(jù)或進(jìn)行速度檢查。“自己內(nèi)部有ATE 能力的真是很有用，”他表示。“我們有28 個(gè)系統(tǒng)，大概每季度就增加一個(gè)新的，主要是用于調(diào)試，調(diào)試新芯片是我們裝備設(shè)備最主要的目的。”

　　雖然有了ATE 系統(tǒng)，某些信號(hào)和 狀態(tài)還是不能通過(guò)探測(cè)卡的檢查。需要采用其它的策略：內(nèi)部仿真和邏輯分析。有時(shí)，對(duì)模塊進(jìn)行快速仿真和捕捉其行為的唯一有效途徑是將電路構(gòu)建到模塊內(nèi)部。據(jù)Chiang介紹，Bay將其網(wǎng)絡(luò)處理芯片組織成一串獨(dú)立的處理器，并廣泛應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)。重要的模塊可以有其自己的調(diào)試內(nèi)核，包括單步和斷點(diǎn)能力及跟蹤緩沖器實(shí)時(shí)捕捉

　　內(nèi)部狀態(tài)。Bay 的邏輯設(shè)計(jì)總監(jiān)Jun-wen Tsong將這種方法描述為多階段驗(yàn)證流程。

　　“首先，我們?cè)谀K級(jí)實(shí)現(xiàn)芯片。在這種模式下，每個(gè)模塊都被隔離開(kāi)來(lái)：我們可以注入足夠的狀態(tài)啟動(dòng)其運(yùn)行，然后觀察其獨(dú)立運(yùn)行特點(diǎn)。”這些測(cè)試必須在最大時(shí)鐘速度下進(jìn)行，以保證精度。這樣，設(shè)計(jì)師就可實(shí)現(xiàn)對(duì)一串處理器每級(jí)的調(diào)試。此時(shí)，設(shè)計(jì)師還將I/O 環(huán)與內(nèi)部模塊隔離，使輸入可直接進(jìn)入輸出FIFO中。Bay 的設(shè)計(jì)師在獨(dú)立驗(yàn)證I/O 環(huán)和內(nèi)部模塊后，再將兩者結(jié)合起來(lái)整體地測(cè)試芯片。

　　以整個(gè)芯片全速運(yùn)行采集數(shù)據(jù)，需要制定全面的計(jì)劃。單個(gè)處理器中的調(diào)試內(nèi)核必須不僅可以識(shí)別本地指令和數(shù)據(jù)字，而且大的圖像數(shù)據(jù)對(duì)芯片運(yùn)行也是十分重要的：如數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)封包。另外，36位總線貫穿整個(gè)芯片，可實(shí)時(shí)將關(guān)鍵信號(hào)從任何模塊傳輸?shù)椒庋b腳。使芯片以全速處理包時(shí)，調(diào)試工程師可以觀察模塊的運(yùn)行。此外，硬件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)特定的斷言，如FIFO full/empty 斷言。Broadcom 也有類似的方法。Hublitz告訴我們，他們公司的無(wú)線局域網(wǎng)芯片有足夠的內(nèi)部調(diào)試硬件，工程師可以在整個(gè)芯片上跟蹤向量幅度，從輸入到基帶直到輸出。

　　在一個(gè)模塊內(nèi)一旦將問(wèn)題隔離到一個(gè)功能上時(shí)，基于類似DFT 的策略，調(diào)試工程師可使用低級(jí)的診斷工具。Bay 杰出的工程師兼芯片架構(gòu)師Barry Lee 說(shuō)：“我們?cè)谀K中有對(duì)觸發(fā)和單步的時(shí)鐘控制，并可掃描我們認(rèn)為重要的信號(hào)。理想情況下，我們可以確切地了解一個(gè)特殊的流水線如何執(zhí)行到針腳和寄存器級(jí)別。”

　　模擬挑戰(zhàn)

　　當(dāng)涉及模擬電路時(shí)，一切都不一樣了。“我們將模擬部分與數(shù)字電路分割開(kāi)來(lái)進(jìn)行調(diào)試”Lee 解釋道。“對(duì)兩者的調(diào)試技術(shù)是不一樣的。在模擬領(lǐng)域，要打開(kāi)環(huán)回途徑，可能要將所有的調(diào)試拿到封裝腳之外進(jìn)行。由于在模擬電路中活動(dòng)基元并不與時(shí)鐘同步，因而無(wú)法對(duì)其進(jìn)行捕捉。”

　　模擬電路與數(shù)字電路類似，隨著幾何尺寸的縮小，設(shè)計(jì)師已經(jīng)看到了探測(cè)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力，Analog Devices的Paul Ferguson 認(rèn)為。“我們習(xí)慣了將激光切割器用于探測(cè)臺(tái)來(lái)修改電路。后來(lái)，隨著幾何尺寸的減小，我們轉(zhuǎn)移到了聚焦離子束系統(tǒng)。對(duì)于250 nm 或更大的間距非常實(shí)用。這表明，實(shí)際上說(shuō)，如果采用65nm 工藝，只能改動(dòng)上面的兩個(gè)金屬層。”

　　這種情況引發(fā)了模擬設(shè)計(jì)風(fēng)格的一個(gè)有趣的變化， Ferguson說(shuō)。“最近我們?cè)谧鲆豁?xiàng)90nm 設(shè)計(jì)的PLL，我們發(fā)現(xiàn)必須首先完成VCO（壓控制振蕩器），才能建立合適的模型。所以，我們引入了一些線路，將增益和其它參數(shù)調(diào)整到所能達(dá)到的上部金屬層。這對(duì)于調(diào)試過(guò)程的確很有益處。”

　　Matt Ball 是單芯片無(wú)線電廠商Jennic公司的混合信號(hào)項(xiàng)目工程師，他也強(qiáng)調(diào)要將關(guān)鍵模擬信號(hào)置于可取位置的重要性。“我們加入了盡量多的可編程性和數(shù)字調(diào)整功能，”他說(shuō)。“有些東西必須為金屬微調(diào)的， 我們將那些位置變成單一的掩模層級(jí)別實(shí)現(xiàn)可訪問(wèn)性。”

　　除了將實(shí)時(shí)信號(hào)引到上部金屬層或封裝腳上，今天的模擬設(shè)計(jì)師還有其它武器設(shè)定及觀察電路的狀態(tài)。最重要的是在微細(xì)幾何尺寸上進(jìn)行，模擬電路與校準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)它們的數(shù)字電路間要有密切的協(xié)作。

　　CSR的McCall 說(shuō)在其設(shè)計(jì)中，ADC監(jiān)測(cè)器可確定模擬電路中數(shù)字監(jiān)視電路的多個(gè)點(diǎn)。這些點(diǎn)通過(guò)將轉(zhuǎn)換器的輸出接到封裝的外部，為調(diào)試工程師提供了訪問(wèn)模擬部分行為的機(jī)會(huì)。“通常重要的模擬信號(hào)在某些點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字化處理了”Ball說(shuō)。“為什么不進(jìn)行采樣，以片上DSP進(jìn)行濾波，輸出我們能夠看到它的結(jié)果呢？”

　　設(shè)計(jì)濾波器或放大器以便數(shù)字電路能夠調(diào)節(jié)所有重要電氣特性，這似乎有些大動(dòng)干戈了。但是在首次工作的芯片和在調(diào)試前有兩層新金屬掩模層的芯片之間產(chǎn)生的不同甚至可以啟動(dòng)設(shè)計(jì)的數(shù)字部分。而且，在小于90nm的工藝中，設(shè)計(jì)師必須面對(duì)越來(lái)越強(qiáng)的可變性，這些由數(shù)字調(diào)整就成了必須，這樣才能生產(chǎn)足夠數(shù)量的有用芯片。

　　如何進(jìn)行調(diào)整？對(duì)于無(wú)線電芯片上信號(hào)的精度和頻率，IF （中頻）信號(hào)，在測(cè)試模式中可以只用布線和模擬多路復(fù)用將信號(hào)引出封裝之外。“在中頻部分，緩沖器非常有用。”Ball 說(shuō)。“從重要的節(jié)點(diǎn)取得信號(hào)送到針腳，就可以看到需要看的結(jié)果。”Analog Devices的Ferguson也同意此觀點(diǎn)。“就調(diào)試而言，往往不需要比模擬多路復(fù)用器所能提供的精確度高多少，就可以看到振蕩或20% 的增益誤差。”

　　如果不能將信號(hào)引到封裝之外，有時(shí)可以將 信號(hào)路由到片上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 器。“芯片上通常有一個(gè)附屬ADC監(jiān)測(cè)芯片溫度，電池電壓等等，”Ferguson 解釋說(shuō)。“在調(diào)試中我們將龐大的多路復(fù)用器置于其前面，用來(lái)檢查模擬部分的其它節(jié)點(diǎn)。但要小心：額外的測(cè)量電路會(huì)損壞其它部分。例如，接通多路復(fù)用器觀察節(jié)點(diǎn)，會(huì)提高穩(wěn)定電路的振

　　蕩能力。如果調(diào)試信號(hào)無(wú)意中跨過(guò)電源域，可以引入沒(méi)有遇到過(guò)的寄生電流路徑。”

　　Ball 也同意這種警告，必須選擇適當(dāng)?shù)姆椒ǎf(shuō)：“緩沖模擬信號(hào)時(shí)所產(chǎn)生的10fF或20fF可改變節(jié)點(diǎn)的行為。” Jennic傾向于只根據(jù)以前出現(xiàn)問(wèn)題的區(qū)域，如帶隙電池，構(gòu)建其調(diào)試方案。“我們更喜歡添加旁通電路，以防出現(xiàn)問(wèn)題。”Ball補(bǔ)充說(shuō)。這種保守思想可降低故障電路的出現(xiàn)機(jī)會(huì)。

　　經(jīng)過(guò)計(jì)劃，加上運(yùn)氣，以及一點(diǎn)雅致，可以重新利用功能模塊進(jìn)行調(diào)試。許多模擬信號(hào)在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中終止，所以至少其中部分是可觀察的。Ferguson 指出，可以輕松地開(kāi)關(guān)s-Δ轉(zhuǎn)換器作為濾波器工作，以對(duì)進(jìn)入的模擬信號(hào)進(jìn)行觀察。或者小心地將位流路由到針腳，在轉(zhuǎn)換器兩側(cè)都可觀察。一旦對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理，就可以使用CPU 或DSP 模塊調(diào)節(jié)及壓縮或測(cè)試對(duì)其的斷言。

　　也可以將調(diào)試智能（相當(dāng)于簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)分析儀）構(gòu)建到一個(gè)模塊中。環(huán)回路徑可使用發(fā)射器和接收器來(lái)互相檢查（圖 2），有些電路可以抽取結(jié)果的模擬波形。“在我們千兆位PHY （物理層）設(shè)計(jì)中，我們?cè)赑HY 塊中捕捉到了一些模擬信號(hào)，”Broadcom Hublitz 介紹說(shuō)。

　　發(fā)展前景

　　不難想象，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)早期階段，每個(gè)功能模塊接受足夠的自檢能力在全速運(yùn)行期間進(jìn)行自身診斷，并在DFT掃描鏈可處理的級(jí)別上實(shí)現(xiàn)這種能力。這種方法通常需要輸入緩沖器或信號(hào)發(fā)生器對(duì)模塊仿真，還要有輸出捕捉寄存器或ADC 對(duì)其觀察，以及足夠的內(nèi)部斷點(diǎn)和跟蹤能力揭示模塊的內(nèi)部工作情況。一些SOC 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在進(jìn)行此項(xiàng)計(jì)劃。這樣實(shí)際的實(shí)現(xiàn)就成了架構(gòu)師認(rèn)為必要的調(diào)試支持級(jí)別與設(shè)計(jì)所能承受的費(fèi)用間的折中。

　　進(jìn)一步拓展此概念，完美系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師可以利用重定某些功能模塊目標(biāo)，作為信號(hào)源或其它模塊的捕捉設(shè)備。附屬的ADC 是個(gè)很好的例子，這樣的機(jī)會(huì)還有更多。例如，增加快速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可以將信號(hào)處理模塊變成網(wǎng)絡(luò)分析儀或數(shù)字示波器。對(duì)控制邏輯稍作添加，即可將緩沖器 SRAM 陣列轉(zhuǎn)換為跟蹤緩沖器。

　　按這種思考方式，片上的功能模塊可成為大量的調(diào)試資源，只重置幾個(gè)多路復(fù)用器和模式開(kāi)關(guān)即可。但此過(guò)程需要深謀遠(yuǎn)慮。這樣組織會(huì)影響平面規(guī)劃和全局布線。必須在設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)進(jìn)行，而不能在最后的實(shí)現(xiàn)時(shí)進(jìn)行。

　　Ferguson 認(rèn)為，某些工具也可支持這種過(guò)程。精密的工具可自動(dòng)安裝這種結(jié)構(gòu)，如掃描鏈、掃描控制器及矢量發(fā)生器等。而且，DFT 硬件在寄存器級(jí)別的診斷上是必不可少的。但是，并沒(méi)有支持創(chuàng)建調(diào)試結(jié)構(gòu)的工具。Ferguson至少想要看到一種將混合信號(hào)模塊視為具有能觀性和能控性，并能掃描檢查簡(jiǎn)單錯(cuò)誤的檢測(cè)工具。理想狀態(tài)下一種工具應(yīng)該能夠貫穿于一項(xiàng)設(shè)計(jì)，并能提出一種調(diào)試架構(gòu)和工藝。但這是以后要解決的問(wèn)題。