BIST在SoC片上嵌入式微處理器核上的應用

引 言

　　隨著科技的不斷發展，集成電路的制造工藝和設計水平得到了飛速提高，設計者能夠將非常復雜的功能集成到硅片上。將PCB板上多塊芯片的系統集成到一塊芯片內部，這個芯片就是系統級芯片，即SoC(System on Chip)。SoC芯片的特點主要有兩方面：第一是其高度的復雜性，第二是大量運用可重用的IP(Intellectual Property)模塊。以往的芯片設計往往只專注于某個特定功能的模塊設計，例如壓縮／解壓、無線模塊、網絡模塊等。而一塊SoC芯片的功能可能是多個獨立模塊的總和。另外，芯片的制造需要經歷化學、冶金、光學等工藝過程，在這些過程中可能引入物理缺陷導致其不能正常工作。因此對芯片的測試成為必不可少的環節?？蓽y性設計(Design ForTest，DFT)是在芯片的設計階段就考慮以后測試的需要，使芯片測試更加容易和充分，并降低測試成本。一個SoC包含各種可復用的功能IP核，其中嵌入式微處理器核是其中的關鍵部分，大部分都嵌有一個或多個微處理器核以獲得最好的性能。所以，對微處理器核可測性問題的研究越來越迫在眉睫。

　　1 傳統測試方法

　　20世紀七八十年代之前，集成電路還都是小規模電路時，測試大都通過加入激勵，探測相應的方式來完成。這種方式在電路規模不大并且頻率不快的情況下還是可行的，但是隨著集成電路規模的增長，功能驗證內容增多，或者需要使用異步激勵信號時，這樣的測試方式就存在局限性。為了提高故障點的測試覆蓋率，出現了自動向量生成(ATPG)工具。運用ATPG算法以及強大的計算機，可以檢測到盡可能多的故障點。隨著芯片規模的增長，芯片門數相對于引腳數目的比例變得太懸殊，只通過輸入／輸出引腳進行測試的方法幾乎不能再應用了，于是出現了另外一種基于掃描的測試技術——DFT。但當掃描鏈很長而且數量很多時，單芯片測試時間還是很長。同時高級測試儀器的價格急速攀升，使得BIST(Built-In Self-Test)即片內測試方法的產生成為必然。

　　2 幾種常用的BIST方法及其優缺點

　　片內測試是節省芯片測試時間和成本的有效手段，外部測試的測試速度以每年12％的幅度增長，而片內芯片的速度以每年30％的幅度增長，這一矛盾進一步推動了BIST的應用。由于SoC芯片內部的IP種類繁多，對不同的IP核采用不同的BIST測試方法。采用BIST技術的優點在于：降低測試成本、提高錯誤覆蓋率、縮短測試時間、方便客戶服務和獨立測試。目前BIST測試方法主要有MemBIST和LogicBIST。

　　2．1 MemBIST

　　MemBIST是面向嵌入式芯片存儲器的測試方式，用于測試存儲器工作是否正常。芯片內部有一個BISTController，用于產生存儲器測試的各種模式和預期的結果，并比較存儲器的讀出結果和預期結果。MemBIST可分為RAMBIST和ROMBIST。目前較常用的存儲器BIST算法有March算法及其變種。業界常用的工具有Mentor Graphics的MBIST Architecture。

　　2．1．1 RAMBIST測試結構

　　用RAM實現的數據Cache和指令Cache均使用普通的BIST方法。因為這兩個RAM的結構完全相同，因此為了減少面積消耗，只使用一組測試電路。在測試時有外部信號TE0、TE1分別控制RAM1、RAM2是否處于測試狀態，TE0、TE1不能同時有效。測試電路結構如圖1所示。

　　控制器在外部輸入信號BIST的控制下，產生讀寫控制信號、訪問地址和測試碼，對RAM的相應數據進行壓縮分析，并將得到的特征值與存放在芯片中的標準特征值比較。通過兩個I／O口報告測試結果，還實現了初步的故障診斷功能。當發現有故障時，通過TAP控制器，可以將出錯的地址移出芯片，為進一步的故障診斷和修復提供信息。

　　2．1．2 ROMBIST測試結構

　　通常使用循環冗余校驗(CRC)電路實現ROM的測試，這種方法雖然測試結果很可靠，但是需要逐位讀取信息，而對ROM的訪問是每次32位，如果使用該方法則需要一個緩沖機制，并且速度會很慢。在此仍使用RAM測試中并行的數據壓縮，故障覆蓋率能夠達到要求，測試電路也比CRC電路簡單。測試電路如圖2所示。

　　BIST測試信號由TAP控制器的TDT口輸入，是整個測試電路的使能信號，測試過程經過觸發后，完全在電路內部完成，結束后通過一個I／O口報告測試結果。多輸入寄存器(MISR)作為TAP控制器的數據寄存器，測試初始化時設置為初始狀態。

　　2．2 LogicBIST

　　LogicBIST方法是利用內部的向量產生器逐個地產生測試向量，將它們施加到被測電路上，然后經過數字壓縮和鑒別產生一個鑒別碼，將這個鑒別碼同預期值進行比較。

　　LogicBIST通常用于測試隨機邏輯電路，一般采用偽隨機測試圖形生成器來產生輸入測試圖形，應用于器件內部機制；采用MISR作為獲得輸出信號產生器。由于MI-SR的結構和多輸入序列的鑒別碼的固有特點，這是一個多對一的映射關系。不同的輸入序列通過MISR之后可能產生相同的鑒別碼，這被稱之為alias。

　　LogicBIST測試只能得到芯片能否通過測試的結果。一旦芯片不能通過測試，該如何確定芯片內部的故障點在何處呢?這就是診斷工作，不過LogicBIST對故障診斷的支持太弱，如果一塊芯片未能通過，單單憑錯誤的鑒別碼是很難確定故障點在何處的。有時會出現芯片內部多個故障點的共同作用使得鑒別碼反而是正確的現象，這被稱之為漏測試。它產生的概率非常小，也有算法來盡量減小漏測試發生的概率。其中一種方法是將正確的序列輸入，和正確的鑒別碼作單一映射，其他的錯誤輸人一定得到錯誤的鑒別碼。這種方法對MISR、PRRG以及CUT都需要具體分析，以改變其結構或者PRPG的生成順序。

　　結 語

　　本文介紹了SoC片上嵌入式微處理器核可測性技術的研究現狀；介紹了設計時在電路中植入相關功能電路，用于提供自我測試功能的技術，以降低器件測試對自動測試設備(ATE)的依賴程度。BIST技術可以實現自我測試，也可以解決很多電路無法直接測試的問題(因為它們沒有外部引腳)。

　　可以預見，在不久的將來即使最先進的ATE也無法完全測試最快的電路，這也是采用BIST的原因之一。但是BIST也存在一些缺點，如額外的電路會占用寶貴的面積，會產生額外的引腳和可能出現測試盲點等。BIST技術正成為高價ATE的替代方案，但是目前還無法完全取代ATE，他們將在未來很長一段時間內共存。