FLASH存儲器測試程序原理和幾種通用的測試方法

1．引言

隨著當前移動存儲技術(shù)的快速發(fā)展和移動存儲市場的高速擴大，F(xiàn)LASH型存儲器的用量迅速增長。FLASH芯片由于其便攜、可靠、成本低等優(yōu)點，在移動產(chǎn)品中非常適用。市場的需求催生了一大批FLASH芯片研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用企業(yè)。為保證芯片長期可靠的工作，這些企業(yè)需要在產(chǎn)品出廠前對FLASH存儲器進行高速和細致地測試，因此，高效FLASH存儲器測試算法的研究就顯得十分必要。

不論哪種類型存儲器的測試，都不是一個十分簡單的問題，不能只將存儲器內(nèi)部每個存儲單元依次測試一遍就得出結(jié)論，這是因為每一個存儲單元的改變都有可能影響存儲器內(nèi)部其他單元的變化（這種情況又是常常發(fā)生的）。這種相關(guān)性產(chǎn)生了巨大的測試工作量。另外，F(xiàn)LASH存儲器有其自身的特點，它只能將存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)從“1”寫為“0”，而不能從“0”寫為“1”，若想實現(xiàn)“0”－》“1”操作，只能把整個扇區(qū)或整個存儲器的數(shù)據(jù)擦除，而擦除操作要花費大量的時間。FLASH存儲器還有其他特性，比如讀寫速度慢、寫數(shù)據(jù)之前要先寫入狀態(tài)字、很多FLASH只適于順序讀寫而不適于跳轉(zhuǎn)操作等，這些特點都制約了FLASH存儲器的測試。

為解決FLASH測試中的這些問題，人們提出了應(yīng)用內(nèi)建自測試或利用嵌入式軟件等測試方法測試相關(guān)性能，都取得了比較好的效果，但這些方法大多不適用于利用測試儀進行批量的產(chǎn)品測試。而多數(shù)對通用存儲器測試很有效的算法，由于受到FLASH器件自身的限制（如不能不能直接從“0”寫為“1”），很難直接適用于FLASH測試。

文本在簡單介紹FLASH芯片的結(jié)構(gòu)與特點之后，說明了FLASH存儲器測試程序原理。在此基礎(chǔ)上，分析和改進了幾種通用的存儲器測試方法，使之能有效地應(yīng)用于FLASH測試中。這些方法簡單高效，故障覆蓋率高，并且可以快速預(yù)先產(chǎn)生，與其他一些測試算法相比，更適于應(yīng)用在測試儀中進行工程測試。本文分析了這些方法的主要特點，在此基礎(chǔ)之上，介紹了實際FLASH存儲器測試中應(yīng)用的流程。

2．FLASH芯片的結(jié)構(gòu)特征

FLASH存儲器種類多樣，其中最為常用的為NOR型和NAND型FLASH。通常，NOR型比較適合存儲程序代碼，其隨機讀寫速度快，但容量一般較?。ū热缧∮?2 MB），且價格較高；而NAND型容量可達lGB以上，價格也相對便宜，適合存儲數(shù)據(jù)，但一般只能整塊讀寫數(shù)據(jù)，隨機存取能力差。它們對數(shù)據(jù)的存取不是使用線性地址映射，而是通過寄存器的操作串行存取數(shù)據(jù)。

一般來說，不論哪種類型的FLASH，都有一個ID寄存器，用來讀取存儲器信息，可根據(jù)供應(yīng)商提供的芯片資料進行具體的類型判斷。另外，F(xiàn)LASH存儲器的擦除過程相對費時，且擦除流程相對復(fù)雜。圖1為FLASH芯片擦除的一般流程。

可見，擦除數(shù)據(jù)的操作限制了FLASH芯片的工作速度。此外，其他一些特性，比如讀寫速度慢、寫數(shù)據(jù)之前要先寫入狀態(tài)字、很多FLASH都設(shè)有冗余單元等等，這些特點都制約了測試速度的提高。因此，設(shè)計合理的方法，或?qū)讐KFLASH并測，并且應(yīng)用測試算法減少測試時間就顯得十分必要。

3．系統(tǒng)連接

本文選用的芯片為AMD公司的NOR型FLASH——Am29LV400B及三星公司的NAND型FLASH K9F5608UOB，它們都可通過44 PIN專用適配器和數(shù)字電路測試儀的數(shù)字通道直接相連。我們所采用的硬件實驗平臺是北京自動測試技術(shù)所開發(fā)的BC3192數(shù)?；旌蠝y試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提供工作速度快，算法圖形產(chǎn)生方式靈活，非常適合測試需要。

4．測試實現(xiàn)方法

假設(shè)存儲器可選址的存儲單元數(shù)為N，由于存儲器芯片每次只能訪問一個存儲單元，每個單元只有“0”或“1”兩種狀態(tài)，所以所有可能出現(xiàn)的狀態(tài)共2N種。由于選取的地址又是隨機的，所以，當測試步數(shù)為M時，選址序列組合可能有2N NM種之多。即使采用全“0”或全“1”兩種圖案測試，總的測試圖形也將有2NM種，這是個巨大的數(shù)字。

為了能夠有效地檢測存儲器芯片，必須分析半導體存儲器的結(jié)構(gòu)，確定和選擇幾種能夠有效檢驗存儲器功能的圖形，使之既能達到檢測目的，又使測試量限定在允許范圍之內(nèi)。但實際應(yīng)用中，由于每種測試圖形都有其局限性，再加上各個生產(chǎn)廠家以及各種型號存儲器的特性不完全一致，現(xiàn)在還沒有最佳的統(tǒng)一測試方法。

根據(jù)FLASH芯片的特點，我們主要改進并使用了以下幾種辦法：

4.1 奇偶校驗圖形檢驗法

奇偶校驗圖形檢驗法是一種比較適合存儲器測試的方法。在奇偶性圖形檢驗法中，向存儲單元矩陣寫入的數(shù)據(jù)圖案是根據(jù)存儲單元選址地址碼的奇偶性而定的。如果存儲單元的行地址碼和列地址碼中有偶數(shù)個1，其奇偶性為0，則在該存儲單元中寫入“0”（或“1”）；如果有奇數(shù)個1，其奇偶性為1，則在該存儲單元中寫入“1”（或“0”）；存儲單元矩陣存入的信號數(shù)據(jù)將是行地址碼和列地址碼之間的異或關(guān)系，其算法如下：

式中Pr為行地址的奇偶性，Pc為列地址的奇偶性。

FLASH芯片奇偶性圖形功能檢測的流程是：首先根據(jù)算法寫入背景圖形，然后逐位讀出并檢驗結(jié)果的正確性，再將芯片數(shù)據(jù)擦除，以反碼圖形重復(fù)上述測試過程。其總的測試步數(shù)為M=4N。

由于奇偶性圖形是不對稱的，任何一位的地址譯碼器失效都會引起本應(yīng)寫入互為反碼數(shù)據(jù)的兩個存儲單元之一重復(fù)選址，并且第二次選址改變了第一次選址時寫入的內(nèi)容，而另一個存儲單元未被訪問。因此地址奇偶性圖形可以很好地檢驗出地址譯碼器的故障。

奇偶性圖形每次都把整個存儲器單元寫完后再整體讀出，沒有反復(fù)擦除的過程（整個過程只需擦除兩次），非常適用于FLASH芯片測試。

4.2 齊步法

齊步法［6］是對存儲器的每個單元依次進行檢驗的一種方法。首先從第一個存儲單元開始，逐個對每個單元進行取反和檢驗，直到最后一個單元檢測結(jié)束才完成一遍掃描。然后，在背景為反碼的情況下，從第一個存儲單元開始，逐個對每個單元進行取反和檢驗，直到最后一個單元檢測結(jié)束。整個過程就像所有單元一起向前走步一樣，因此稱為“齊步法”。根據(jù)FLASH芯片特點，我們改變在反碼背景條件下走步的過程，把它改造如下，形成了適合的齊步算法。

在圖2中給出了測試FLASH齊步法的測試流程：

在測試之前，每個存儲單元具有信息“1”。首先在存儲矩陣中寫入背景圖案（初始狀態(tài)為全“1”），然后從地址A0開始選址進行讀“1”，寫“0”，讀“0”操作，并檢驗讀出結(jié)果。接著，依次到下一個選址單元重復(fù)該操作（讀“1”，寫“0”，讀“0”），直到全部存儲單元（A＝N－1）重復(fù)完為止。再在讀操作方式下對全部存儲單元進行一次正向掃描讀出，檢查有無正向?qū)Ψ聪虻亩嘀貙懭雴栴}。然后將存儲器輸入擦除，使之全部單元為全“1”。進而開始反向掃描：從最高地址AN－1開始執(zhí)行讀“1”，寫“0”，讀“0”操作，逐位進行上述操作過程，直至最終地址為AN-1，最后對全部存儲單元進行讀“0”掃描，以檢驗讀出結(jié)果的正確性。

用這種測試算法檢測存儲芯片，可使每個存儲單元都被訪問。既能保證每個存儲單元都能存儲“1”和“0”數(shù)據(jù)，又能保證每個存儲單元都受到周圍其他單元的讀“1”、讀“0”和寫“1”、寫“0”的打擾。齊步法總的測試步數(shù)為：

式（3）中，W表示寫操作，R表示讀操作，Q表示“1”， 表示“0”。Bij表示存儲器第i行j列的存儲單元。如WBij（Q）就表示對第i行j列的存儲單元進行寫“1”操作所用的時間。

由式（3）可知，其測試步數(shù)共9N，且整個過程只需兩次擦除操作，可見它是一種即快速又有效的方法。

4.3 移動變反法

移動變反測試法是按順序變反每個地址存儲單元數(shù)據(jù)的方法。它需要在變反前后讀出每個存儲單元的數(shù)據(jù)，而且，還必須借助于前進和后退的地址尋址序列產(chǎn)生地址跳躍，地址以20、21…、2n-1次方的增量變化（n是地址位數(shù)）。按照以上規(guī)律進行地址跳變后，再對每個地址進行三次操作：讀、寫和讀即可完成一個循環(huán)。

以上操作的目的主要在于地址間產(chǎn)生有效相互打擾，但顯然如果以整個芯片為單元進行上述操作需要多次擦除數(shù)據(jù)，因此對FLASH測試芯片應(yīng)做如此改進：以扇區(qū)為單元完成操作。假設(shè)FLASH芯片有N個扇區(qū)，移動變反法的功能測試先要以“1”為背景圖案寫入全部存儲單元。首先，在第一個扇區(qū)，對A0存儲單元讀出并驗證是“1”，再將該存儲單元改寫成“0”，最后讀出該存儲單元的信息以證明新寫入的“0”仍存于該存儲單元中。第一扇區(qū)測試地址按有效位的階20遞增，對每個存儲單元都要重復(fù)上述的讀“1”，寫“0”讀“0”的操作過程，需要測試步長為3n（n為該扇區(qū)的存儲單元數(shù)）才能使全部的存儲單元都變成“0”。這次測試的地址序列是遞增1的，即由地址最低位A0增加到最高位A（n－1），對A（n－1）存儲單元進行讀“1”，寫“0”和讀“0”驗證。

對第二個扇區(qū)，以下一個地址階21作為地址增量的變化量，每次用不同的地址位作為最低位（分別為第0位和第1位），使地址以此增量的變化通過所有可能的地址。因此在一次測試程序中所有地址的存儲單元都被測試一次。

然后，依次以22、24…2N作為地址增量，重復(fù)上述過程，每完成一個循環(huán)便產(chǎn)生一個循環(huán)進位。

由于各個扇區(qū)的大小不同，移動變反法功能測試圖形步長為3n（n為最大扇區(qū)存儲單元個數(shù)）。以扇區(qū)為單元的測試實際上是一種對芯片功能的抽測，因為它并沒有進行對各單元存取數(shù)據(jù)進行反復(fù)打擾，以驗證其地址線間信號改變所帶來的影響，但這種方法分別在各個扇區(qū)對鄰近地址線一一做了打擾測試，由于各個扇區(qū)結(jié)構(gòu)根本上是相同的，因此這種抽測很有代表性，并且把測試時間減少了一個數(shù)量級。

移動變反法測試圖形是一種良好的折衷測試方案。因為它幾乎具有各種測試圖形的最好特點，可以用較少的試驗步數(shù)測試盡可能多的存儲單元間打擾的相互影響。在具體程序中，“1”場變反為“0”場是按序選擇地址，并通過寫入這些地址而產(chǎn)生的，在兩次讀出之間有一次寫操作。移動變反法測試包括了功能測試和動態(tài)測試，功能測試保證被測存儲單元不受讀、寫其他存儲單元的影響，動態(tài)測試預(yù)測最壞和最好條件下的取數(shù)時間，并預(yù)測地址變換對這些時間的影響。

這種測試方法易于實現(xiàn)，它是在跳步算法的基礎(chǔ)上，通過改變跳步的長度，減小了算法的復(fù)雜度。移動變反法測試是一種具有良好功能測試和動態(tài)測試特點的測試圖形，并且所需的測試時間較短，在很多情況下都有很好的效果。尤其是對于較大容量存儲器的測試，該方法特別有效。

移動變反法還可以作進一步擴展，即對數(shù)據(jù)做移動變反處理。以芯片為32位總線為例，首先對存儲器各單元寫入0xAAAAAAAA，檢驗并擦除，然后對存儲器寫入0xCCCCCCCC，檢驗并擦除，以后依次寫入0xF0F0F0F0，0x0F0F0F0F，0xFF00FF00，0x00FF00FF，0xFFFF0000，0x0000FFFF， 0xFFFFFFFF，0x0，都在檢驗所寫的正確性后再擦除數(shù)據(jù)。其原理與地址移動變反相同，在此不再贅述。

4．測試方法的綜合使用和流水測試

以上，從算法的角度上提高了FLASH芯片的可測性。雖然NOR、NAND型FLASH結(jié)構(gòu)不同，但由于以上算法都可通過計算，順序產(chǎn)生測試圖形，因此可通用于以上兩類器件的測試中。

上述三種方法各有優(yōu)點，在實際應(yīng)用中可配合使用。地址奇偶性圖形測試最為方便高效，因為在寫入圖形過程中每次只改變一位地址線，而且寫入的是相反的數(shù)據(jù)，所以如果哪一位地址線出現(xiàn)短路立刻會被檢查出來，使用該方法最適宜檢驗地址譯碼器的故障。齊步法適于用來檢驗多重地址選擇與譯碼器的故障，并且可以檢測寫入時噪聲對存儲芯片特性的影響，它能保證正確的地址譯碼和每個存儲單元存儲“1”和“0”信息的能力。在大多數(shù)生產(chǎn)測試中，聯(lián)合使用這兩種方法可以判別出FLASH絕大多數(shù)的故障。當然，各個廠家生產(chǎn)的芯片在結(jié)構(gòu)和工藝上有一定區(qū)別，因此出現(xiàn)各種錯誤的概率也不同，可以根據(jù)實際情況調(diào)整方法。由于設(shè)計問題，有些芯片還有可能出現(xiàn)其他一些不太常見的錯誤，這就需要進行更詳盡的測試，這時使用移動變反測試法就比較合適。這種方法可以很好地測試芯片的動態(tài)錯誤，并且可根據(jù)具體需要詳細展開測試或簡化測試，對于產(chǎn)品性能分析十分有效。

在具體程序設(shè)計時，為簡化算法執(zhí)行，可以將讀取產(chǎn)品型號、調(diào)用讀寫命令的語句作為子程序存儲在測試儀中，每次需要時都可以無縫調(diào)用。

在測試過程中，最耗費時間的是程序擦除操作，一次擦除往往就需要幾秒，其解決辦法是將擦除工序單獨處理。在實際應(yīng)用中，可使用兩臺測試儀，其中，在擦除時幾個芯片并行運行。這樣，一臺設(shè)備用于讀、寫、測試，另一臺設(shè)備用于擦除數(shù)據(jù)，就可以有效地形成流水線操作，大大節(jié)省測試時間。此外，將幾種方法綜合使用，還有助于提高故障覆蓋率。

5．實驗結(jié)果

根據(jù)上述思想，我們在國產(chǎn)BC3192的測試系統(tǒng)平臺上，對AMD公司的NOR型FLASH——Am29LV400B及三星公司的NAND型FLASH——9F5608UOB都進行了測試。實驗表明，和傳統(tǒng)的以棋盤格為基礎(chǔ)的測試圖形相比，奇偶校驗法、齊步法和移動變反法產(chǎn)生的測試圖形故障覆蓋率更高，這些算法由于最多只有兩次芯片擦除操作，所以測試時間完全能符合工程測試需要，其中，移動變反法沒有擦除操作，所以測試速度最快。在實驗中，我們采用上述三種方法中任意一種，按照流水的方法測試，在相同故障覆蓋率下，都可以使測試效率可提高40％以上。

6．結(jié)論

本文是在傳統(tǒng)存儲器測試理論基礎(chǔ)上對FLASH測試的嘗試，該方法保留了傳統(tǒng)方法的優(yōu)點，較好地解決了FLASH存儲器測試的困難。該方法方便快捷，流程簡單，所有測試圖形都可以事先生成，這樣就可以直接加載到測試儀中，有利于直接應(yīng)用于測試儀進行生產(chǎn)測試。

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