基于可測(cè)性設(shè)計(jì)的雷達(dá)數(shù)字處理芯片的實(shí)現(xiàn)

作者：徐小良，何春，賈宇明，劉輝華

基于掃描路徑法的可測(cè)性設(shè)計(jì)技術(shù)是可測(cè)性設(shè)計(jì)（DFT）技術(shù)的一個(gè)重要的方法，這種方法能夠從芯片外部設(shè)定電路中各個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)，并通過(guò)簡(jiǎn)單的掃描鏈的設(shè)計(jì)，掃描觀測(cè)觸發(fā)器是否工作在正常狀態(tài)，以此來(lái)檢測(cè)電路的正確性。但隨著數(shù)字電路朝著超大規(guī)模的方向發(fā)展，設(shè)計(jì)電路中使用的觸發(fā)器的數(shù)目也日趨龐大，怎樣采用合適的可測(cè)性設(shè)計(jì)策略，檢測(cè)到更多的觸發(fā)器，成為基于掃描路徑法的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

本文采用基于掃描路徑法的可測(cè)性設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)一款約750萬(wàn)門級(jí)雷達(dá)芯片的實(shí)際電路進(jìn)行可測(cè)性設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中通過(guò)使用時(shí)鐘復(fù)用技術(shù)、時(shí)鐘電路處理技術(shù)以及IP隔離技術(shù)等幾種有效的設(shè)計(jì)策略，大大提高了芯片的故障覆蓋率，最終達(dá)到可測(cè)性設(shè)計(jì)的目的。

1 掃描鏈設(shè)計(jì)原理

數(shù)字電路由大量的組合元件和時(shí)序元件組成，時(shí)序元件具體體現(xiàn)為單個(gè)的觸發(fā)器（DFF）。數(shù)字電路基本組成如圖1所示。其中系統(tǒng)時(shí)鐘（CP）來(lái)控制各個(gè)觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端口相應(yīng)數(shù)據(jù)的輸入輸出。

基于掃描路徑法的可測(cè)性設(shè)計(jì)就是將電路中的時(shí)序元件觸發(fā)器替換為相應(yīng)的可掃描的時(shí)序元件掃描觸發(fā)器（SDFF）；然后將上一級(jí)掃描觸發(fā)器的輸出端（Q）連接到下一級(jí)的數(shù)據(jù)輸入端（SDI），從而形成一個(gè)從輸入到輸出的測(cè)試串行移位寄存器，即掃描鏈（ScanChain）；通過(guò)CP端時(shí)鐘的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)序元件和組合邏輯的測(cè)試。實(shí)現(xiàn)掃描鏈設(shè)計(jì)后的電路如圖2所示。

采用掃描設(shè)計(jì)技術(shù)后，在掃描控制端（SEN）和時(shí)鐘端的控制下，通過(guò)掃描數(shù)據(jù)輸入端，可以把需要的數(shù)據(jù)串行地移位到掃描寄存器單元中，串行地控制各個(gè)單元；同時(shí)也可以通過(guò)掃描輸出端（Scan_out）串行地觀測(cè)它們。這樣就增加了時(shí)序電路的可控制性和可觀測(cè)性。

2 掃描鏈策略設(shè)計(jì)

圖2中虛線部分為掃描觸發(fā)器，即掃描鏈的基本組成單元，其構(gòu)成原理如圖3所示。

掃描鏈設(shè)計(jì)前，電路中的觸發(fā)器都是通過(guò)系統(tǒng)時(shí)鐘端口控制數(shù)據(jù)的變化，因而在做掃描設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)系統(tǒng)時(shí)鐘復(fù)用檢測(cè)到更多的觸發(fā)器，以此達(dá)到控制掃描觸發(fā)器的目的。

同樣的道理，一些特殊電路中的觸發(fā)器也是采用手動(dòng)或者軟件的方法將它們串聯(lián)到掃描鏈中，以此增加可掃描的觸發(fā)器數(shù)，最終使故障覆蓋率得以提高。但需要注意的是，這些可測(cè)性設(shè)計(jì)策略應(yīng)用的前提是不能改變?cè)荚O(shè)計(jì)的功能。

3 設(shè)計(jì)中采用的策略

在進(jìn)行DFT設(shè)計(jì)并插入掃描鏈的時(shí)候，最為重要的一個(gè)問(wèn)題就是測(cè)試覆蓋率，而它的最終值是由觸發(fā)器的總數(shù)和最終能夠測(cè)試到的觸發(fā)器的數(shù)目的比值決定的，因此是否能夠盡可能多地測(cè)試到本雷達(dá)芯片電路中的觸發(fā)器，成為掃描路徑法設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)實(shí)際的設(shè)計(jì)電路提出了以下三種有效的設(shè)計(jì)策略，由最終測(cè)試結(jié)果可知，采用此設(shè)計(jì)策略后可大大提高測(cè)試覆蓋率，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)需要。

3．1 時(shí)鐘復(fù)用技術(shù)

每個(gè)觸發(fā)器都受系統(tǒng)時(shí)鐘控制，系統(tǒng)時(shí)鐘能夠覆蓋本設(shè)計(jì)中大部分的觸發(fā)器元件，因而考慮使用時(shí)鐘復(fù)用技術(shù)，在插入掃描鏈進(jìn)行測(cè)試時(shí)，把測(cè)試時(shí)鐘引入到系統(tǒng)時(shí)鐘上，這樣測(cè)試時(shí)鐘就能覆蓋盡可能多的觸發(fā)器，并在插入掃描鏈后，替換成掃描觸發(fā)器。其實(shí)現(xiàn)原理如圖4所示。

從圖中可以看出，時(shí)鐘電路產(chǎn)生很多不同頻率的時(shí)鐘以滿足不同模塊的需求，在時(shí)鐘電路的輸出端口加入相應(yīng)的選擇器（MUX）控制時(shí)鐘的選擇；當(dāng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，MUX選擇正常的時(shí)鐘進(jìn)入相應(yīng)的模塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能；當(dāng)處于掃描狀態(tài)時(shí)，這些MUX都是選擇同樣的掃描測(cè)試時(shí)鐘信號(hào)（Te cp）進(jìn)人到各個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于不僅滿足了測(cè)試選擇的需要，而且也盡可能地測(cè)試到所有觸發(fā)器，滿足測(cè)試覆蓋率的需要。

3．2 特殊時(shí)鐘電路處理

在本設(shè)計(jì)中存在很多特殊的電路，其中有一種時(shí)鐘發(fā)生電路是不能進(jìn)行掃描路徑法的可測(cè)性設(shè)計(jì)，具體的電路圖如圖5所示。

在這種結(jié)構(gòu)中，時(shí)鐘從第二個(gè)觸發(fā)器的Q端輸出，輸入到第三個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘（CP）端。由于掃描時(shí)鐘無(wú)法控制第三個(gè)以及后續(xù)的觸發(fā)器，設(shè)計(jì)的掃描鏈將不會(huì)覆蓋之后的電路，結(jié)果導(dǎo)致故障覆蓋率降低，測(cè)試覆蓋率也會(huì)下降。

改進(jìn)此種電路結(jié)構(gòu)的方法是手動(dòng)或者用軟件方式增加一個(gè)MUX選擇器，當(dāng)在掃描鏈插入時(shí)，正常的控制時(shí)鐘信號(hào)就會(huì)進(jìn)入第三個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘端。具體實(shí)現(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

使用此策略，在插入掃描鏈后，當(dāng)MUX選擇器處在掃描狀態(tài)時(shí)，掃描時(shí)鐘就會(huì)連接到后續(xù)的觸發(fā)器，并將其連接到掃描鏈上，這樣就會(huì)大大提高故障覆蓋率，從而提高測(cè)試覆蓋率。

3．3 IP隔離技術(shù)

設(shè)計(jì)之中要用到很多IP模塊，在綜合后的網(wǎng)表中表現(xiàn)為一個(gè)個(gè)沒(méi)有具體電路的“黑匣子”，這些“黑匣子”的存在使得部分時(shí)序組合電路不能或者很難進(jìn)行基于掃描路徑法的DFT設(shè)計(jì)，需要利用其他的DFT設(shè)計(jì)工具進(jìn)行可測(cè)性設(shè)計(jì)，例如在本設(shè)計(jì)中采用的RAM和ROM存儲(chǔ)器模塊。

因此為確保與IP相連的下級(jí)時(shí)序電路部分能夠被正常設(shè)計(jì)的掃描鏈覆蓋，增加觸發(fā)器的可測(cè)范圍，采用的解決方案是用軟件命令解決的方法將此類IP模塊隔離，暫時(shí)不將此模塊進(jìn)行DFT設(shè)計(jì)，其實(shí)現(xiàn)原理如圖7所示。

通過(guò)此種方法可以有效地將一個(gè)或多個(gè)類似的IP模塊與原電路軟隔離開。當(dāng)電路工作在非掃描狀態(tài)下，數(shù)據(jù)按照正常的數(shù)據(jù)流方向流、進(jìn)流出IP模塊；當(dāng)電路工作在掃描狀態(tài)時(shí)，掃描數(shù)據(jù)繞過(guò)相應(yīng)1P模塊，按照相應(yīng)的掃描鏈路徑流進(jìn)下級(jí)時(shí)序電路部分，實(shí)現(xiàn)掃描測(cè)試的功能。

這種方法既不破壞原來(lái)芯片電路的結(jié)構(gòu)和整體實(shí)現(xiàn)的功能，同時(shí)也保證了DFT設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行，提高了本芯片可測(cè)性設(shè)計(jì)的覆蓋率。

4 結(jié)果分析

4．1 測(cè)試結(jié)果

當(dāng)沒(méi)有采用任何設(shè)計(jì)策略時(shí)，本芯片的測(cè)試覆蓋率只能達(dá)到30％～40％左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求的性能指標(biāo)。

從圖8可以看出，當(dāng)采用了以上設(shè)計(jì)策略后測(cè)試覆蓋率（test coverage）、故障覆蓋率（fault coverage）和ATPG覆蓋率分別達(dá)到96．95 9／6，94．52％和99．99％。

4．2 測(cè)試結(jié)果分析

在圖8所示的測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)欄中，左側(cè)的數(shù)據(jù)欄中顯示的是總共生成的測(cè)試向量以及有效的測(cè)試向量數(shù)目。右側(cè)顯示的是在掃描鏈測(cè)試過(guò)程中能夠測(cè)出的各種故障數(shù)目，其中故障覆蓋率F的計(jì)算公式為：

其中：不可測(cè)故障包括摒棄故障、固定故障、冗余故障等。本設(shè)計(jì)考慮了很多故障模型，其中就包括很多的固定故障類型（例如：芯片端口被鎖定為固定值，無(wú)法檢測(cè)到）計(jì)算到上述計(jì)算公式中，因此實(shí)際的不可測(cè)故障要比工具中統(tǒng)計(jì)的數(shù)字要少；通過(guò)以上分析可知，實(shí)際能達(dá)到的故障覆蓋率要優(yōu)于測(cè)試結(jié)果。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)一款約750萬(wàn)門的雷達(dá)數(shù)字處理芯片的電路進(jìn)行基于掃描路徑法的可測(cè)性設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中針對(duì)實(shí)際電路門數(shù)特別龐大的特點(diǎn)，采用時(shí)鐘復(fù)用的技術(shù)，合理利用已經(jīng)存在設(shè)計(jì)資源，使可測(cè)到的觸發(fā)器數(shù)目大大增加；針對(duì)特殊的電路應(yīng)用特殊的處理策略，增加了可測(cè)性設(shè)計(jì)的故障覆蓋率。由試驗(yàn)結(jié)果可知，與未采用以上提到的設(shè)計(jì)策略相比，其最終的測(cè)試覆蓋率得到很明顯的提升，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)策略應(yīng)用的目標(biāo)，最終也達(dá)到了設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求。

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