可測性設(shè)計DFT

1.測試概念和原理

測試包含了三方面的內(nèi)容：

已知的測試矢量

確定的電路結(jié)構(gòu)

已知正確的輸出結(jié)果

試方式的分類

測試矢量
窮舉測試矢量是指所有可能的輸入矢量。

測試矢量
功能測試矢量主要應(yīng)用于驗證測試中，目的是驗證各個器件的功能是否正確。

測試矢量
這是一種基于故障模型的測試矢量，它的最大好處是可以利用電子設(shè)計自動化（EDA）工具自動對電路產(chǎn)生測試向量，并且能夠有效地評估測試效果。

向量舉例說明

例如，如果要測試74181ALU，其有14個輸入端口

窮舉測試向量,就需要214=16384個測試矢量，對于一個有38個輸入端口的16位的ALU來說，以10 MHz的速度運行完所有的測試矢量需要7.64個小時.

功能測試向量，要448個測試矢量，但是目前沒有算法去計算矢量是否覆蓋了芯片的所有功能。

結(jié)構(gòu)測試向量，要47個測試矢量。這類測試矢量的缺點是有時候工具無法檢測所有的故障類型。

測試的目的

尋找最小的測試向量集去覆蓋更多的芯片以及板級的故障

衡量標準：故障覆蓋率

2.可測性設(shè)計

可測性設(shè)計基礎(chǔ)

所謂可測性設(shè)計是指設(shè)計人員在設(shè)計系統(tǒng)和電路的同時，考慮到測試的要求，通過增加一定的硬件開銷，獲得最大可測性的設(shè)計過程。

目前，主要的可測性設(shè)計方法有：

掃描通路測試（Scan）

內(nèi)建自測試（BIST）

邊界掃描測試（Boundary Scan）

可測性設(shè)計的優(yōu)勢和不足

3.可測性方法（SCAN、BIST、 Boundary SCAN）

掃描通路測試 Scan

可測試性

Scan的基本概念

掃描測試設(shè)計規(guī)則

可控制性：把激勵施加到被測單元的能力

可觀察性：故障傳播到原始輸出端的能力

掃描測試的基本概念

掃描測試是目前數(shù)字集成電路設(shè)計中最常用的可測性設(shè)計技術(shù)，這里說的是內(nèi)部掃描，不同于邊界掃描。

掃描時序分成時序和組合兩部分，從而使內(nèi)部節(jié)點可以控制并且可以觀察。

測試矢量的施加及傳輸是通過將寄存器用特殊設(shè)計的帶有掃描功能的寄存器代替，使其連接成一個或幾個長的移位寄存器鏈來實現(xiàn)的。

帶多路選擇器的D型觸發(fā)器

正常工作模式：scan_enable為0，此時數(shù)據(jù)從D端輸入，從Q端輸出。

掃描移位模式：scan_enable為1，此時數(shù)據(jù)從scan_in輸入，從scan_out端輸出。

帶掃描端的鎖存器

全掃描和部分掃描

掃描測試原理

掃描設(shè)計規(guī)則

掃描測試要求電路中每個節(jié)點處于可控制和可觀測的狀態(tài)，只有這樣才能保證其可替換為相應(yīng)的掃描單元，并且保證故障覆蓋率。

為了保證電路中的每個節(jié)點都符合設(shè)計需求，在掃描鏈插入之前會進行掃描設(shè)計規(guī)則的檢查。

基本掃描規(guī)則

使用同種類掃描單元進行替換，通常選擇帶多路選擇器的掃描觸發(fā)器；

在原始輸入端必須能夠?qū)λ杏|發(fā)器的時鐘端和異步復(fù)位端進行控制；

時鐘信號不能作為觸發(fā)器的輸入信號；

三態(tài)總線在掃描測試模式必須處于非活躍狀態(tài)；

ATPG無法識別的邏輯應(yīng)加以屏蔽和旁路。

三態(tài)總線

為了避免掃描模式（scan_mode）下的總線競爭，必須控制其控制端，通常的做法是在控制端加入多路選擇器，使其固定在邏輯0或者邏輯1

門控時鐘或者門控異步輸入端

為了避免掃描模式下resetn不可控制，處理方法和三態(tài)總線一樣，加入額外邏輯，讓異步輸入端處于非有效狀態(tài)

內(nèi)建自測試BIST

內(nèi)建自測必須附加額外的電路，包括向量生成器、BIST控制器和響應(yīng)分析器

BIST測試引腳：

BIST_MODE：測試模式選擇信號，控制電路進入BIST狀態(tài)。

BIST_RESET：初始化BIST控制單元。

BIST_CLK：BIST測試時鐘。

BIST_DONE：輸出信號，標志自測結(jié)束。

BIST_FAIL：輸出信號，標志自測失敗，說明存儲器有制造故障。

BIST模塊在設(shè)計中的集成

BIST電路作為邏輯電路的一部分通常在RTL級插入，并且需要與其他邏輯一起進行綜合。數(shù)據(jù)、地址和一些控制信號在進入存儲器之前需要經(jīng)過多路選擇器。

許多EDA工具可以在RTL級自動生成BIST電路并集成到設(shè)計中，其中最常用的是Mentor的mBISTArchitect和Synopsys的SoCBIST

邊界掃描測試

IEEE 1149.1標準

邊界掃描是歐美一些大公司聯(lián)合成立的一個組織——聯(lián)合測試行動小組（JTAG），為了解決印制電路板（PCB）上芯片與芯片之間互連測試而提出的一種解決方案。由于該方案的合理性，它于1990年被IEEE采納而成為一個標準，即IEEE 1149.1。

該標準規(guī)定了邊界掃描的測試端口、測試結(jié)構(gòu)和操作指令。

IEEE 1149.1結(jié)構(gòu)

主要包括TAP控制器和寄存器組。

寄存器組包括邊界掃描寄存器、旁路寄存器、標志寄存器和指令寄存器

JTAG的基本原理

是在器件內(nèi)部定義一個TAP（Test Access Port，測試訪問口）通過專用的JTAG測試工具對內(nèi)部節(jié)點進行測試。JTAG測試允許多個器件通過JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個JTAG鏈，能實現(xiàn)對各個器件分別測試。

端口定義

TCK：Test Clock邊界掃描設(shè)計中的測試時鐘是獨立的，因此與原來IC或PCB上的時鐘是無關(guān)的，也可以復(fù)用原來的時鐘。

TMS：Test Mode Select由于在測試過程中，需要有數(shù)據(jù)捕獲、移位、暫停等不同的工作模式，因此需要有一個信號來控制。在IEEE 1149.1中，僅有這樣一根控制信號，通過特定的輸入序列來確定工作模式，采用有限狀態(tài)機來實現(xiàn)。該信號在測試時鐘TCK的上升沿采樣。

TDI：Test Data In以串行方式輸入的數(shù)據(jù)TDI有兩種。一種是指令信號，送入指令寄存器；另一種是測試數(shù)據(jù)（激勵、輸出響應(yīng)和其他信號），它輸入到相應(yīng)的邊界掃描寄存器中去。

TDO：Test Data Out以串行輸出的數(shù)據(jù)也有兩種，一種是從指令寄存器移位出來的指令，另一種是從邊界掃描寄存器移位出來的數(shù)據(jù)。

除此之外，還有一個可選端口TRST，為測試系統(tǒng)復(fù)位信號，作用是強制復(fù)位。

邊界掃描的原理

在核心邏輯電路的輸入和輸出端口都增加一個寄存器，通過將這些I/O上的寄存器連接起來，可以將數(shù)據(jù)串行輸入被測單元，并且從相應(yīng)端口串行讀出。

首先是芯片級測試，即可以對芯片本身進行測試和調(diào)試，使芯片工作在正常功能模式，通過輸入端輸入測試矢量，并通過觀察串行移位的輸出響應(yīng)進行調(diào)試。

其次是板級測試，檢測集成電路和PCB之間的互連。實現(xiàn)原理是將一塊PCB上所有具有邊界掃描的IC中的掃描寄存器連接在一起，通過一定的測試矢量，可以發(fā)現(xiàn)元件是否丟失或者擺放錯誤，同時可以檢測引腳的開路和短路故障。

最后是系統(tǒng)級測試，在板級集成后，可以通過對板上CPLD或者Flash的在線編程，實現(xiàn)系統(tǒng)級測試。

板級芯片的互連測試

TAP控制器

TAP控制器的作用是將串行輸入的TMS信號進行譯碼，使邊界掃描系統(tǒng)進入相應(yīng)的測試模式，并且產(chǎn)生該模式下所需的各個控制信號。

邊界掃描寄存器

邊界掃描寄存器

指令寄存器

指令寄存器由移位寄存器和鎖存器組成，長度等于指令的長度。IR可以連接在TDI和TDO的兩端，經(jīng)TDI串行輸入指令，并且送入鎖存器，保存當前指令。

在這兩部分中有個譯碼單元，負責識別當前指令。由于JTAG有3個強制指令，所以該寄存器的寬度至少為2位。

邊界掃描測試策略

利用邊界掃描IEEE 1149.1進行板級測試的策略分以下3步。

根據(jù)IEEE 1149.1標準建立邊界掃描的測試結(jié)構(gòu)

利用邊界掃描測試結(jié)構(gòu)，對被測部分之間的連接進行矢量輸入和響應(yīng)分析。這是板級測試的主要環(huán)節(jié)，也是邊界掃描結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)用?？梢杂脕頇z測由于電氣、機械和溫度導(dǎo)致的板級集成故障

對單個核心邏輯進行測試，可以初始化該邏輯并且利用其本身的測試結(jié)構(gòu)。

邏輯單元BIST

Logic BIST是SoC設(shè)計中芯片可測性設(shè)計的發(fā)展方向。

大多數(shù)的ASIC使用基于掃描的DFT技術(shù)。對于規(guī)模越來越大的芯片來說，掃描測試的策略面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

整體DFT實現(xiàn)及性能上考慮

盡量避免異步時鐘設(shè)計；

限制不同時鐘域的數(shù)量；

對于多時鐘域的設(shè)計，處于同一時鐘域的觸發(fā)器最好連在同一根掃描鏈上；

注意扇出比較多的端口，如scan_enable信號，尤其在綜合的時候需要特別注意；

對于存儲器、模擬電路等不可綜合的邏輯加入適當?shù)母綦x旁路結(jié)構(gòu)；

避免過長的掃描鏈；

考慮到測試模式下功耗過高所造成的問題，可將掃描測試分成數(shù)個部分，分開進行插入，在不同的掃描測試模式下，測試不同的部分；

盡量減少額外邏輯帶來的面積、功耗的增大；

通過復(fù)用外圍引腳，減少掃描測試對引腳的要求。

掃描設(shè)計流程

審核編輯 ：李倩