文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.007
中文引用格式： 焦芳，張玥，嚴(yán)韞瑤，等. 多時(shí)鐘域并行測(cè)試控制器的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(9)：29-31，35.
英文引用格式： Jiao Fang，Zhang Yue，Yan Yunyao，et al. Design of parallel test controller applied to multiple clock domains[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：29-31，35.
0 引言
隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試已成為電路中十分關(guān)鍵的技術(shù)。測(cè)試成本伴隨著集成電路規(guī)模的增大,已經(jīng)占到整個(gè)生產(chǎn)制造成本的三成以上，并且還有向上增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1]。如圖1[2]顯示了近幾年測(cè)試數(shù)據(jù)量的增加。
從上圖可以看出，測(cè)試數(shù)據(jù)量正在逐年增加，對(duì)測(cè)試的要求也會(huì)越來(lái)越高，因此，是否可以提高測(cè)試效率日趨成為集成電路產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。
JTAG(聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組)希望可以找到一個(gè)通用的解決方案來(lái)處理測(cè)試問(wèn)題。該機(jī)構(gòu)推出了IEEE 1149.1這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，是IEEE推出用來(lái)進(jìn)行芯片測(cè)試的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在又發(fā)展更新出了IEEE1500及IEEE1687，而業(yè)內(nèi)多使用IEEE1149及IEEE1500作為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[3]。
陳壽宏[4]等通過(guò)IEEE1500搭建SOC測(cè)試平臺(tái)對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試，雖然可以正確地實(shí)現(xiàn)測(cè)試任務(wù)，但若對(duì)大規(guī)模電路進(jìn)行測(cè)試則會(huì)消耗很多的測(cè)試時(shí)間，增加測(cè)試成本。談恩民等[5]通過(guò)使用IEEE1500 wrapper的相關(guān)概念設(shè)計(jì)出可以支持sram故障測(cè)試的測(cè)試控制器。Elvira K[6]等也認(rèn)為基于IEEE1500標(biāo)準(zhǔn)可以提高測(cè)試質(zhì)量。本設(shè)計(jì)中同樣采用了IEEE1149、IEEE1500的相關(guān)概念，并加入了不同時(shí)鐘域并行配置通用寄存器的概念，在超大規(guī)模集成電路中可以提高測(cè)試效率，節(jié)省測(cè)試時(shí)間。
1 TAP控制器的設(shè)計(jì)[7]
引言提到的IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)里，有兩類(lèi)非常重要的寄存器：數(shù)據(jù)寄存器和指令寄存器。TAP的主要功能就是用來(lái)訪問(wèn)芯片的所有數(shù)據(jù)寄存器和指令寄存器。TAP結(jié)構(gòu)的TMS信號(hào)用來(lái)控制狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換，TDI、TDO分別為數(shù)據(jù)的輸入和輸出。TCK和TRST分別為時(shí)鐘信號(hào)和復(fù)位信號(hào)。
TAP的狀態(tài)機(jī)如圖2所示，狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換是由TMS所控制的，整個(gè)TAP Controller 在TCK的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)TMS=0，1會(huì)分別指向不同的次狀態(tài)。
本設(shè)計(jì)采用IEEE1149中TAP的相關(guān)概念來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)寄存器和指令寄存器的配置以此搭建測(cè)試平臺(tái)。
2 IEEE1500 wrapper的設(shè)計(jì)[8]
IEEE工作組提出了一種稱為外殼(wrapper)的結(jié)構(gòu)，它是IEEE1500標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比IEEE1149標(biāo)準(zhǔn)的重大創(chuàng)新和突破。
wrapper標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試殼結(jié)構(gòu)包括旁路寄存器(WBY)、指令寄存器(WIR)、邊界寄存器(WBR)等。該結(jié)構(gòu)殼的特點(diǎn)在于可以增強(qiáng)內(nèi)部不可見(jiàn)節(jié)點(diǎn)的可觀察性，提高測(cè)試質(zhì)量。wrapper的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示[9]。
該外殼在正常工作模式情況下,由于測(cè)試功能未被啟動(dòng)，完全不會(huì)影響到芯片的正常邏輯功能。具體的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)相應(yīng)的bypass功能。外殼wrapper通過(guò)bypass寄存器單純將外部電路與內(nèi)部的function IP正常連接。正常模式下，輸入被打入外殼后被輸入到bypass寄存器1拍后隨后從輸出端口輸出。只有在測(cè)試模式下才會(huì)將輸入輸出連接入相應(yīng)的掃描鏈。
3 并行配置通用寄存器的研究
通過(guò)在不同時(shí)鐘域設(shè)計(jì)并行總線，來(lái)滿足同時(shí)并行配置通用寄存器的要求。每個(gè)時(shí)鐘域同時(shí)含有總線WPI，一旦輸入相應(yīng)的并行配置指令，WPI同時(shí)作為所有時(shí)鐘域通用寄存器的輸入，對(duì)通用寄存器進(jìn)行配置，對(duì)其做如下設(shè)計(jì)的主要目的是可以提高測(cè)試效率，滿足同時(shí)對(duì)通用寄存器配置的需要。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。
4 結(jié)果分析
下面將從IEEE1149中tap的實(shí)現(xiàn)，IEEE1500中wrapper的實(shí)現(xiàn)，以及多時(shí)鐘域并行配置通用寄存器的實(shí)現(xiàn)這3個(gè)方面分析結(jié)果。
4.1 IR、DR的訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)
TAP控制器對(duì)IR、DR的訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)verdi波形圖如圖5所示。
觀察該波形圖可知，該波形圖依次體現(xiàn)了TAP對(duì)指令寄存器的訪問(wèn)和對(duì)數(shù)據(jù)寄存器訪問(wèn)的實(shí)現(xiàn)，完成了如圖2所示TAP狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換，成功實(shí)現(xiàn)了IEEE1149 TAP的相關(guān)功能。
4.2 IEEE1500 wrapper的仿真實(shí)現(xiàn)
IEEE1500 wrapper實(shí)現(xiàn)的仿真電路圖如圖6所示。
上面一系列仿真圖是帶有wrapper的基于IEEE1500標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試器的仿真實(shí)現(xiàn)。與IEEE1149相比它增加了一個(gè)SelectWIR signal，從而只用一個(gè)CAPTUTURE_DR即可實(shí)現(xiàn)CAPUTURE_IR及CAPTURE_DR的功能。SHIFT_DR、UPDATE_DR同理。其中所有測(cè)試信號(hào)均包上了一層wrapper。
上述仿真圖實(shí)現(xiàn)了完整的指令寄存器及數(shù)據(jù)寄存器的訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)。
4.3 并行配置通用寄存器的仿真實(shí)現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)并行配置通用寄存器的仿真圖如圖7所示。
所配置的寄存器是5個(gè)clock domain均有的通用寄存器，首先不采用并行配置的方法，即各個(gè)時(shí)鐘域以串行的方式配置其值均為’h26e,完成5個(gè)時(shí)鐘域通用寄存器的配置共耗時(shí)間0.15 ns；而當(dāng)采用多個(gè)時(shí)鐘域并行配置通用寄存器的方法，并行配置通用寄存器值為’h34d，則可同時(shí)完成5個(gè)時(shí)鐘域的配置，節(jié)省掉串行配置寄存器所耗時(shí)間，可以提高測(cè)試效率。
上圖僅以5個(gè)時(shí)鐘域舉例，然而在現(xiàn)階段的大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)中，所用到時(shí)鐘域往往有幾十個(gè)，可以推測(cè)出此種配置通用寄存器的方法可以大大地節(jié)省測(cè)試時(shí)間。
4.4 測(cè)試時(shí)間
表1為普通的測(cè)試控制器配置通用寄存器消耗的仿真時(shí)間隨時(shí)鐘域數(shù)目增加的變化（所有時(shí)鐘域串行配置）。普通的基于IEEE1500標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試控制器配置通用寄存器時(shí)，所需要消耗的時(shí)間會(huì)隨著clock domain的增加而增加，會(huì)消耗大量的測(cè)試時(shí)間，在大規(guī)模集成電路中，所需要配置通用寄存器的時(shí)鐘域會(huì)非常多，通用寄存器數(shù)同樣也很多，會(huì)消耗大量的資源。
表2為增加了不同時(shí)鐘域并行配置通用寄存器結(jié)構(gòu)的測(cè)試控制器配置通用寄存器消耗的仿真時(shí)間隨時(shí)鐘域數(shù)目增加的變化。
如上表我們可以清楚地看到，對(duì)比表1大量節(jié)省了配置通用寄存器的時(shí)間，并且節(jié)省的測(cè)試時(shí)間會(huì)隨著寄存器數(shù)目、時(shí)鐘域數(shù)目的增加而增加，可以極大地提高測(cè)試效率。
5 結(jié)論
本文詳細(xì)介紹了IEEE1149中TAP及TAP controller，以及IEEE 1500 wrapper的相關(guān)概念，并成功實(shí)現(xiàn)了基于以上標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試控制器的設(shè)計(jì)，IEEE1500的wrapper的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)了測(cè)試的可控制性和可觀測(cè)性。同時(shí)提出了一種針對(duì)多時(shí)鐘域并行配置寄存器的方法來(lái)提高測(cè)試效率，縮短測(cè)試時(shí)間，該方法節(jié)省的測(cè)試時(shí)間會(huì)隨寄存器數(shù)、時(shí)鐘域數(shù)目的增加而增加。
參考文獻(xiàn)
[1] 吳明行，韓銀和，李曉維.基于CTL的SOC IP核的測(cè)試技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2005(4)：43-45.
[2] 向剛.SoC測(cè)試優(yōu)化及其應(yīng)用技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.
[3] 薛利興，張展，左德承，等.基于JTAG的硬件故障注入工具[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2011(4)：40-43，48.
[4] 陳壽宏，顏學(xué)龍，陳凱.基于IEEE 1500的數(shù)字SOC測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013(5)：1140-1142.
[5] 談恩民，馬江波，秦昌明.SoC的存儲(chǔ)器Wrapper設(shè)計(jì)及故障測(cè)試[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2011(6)：122-125.
[6] ELVIRA K，MARYNA K，OLESIA G，et al.Fault Coverage Improving for SoC Based on IEEE1500 SECT standard. IEEE; 2006.
[7] IEEE Standard Test Access Port and Boundary-Scan Architecture.IEEE Std 1149.1-2001.2001
[8] IEEE 1500Group.IEEE Standard Testability Method for Embed-ded Core Based Integrated Circuits.2005
[9] 韓貴博.基于測(cè)試控制器的SOC低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2012