基于FPGA的SRAM自測試研究

引言

　　SRAM有高速和不用刷新等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于高性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由于半導(dǎo)體工藝技術(shù)的提高以及存儲(chǔ)系統(tǒng)多方面的需要，存儲(chǔ)器件日益向高速、高集成方向發(fā)展，在使系統(tǒng)功能強(qiáng)大的同時(shí)，也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，給電路的故障診斷帶來了不小的困難[12]。由于存儲(chǔ)器功能和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)者為了正確地處理數(shù)據(jù)和正常地運(yùn)行用戶的程序，必須保證SRAM單元的尋址、取指令以及計(jì)算正確，對程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的正確操作是很重要的方面，因此保證存儲(chǔ)器的正常、穩(wěn)定工作是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提。本文主要是通過對常見的SRAM故障問題的分析，運(yùn)用March C算法，以FPGA構(gòu)建成的SRAM自檢測試電路對SRAM系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測與修復(fù)。

1　故障模型

　　所謂故障模型，是指為了研究故障對電路或系統(tǒng)的影響，診斷(定位)故障的位置，對故障作一些分類并選擇最典型故障的過程。SRAM系統(tǒng)可抽象為一組互聯(lián)的功能模塊,故障在各個(gè)模塊均可發(fā)生。Van de Goor等人[3]將其簡化為地址譯碼器、讀寫邏輯、存儲(chǔ)器單元陣列3部分,并證明前兩者與后者的故障在功能上是等價(jià)的,所以只需要檢測存儲(chǔ)單元陣列故障。常見的SRAM故障模型主要分為以下幾個(gè)類型[4]：

① 固定故障（Stuck?At Faults, SAF）。陣列中的一個(gè)或多個(gè)單元的一位或多位固定為0或固定為1。

② 開路故障(Open Faults, OF)。陣列中的一個(gè)或多個(gè)單元開路到0或開路到1。

③ 耦合故障(Coupling Faults, CF)。存儲(chǔ)單元中某些位的跳變導(dǎo)致其他位的邏輯值發(fā)生非預(yù)期的變化，既可以發(fā)生在不同單元之間。也可以發(fā)生在同一單元的不同位之間。將發(fā)生在兩個(gè)不同單元之間的耦合故障記為第一類耦合故障，將發(fā)生在同一單元不同位之間的耦合故障記為第二類耦合故障。

　　第一類耦合故障又可分為翻轉(zhuǎn)耦合故障、冪等耦合故障以及狀態(tài)耦合故障等。翻轉(zhuǎn)耦合故障是存儲(chǔ)器Ci單元（稱耦合單元）中的跳變引起被耦合單元Cj中的邏輯值發(fā)生翻轉(zhuǎn)的故障。若用“?”表示邏輯值（0→1）的跳變，用“ ?”表示邏輯值（1→0）的跳變，而用“ ?”表示邏輯值的翻轉(zhuǎn)，則這類故障可描述為<?；?>或<?；?>；冪等耦合故障是指在Ci中的值跳變時(shí)將Cj中的值固定為0或1，可描述為<?;0>、<?；1>或<?；0>、<?；1>[5]；而狀態(tài)耦合故障則是在耦合單元處于一特定狀態(tài)時(shí)，被耦合單元被迫處于0或1，即<0；0>、<0；1>或<1；0>、<1；1>狀態(tài)。

　　第二類耦合故障即同一單元不同位間的耦合也有類似的情況，但當(dāng)寫信號(hào)很強(qiáng)時(shí)，同一單元不同位間的耦合就可能被淹沒，只呈現(xiàn)出寫入的信息。

④ 跳變故障（Transition Faults,TF）。陣列中的一個(gè)或多個(gè)單元的一位或多位無法在預(yù)期的時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)從0到1或從1到0的跳變，記為<?;0>或<?;1>。這種故障看似可歸為固定故障，實(shí)質(zhì)則有所不同。它的狀態(tài)并非任何時(shí)刻都不跳變，當(dāng)有翻轉(zhuǎn)耦合故障影響它時(shí)就會(huì)完成原本不能完成的跳變。

⑤ 由地址譯碼錯(cuò)誤引起的單元陣列故障（Address Decoder Fault，AF）。它包括某地址不能訪問任何單元、某單元不能被任何地址訪問、某個(gè)地址可以訪問多個(gè)單元、某個(gè)單元可被多個(gè)地址訪問。

2　SRAM測試方法

　　SRAM的測試方法主要有以下3種。

(1) 直接存取測試

　　直接存取測試是產(chǎn)生一種測試結(jié)構(gòu)來允許對SRAM陣列的直接訪問。它通常利用自動(dòng)測試設(shè)備進(jìn)行測試，可以從封裝引腳直接對嵌入式存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問，或者可以從封裝引腳對測試狀態(tài)邏輯以及對一些為存儲(chǔ)器提供數(shù)據(jù)的流水線結(jié)構(gòu)中的串行狀態(tài)進(jìn)行訪問,能夠輕易實(shí)現(xiàn)多種高質(zhì)量測試算法。其缺點(diǎn)是：在ATE機(jī)上實(shí)現(xiàn)的算法越復(fù)雜，對ATE機(jī)存儲(chǔ)器的容量要求越高；在ATE機(jī)上不易實(shí)現(xiàn)對嵌入式存儲(chǔ)器的“全速”測試，測試時(shí)鐘的工作頻率越高，測試成本越高；由于芯片外圍引腳的限制，對芯片內(nèi)大容量SRAM進(jìn)行直接測試往往不大現(xiàn)實(shí)。

(2) 利用嵌入微處理器來間接測試存儲(chǔ)器

　　在這種測試方法中，通過嵌入式微處理器對存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫操作，測試向量是一系列微處理器的程序代碼。這些代碼可以放在程序存儲(chǔ)器中,在嵌入式芯片接口處施加代碼，測試存儲(chǔ)器的過程就是微處理器執(zhí)行測試程序的過程。其優(yōu)點(diǎn)是不需要對硬件設(shè)計(jì)做任何修改,而且測試算法的修改與實(shí)現(xiàn)可以通過靈活修改微處理器代碼予以完成。

(3) 存儲(chǔ)器內(nèi)建自測試(MBIST)

　　存儲(chǔ)器內(nèi)建自測試技術(shù)（Memory BuildIn Self Test, MBIST）的工作原理是在存儲(chǔ)器外圍產(chǎn)生一整套控制電路，包括數(shù)據(jù)發(fā)生、地址發(fā)生、控制產(chǎn)生以及結(jié)果比較等電路，實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)置存儲(chǔ)器測試模式的自動(dòng)產(chǎn)生以及測試結(jié)果的自動(dòng)判別。芯片外部的控制可以讓芯片自動(dòng)進(jìn)入內(nèi)部存儲(chǔ)器測試模式，MBIST不僅可以自動(dòng)產(chǎn)生內(nèi)部測試模式，而且也可以實(shí)現(xiàn)并行測試。由于需要增加額外的邏輯電路，所以MBIST技術(shù)的缺點(diǎn)在于增加了芯片面積，并有可能影響芯片的時(shí)序特性。對于不同容量的存儲(chǔ)器，MBIST電路的規(guī)?；鞠嗤?。因此，隨著存儲(chǔ)器容量的增加，這種方法所增加的芯片面積所占的比例相對較小，而且這種測試技術(shù)還有很多其他技術(shù)優(yōu)勢。

　　本文研究的是計(jì)算機(jī)內(nèi)的SRAM測試方法，由于待測SRAM位于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部，是該系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，因此本文采用FPGA作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與SRAM之間通信的橋梁，通過接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，自動(dòng)產(chǎn)生一套SRAM自測試電路。

3　March C算法

　　針對存儲(chǔ)器中的各種故障模型開發(fā)了多種存儲(chǔ)器測試算法，如March算法、Walking算法、Galloping算法等。其中March算法是較簡單的測試算法之一，具有較高的故障覆蓋率和較小的時(shí)間復(fù)雜度，所以March算法是最常用的存儲(chǔ)器測試算法。該算法經(jīng)過多次改進(jìn)，出現(xiàn)了很多變種，如MATS、MATS+、March X、March C、March C等算法[6]。

　　March C算法是由March元素構(gòu)成的序列，其基本原理是利用有限狀態(tài)機(jī)，反復(fù)對每一個(gè)地址進(jìn)行讀/寫0或1操作，保證每兩個(gè)字節(jié)之間的測試碼出現(xiàn)00、01、10、11四種情況，至少各一次；并且為了檢查高低地址讀/寫順序故障，分別進(jìn)行地址遞增和地址遞減兩種操作。通過對存儲(chǔ)器不斷地讀寫，能夠檢測幾乎所有的存儲(chǔ)器故障。

　　在諸多的March C算法中，綜合考慮算法的故障覆蓋率及測試成本等因素，本文選用能夠有效檢測大多數(shù)存儲(chǔ)器簡化故障的March C算法。March C算法的具體描述如下[7]:

　　其中，“?”表示地址的升序，“?”表示地址的降序，“ ?”表示兩種順序都可以；r0、w0、r1和w1分別表示讀0、寫0、讀1和寫1。M0～M5分別表示一個(gè)March單元，March C算法能夠有效檢測出 SAF、TF、CF、AF等故障。其中，SAF故障可由 M0、M1單元和 M1、M2單元檢測出；TF故障中0→1故障可由M3、M4單元檢測出，1→0故障可由M2、M3單元檢測出；在CF故障中，1→0故障可由M2、M3單元和M4、M5單元檢測出，0→1故障可由M1、M2單元和M3、M4單元檢測出，置1故障可由M2、M3單元和M4、M5單元檢測出，置0故障可由M1、M2單元和M2、M3單元檢測出；AF故障可以在March單元的連續(xù)升序/降序中得到檢測。

4　SRAM自測試電路的實(shí)現(xiàn)

　　SRAM自測試電路是為了檢測存儲(chǔ)器的好壞和修復(fù)錯(cuò)誤存儲(chǔ)單元而對其進(jìn)行自檢的。文中自測試電路是由FPGA構(gòu)成，通過響應(yīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制信號(hào)，由其產(chǎn)生一套完整的自檢測試電路。

4.1　硬件描述語言

　　測試電路的產(chǎn)生可以通過硬件描述語言Verilog編程實(shí)現(xiàn)。用Verilog來進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者可以進(jìn)行各種級別的邏輯設(shè)計(jì)，以及數(shù)字邏輯系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證、時(shí)序分析、邏輯綜合。它是目前應(yīng)用最廣泛的一種硬件描述語言。

　　采用硬件描述語言進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于硬件描述語言的標(biāo)準(zhǔn)化，可以很容易地把完成的設(shè)計(jì)移植到不同廠家的不同芯片中去，并在不同規(guī)模應(yīng)用時(shí)較容易地作修改。它的信號(hào)位數(shù)是很容易改變的，可以很容易地對它進(jìn)行修改，來適應(yīng)不同規(guī)模的應(yīng)用。在仿真驗(yàn)證時(shí)，仿真測試矢量還可以用同一種描述語言來完成，因?yàn)椴捎糜布枋稣Z言綜合器生成的數(shù)字邏輯是一種標(biāo)準(zhǔn)的電子設(shè)計(jì)互換格式(EDIF)文件，獨(dú)立于所采用的實(shí)現(xiàn)工藝。有關(guān)工藝參數(shù)的描述可以通過硬件描述語言提供的屬性表達(dá)，然后利用不同廠家的布局布線工具，在不同工藝的芯片上實(shí)現(xiàn)。

4.2　系統(tǒng)硬件

　　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包含有多個(gè)外圍設(shè)備，在本系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)與SRAM之間的通信通過FPGA來傳遞，計(jì)算機(jī)對FPGA的操作也就是對SRAM的操作。系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

　　圖中的start信號(hào)線是測試啟動(dòng)信號(hào)，上升沿有效；end信號(hào)線是測試結(jié)束信號(hào)線，上升沿有效；error是SRAM故障信號(hào)，高電平有效；addr為地址總線；data為數(shù)據(jù)總線；r/w為讀/寫信號(hào)線。系統(tǒng)時(shí)序圖如圖2所示，其中陰影部分為未知區(qū)域。

圖2　系統(tǒng)時(shí)序圖

　　在系統(tǒng)正常工作時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)首先將地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)和讀寫控制信號(hào)傳至FPGA，通過FPGA內(nèi)部電路進(jìn)行處理后將信號(hào)傳遞到SRAM端；當(dāng)start信號(hào)線有效時(shí)，F(xiàn)PGA啟動(dòng)自檢電路對SRAM進(jìn)行故障檢測，并進(jìn)行故障自校正；測試結(jié)束后輸出end有效信號(hào)，對于無法修復(fù)的故障則使error信號(hào)線有效。

4.3自檢電路硬件設(shè)計(jì)

　　由FPGA構(gòu)成的自檢電路主要包括檢測控制電路、數(shù)據(jù)分析器和地址自校正器等部分[8]，是對SRAM進(jìn)行檢測的關(guān)鍵。SRAM自檢電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示[910]。

圖3　SRAM自檢電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　測試電路工作機(jī)制為在start信號(hào)有效時(shí)，自檢電路進(jìn)入自檢狀態(tài)[11]，自檢模塊的控制器部分首先通過使能信號(hào)cs1啟動(dòng)地址校正器內(nèi)的自檢電路，屏蔽MCU_addr信號(hào)使test_addr、test_end和clk2工作；同時(shí)通過cs2啟動(dòng)數(shù)據(jù)分析器，控制器具有產(chǎn)生地址和測試向量的電路，測試地址通過地址校正器輸出，測試向量通過SRAM_data數(shù)據(jù)線輸出，通過控制線r/w進(jìn)行SRAM的讀寫，并通過數(shù)據(jù)分析器將讀到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；若有故障，則通過addr_error信號(hào)線通知地址校正器進(jìn)行校正。在控制器按照March C算法進(jìn)行測試完畢后，通過test_end信號(hào)線通知地址校正器，并使使能信號(hào)cs1和cs2無效。地址校正器接收到結(jié)束信號(hào)后，將故障單元映射到備用的SRAM存儲(chǔ)單元，若出現(xiàn)故障單元超出備用部分個(gè)數(shù)或其他無法完成映射的情況，則地址校正器輸出error信號(hào)。自檢模塊故障檢測完畢后進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

5　結(jié)論

　　本文簡要地介紹了在SRAM中常見的若干故障模型，以及常用的測試方法， 最后提出了一種運(yùn)用由FPGA構(gòu)成的存儲(chǔ)器自測試電路對SRAM進(jìn)行檢測的方法。該檢測模塊不僅具有對存儲(chǔ)器故障檢測的功能，而且還能將產(chǎn)生故障的單元進(jìn)行自校正，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)有無法修復(fù)的故障時(shí)，該模塊會(huì)發(fā)出故障信號(hào)。通過SRAM自檢測電路的設(shè)計(jì)既提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又大大地降低了系統(tǒng)的故障率。該系統(tǒng)測試電路由硬件描述語言編程而來，所以測試電路具有很強(qiáng)的靈活性，便于以后的進(jìn)一步設(shè)計(jì)。