基于FPGA的數(shù)據(jù)域邊界掃描測(cè)試向量發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的邊界掃描測(cè)試向量發(fā)生器，該發(fā)生器可以為邊界掃描故障診斷系統(tǒng)提供測(cè)試向量，并可計(jì)算測(cè)試向量的故障覆蓋率。與以往通過(guò)軟件提供測(cè)試向量的方法相比，該設(shè)計(jì)在速度和效率上有了較大提高。
關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)域測(cè)試；邊界掃描；故障注入；偽隨機(jī)序列

　隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電子系統(tǒng)中印刷電路板越來(lái)越復(fù)雜，多層板的設(shè)計(jì)也越來(lái)越普遍。由于大量使用各種表貼元件和BGA封裝元件，使得元器件的管腳密度不斷提高，采用萬(wàn)用表、示波器測(cè)試芯片的傳統(tǒng)“探針”方法已經(jīng)不能滿足要求?；诖?，聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)組JTAG（Joint Test Action Group）于1988年提出了第一個(gè)邊界掃描機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)，即JTAG標(biāo)準(zhǔn)[1]。邊界掃描技術(shù)是應(yīng)用于數(shù)字集成電路器件的測(cè)試性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。所謂“邊界”是指測(cè)試電路被設(shè)置在IC器件邏輯功能電路的四周，位于靠近器件輸入、輸出引腳的邊界處。所謂“掃描”是指連接器件各輸入、輸出引腳的測(cè)試電路實(shí)際上是一種串行移位寄存器，這種移位寄存器叫做“掃描路徑”，沿著這條路徑可輸入由“0”和“1”組成的各種編碼，對(duì)電路進(jìn)行“掃描”式檢測(cè)，從而定位故障芯片，并對(duì)芯片進(jìn)行更換。然而，人們對(duì)具體電路測(cè)試向量的生成主要是依靠軟件實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)面臨大規(guī)模復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，基于軟件的測(cè)試向量生成方法往往在速度上受到本質(zhì)是串行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的制約，導(dǎo)致運(yùn)算速度較慢。本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的邊界掃描測(cè)試向量發(fā)生器，由于FPGA并行運(yùn)行的特性，提高了測(cè)試向量產(chǎn)生的速度和效率。
1 數(shù)據(jù)域測(cè)試?yán)碚撆c算法
數(shù)據(jù)域測(cè)試是對(duì)數(shù)字電路或系統(tǒng)進(jìn)行故障偵查、定位和診斷[2]。數(shù)據(jù)域測(cè)試是提高數(shù)字系統(tǒng)可靠性的重要途徑，對(duì)當(dāng)代集成電路工業(yè)具有舉足輕重的作用。
1.1 固定型故障模型
固定型故障模型是指電路或系統(tǒng)中某一信號(hào)線在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中總是固定在某一邏輯值上[3]。如果該線固定在邏輯高電平上，則稱之為固定1故障,簡(jiǎn)記為s-a-1；如果該線固定在邏輯低電平上，則稱之為固定0故障，簡(jiǎn)記為s-a-0。
1.2 布爾差分算法
布爾差分法是用數(shù)學(xué)方法來(lái)研究故障的傳播，從而求得故障的測(cè)試集[4]。為了敘述方便，本文對(duì)于布爾函數(shù)f(X)=f(x1，x2，…，xn)定義如下：
f(xi)=f(x1，x2，…，xi，…，xn)

LFSR的邏輯功能完全由其反饋函數(shù)決定，圖1中所示的LFSR的行為完全由反饋系數(shù)Ci決定，由反饋系數(shù)Ci在二元域上定義的多項(xiàng)式：

稱為該線性反饋移位寄存器的特征多項(xiàng)式。以n次本原多項(xiàng)式為特征多項(xiàng)式的LFSR可產(chǎn)生周期為2n-1的偽隨機(jī)序列。
3.2 故障運(yùn)算機(jī)模塊
本文以ISCAS`85基準(zhǔn)電路的C17電路為例來(lái)設(shè)計(jì)故障運(yùn)算機(jī)模塊。C17電路的單固定故障數(shù)目為34。將故障注入控制字M和Fv的寬度設(shè)置為9位，表示每個(gè)周期可以執(zhí)行8個(gè)故障的計(jì)算，每5個(gè)時(shí)鐘周期，測(cè)試向量保持不變，故障運(yùn)算機(jī)模塊依次注入全部故障。故障注入控制字的數(shù)據(jù)如圖2所示。表中陰影部分第一、二周期以及第三個(gè)周期中M[16]、Fv[16]表示注入固定1型故障，其余部分表示注入固定0型故障。