基于復(fù)用的SOC測試技術(shù)

90年代國際上出現(xiàn)的SOC概念，以系統(tǒng)為中心、基于IP模塊多層次、高度復(fù)用的設(shè)計(jì)思想受到普遍重視和廣泛應(yīng)用。SOC的高集成度和復(fù)雜度使得SOC測試面臨挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的基于整個(gè)電路的測試方法不再適用。對于IP模塊和SOC而言，在電路設(shè)計(jì)向可復(fù)用這一目標(biāo)發(fā)展的同時(shí)，測試中的復(fù)用也變得愈加重要，成為解決SOC測試的關(guān)鍵，也成為目前該領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。本文在分析SOC與SOB（system on board）本質(zhì)區(qū)別的基礎(chǔ)上，闡明復(fù)用對于SOC測試的重要性，對現(xiàn)有主要幾類基于復(fù)用思想的SOC測試進(jìn)行分析。

2 SOC的測試

SOC使集成電路設(shè)計(jì)者分為兩個(gè)部分：IP模塊的設(shè)計(jì)者和SOC集成者（IP模塊的使用者）[2,4,5] 。IP模塊是設(shè)計(jì)者提供的具有特定功能和相關(guān)參數(shù)描述的模塊；而SOC集成者利用它們和用戶自定義邏輯（UDL）集成在一起，實(shí)現(xiàn)既定的功能。從表面上看，這種設(shè)計(jì)類似于傳統(tǒng)的基于芯片的SOB 設(shè)計(jì)，但二者存在本質(zhì)區(qū)別。

SOB中的IC是經(jīng)制造生產(chǎn)和測試后的實(shí)體，因此對SOB集成者而言，測試是針對系統(tǒng)中IC之間連接的測試。在SOB的設(shè)計(jì)集成過程中，IC的制造商和系統(tǒng)的集成者有相對獨(dú)立的測試開發(fā)和實(shí)施階段，如圖1所示。從描述的層次而言，SOC中的IP模塊可以分為軟核、固核以及硬核。每一個(gè)核又可以是若干更小的模塊共同構(gòu)成,但無論什么模塊，相對于SOB中的芯片而言是虛擬器件，在進(jìn)行SOC集成設(shè)計(jì)時(shí)都未經(jīng)物理實(shí)現(xiàn)。IP模塊提供者對所設(shè)計(jì)的虛擬模塊進(jìn)行測試開發(fā)，卻不能對IP模塊進(jìn)行實(shí)際的物理測試。因此IP模塊設(shè)計(jì)者和SOC集成者的測試開發(fā)和實(shí)施將不再是彼此獨(dú)立和分割的兩個(gè)階段。SOC集成者要完成包括IP模塊在內(nèi)的整個(gè)芯片的測試方案[2]。因此，SOC測試較傳統(tǒng)的SOB測試而言，更加復(fù)雜，也更具挑戰(zhàn)性。

圖1 SOB與SOC測試的比較

3 復(fù)用技術(shù)與SOC測試

隨著技術(shù)的發(fā)展和市場的需要，IP模塊和SOC 的設(shè)計(jì)正逐漸以分布和并行的方式進(jìn)行。來源于不同的各種IP模塊的多層次復(fù)用是SOC的基礎(chǔ)。IP 模塊是對功能和實(shí)現(xiàn)方式的描述，是未經(jīng)物理實(shí)現(xiàn)的虛擬器件，不同類型的IP模塊有不同的模型和測試方法，IP模塊的提供者雖然無法對模塊進(jìn)行物理測試，但必須向SOC集成者提供模塊的測試信息，其中包括模塊的測試方法、可測性結(jié)構(gòu)、測試產(chǎn)生方法及測試集等 [2,4,6]。如果不以這些模塊的測試信息為基礎(chǔ)，SOC集成者就無法對高達(dá)千萬門級的芯片進(jìn)行測試，而復(fù)用則是SOC測試的關(guān)鍵。因此，國際上IEEE P1500工作組和VSIA（virtual socket in ter face alliance）聯(lián)盟正在制定相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)[6,7] ，研究焦點(diǎn)集中于規(guī)范IP模塊設(shè)計(jì)者和SOC集成者之間的軟硬件接口，如模塊測試語言（CTL，）和可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)SOC測試中IP模塊測試信息的即插即用。但標(biāo)準(zhǔn)并不進(jìn)行復(fù)用方法和測試集成及優(yōu)化的研究，有許多問題尚未解決。因此采用何種方式復(fù)用，如何解決復(fù)用中遇到的問題成為目前 SOC測試研究的焦點(diǎn)之一。從復(fù)用的角度，現(xiàn)有的SOC測試解決方案大致分為兩類：直接復(fù)用和間接復(fù)用。

3.1 直接復(fù)用

該方法的基本思路是自頂向下，直接在芯片級使用已有的模塊測試信息，通過實(shí)現(xiàn)對每個(gè)IP模塊的測試訪問從而解決整個(gè)芯片的測試[8]。核心是通過構(gòu)建測試通路實(shí)現(xiàn)對各IP模塊的測試訪問，前提是各IP模塊都具有良好的可測性和完整的測試信息。這類方法的有效性關(guān)鍵在于兩個(gè)方面，即各模塊原有測試信息的質(zhì)量和在SOC中各模塊測試訪問的實(shí)現(xiàn)。具體的方案如下。

① 測試總線。ARM公司發(fā)布的32位AMBA（advanced microcontroller bus architecture）總線結(jié)構(gòu)，通過解決每個(gè)IP模塊的測試訪問問題來最終完成整個(gè)SOC的測試，但其兼容性、測試費(fèi)用及測試時(shí)間上有其局限性 [9]。Duel Technologies公司也作了類似的工作，提出了“測試總線”，連接每個(gè)IP模塊，雖然優(yōu)化了測試所占用的芯片面積，但無法同時(shí)將多個(gè)IP模塊連到總線上進(jìn)行測試。

② 端口訪問。Intel公司提出將每個(gè)IP模塊的接口端通過多路選擇器接到芯片的引腳上直接進(jìn)行訪問[10]。但當(dāng)IP模塊增加時(shí)，對多路選擇器的控制就會(huì)過于復(fù)雜，且該方法對IP的端口數(shù)有明確的限制。

③ 模塊的透明模型。文獻(xiàn)[11]提出一種基于IP模塊透明模型的方法，它要求每個(gè)IP模塊都有一種工作模式——透明模式。當(dāng)對SOC中某一個(gè)IP模塊進(jìn)行測試時(shí)，其它模塊均處于透明模式，從而為該模塊提供測試訪問通路。這種方案較前兩種方案減少了硬件開銷，但對IP模塊的設(shè)計(jì)有特殊要求，且數(shù)據(jù)傳輸通道多位串行會(huì)導(dǎo)致測試時(shí)間過長。

④ 邊界掃描。Texas Instrument公司利用IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)中的邊界掃描測試（BST）技術(shù)，通過標(biāo)準(zhǔn)的掃描鏈串行訪問IP模塊，該方案是將用于解決SOB的測試技術(shù)移植到了SOC上。該方案的硬件開銷會(huì)隨著電路集成度提高而加大，測試時(shí)間也會(huì)隨著SOC規(guī)模的增加變得無法接受[12]。

3.2 間接復(fù)用

這類方法的基本思路是自底向上，利用每個(gè)模塊級的測試信息，通過綜合轉(zhuǎn)換形成該模塊在芯片級可以實(shí)施的測試信息，直至形成整個(gè)芯片的測試。核心是以系統(tǒng)為出發(fā)點(diǎn)，利用各IP模塊的測試信息，綜合SOC的結(jié)構(gòu)或功能特點(diǎn)，形成SOC 對各IP模塊的測試數(shù)據(jù)和方案。具體的方案如下。

① 宏測試。從設(shè)計(jì)出發(fā)，在自IP模塊向系統(tǒng)集成的過程中不斷將模塊的測試信息進(jìn)行擴(kuò)展，直至芯片級。其中較為典型的是Philips公司將解決IC測試的Macro Test技術(shù)用于SOC測試[13]。其基本思路是將每個(gè)IP模塊的測試信息以測試協(xié)議描述，結(jié)合整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，識別合適的訪問路徑擴(kuò)展到芯片級，再通過芯片級的測試協(xié)議調(diào)度每個(gè)模塊的測試順序，最終通過單獨(dú)測試每個(gè)IP的方法來完成SOC測試。該方法對SOC中的IP模塊及其測試信息有嚴(yán)格的規(guī)定。

② 層次復(fù)用。文獻(xiàn)[13]提出了一種層次法，基本思路是針對系統(tǒng)進(jìn)行分析，提取系統(tǒng)中與待測IP 模塊的約束關(guān)系，使模塊在約束下直接產(chǎn)生測試集，進(jìn)而解決整個(gè)芯片系統(tǒng)的測試問題。該方法每次只考慮一個(gè)模塊，先對每個(gè)模塊產(chǎn)生功能約束，將約束和該模塊一起綜合，形成一個(gè)從芯片級可以訪問的對應(yīng)電路，再用商業(yè)軟件對模塊內(nèi)部的故障生成測試。但當(dāng)該技術(shù)應(yīng)用到集成度很高的SOC時(shí)，模塊本身測試的生成變得非常困難。如果SOC中的模塊是多層次復(fù)用的，需要進(jìn)一步分解成子模塊，約束條件的提取變得十分繁復(fù)。為解決這個(gè)問題，文獻(xiàn)[14]提出一種新的層次地提取可重復(fù)使用的約束方法，并在提取約束時(shí)利用綜合工具剔除冗余的邏輯部分，提高了測試生成效率，使其更有效。

③ 功能復(fù)用。SOC的功能日益強(qiáng)大，其中許多都含有內(nèi)嵌處理器和存儲(chǔ)器。文獻(xiàn)[16]，[17]提出，在SOC內(nèi)部通過內(nèi)嵌處理器模塊和存儲(chǔ)器模塊實(shí)現(xiàn)對其他IP模塊的測試。具體就是首先將各IP模塊的測試數(shù)據(jù)壓縮并存入存儲(chǔ)器模塊，再由內(nèi)嵌處理器利用這些數(shù)據(jù)，對IP模塊進(jìn)行測試并收集響應(yīng)進(jìn)行測試分析。這種方法充分利用了SOC內(nèi)部資源和已有的各IP模塊測試信息，可以實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部的高速測試。但測試數(shù)據(jù)處理和測試控制的復(fù)雜度都會(huì)隨的SOC設(shè)計(jì)復(fù)雜度的加大而增加。

4 面臨的問題

SOC內(nèi)部晶體管集成度的增長遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于芯片引腳的增長，有限的管腳資源使得外部數(shù)據(jù)帶寬和內(nèi)部數(shù)據(jù)帶寬之間的差異越來越大[1]。這種差異不僅降低了內(nèi)部模塊的可測性，還加大了間接復(fù)用方案中測試生成的難度。同時(shí)，具有一定故障覆蓋率的測試數(shù)據(jù)會(huì)隨著電路集成度和規(guī)模的增加而增加，大量的測試數(shù)據(jù)會(huì)對直接復(fù)用方案中的測試訪問的頻率和帶寬提出要求。

SOC嵌入了類型豐富的IP模塊，一些公司已將模擬電路、數(shù)字電路、嵌入式DRAM等不同形式的模塊集成到芯片中。隨著技術(shù)的發(fā)展，將有更多的電路類型被集成到SOC中，如嵌入式的FPGA、Flash、射頻發(fā)生器等?；旌闲盘枩y試在SOC測試中占有重要地位,現(xiàn)有的復(fù)用方案還未解決該問題。

前面分析的現(xiàn)有方案有的來自于專業(yè)廠商，有的是利用自己的技術(shù)傳統(tǒng)，對原IC、SOB測試技術(shù)的改進(jìn)，著眼于解決各自產(chǎn)品的測試問題，因此研究的出發(fā)點(diǎn)有局限性，各方案的適用范圍有限。

5 結(jié)論

迄今為止，還沒有一個(gè)貫穿IP模塊和SOC設(shè)計(jì)始終的完整的SOC測試解決方案，因?yàn)檫@不僅需要盡快訂立相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)，還需要進(jìn)行一些關(guān)于復(fù)用方法上的研究，例如，如何在進(jìn)行IP模塊的測試開發(fā)中引入可復(fù)用的因素，使得模塊級的測試信息對被集成環(huán)境具有更好的適應(yīng)性，能被更高層電路模塊的測試開發(fā)高效率地復(fù)用；研究基于復(fù)用的測試集成和優(yōu)化技術(shù)，利用已有模塊測試信息，集成出更高層模塊的測試并保證其可復(fù)用性等。