數(shù)字電路系統(tǒng)可測性設(shè)計(DFT)技術(shù)實現(xiàn)方法研究

黃小妹

（江蘇省啟東市第二中等專業(yè)學(xué)校，江蘇啟東，226200）

0 引言

數(shù)字電路系統(tǒng)與其自身規(guī)模的大小和芯片使用的型號有直接關(guān)系。PPC、DSP、FPGA 等是目前市面上使用較多的梳子芯片。大多數(shù)芯片采用的都是BGA 封裝，這類芯片不但間距小，而且引腳數(shù)量多，且導(dǎo)致數(shù)字電路系統(tǒng)上可測試的節(jié)點距離也逐漸縮小，該問題的出現(xiàn)非常不利用芯片生產(chǎn)和系統(tǒng)檢測。對于數(shù)字電路系統(tǒng)可測試節(jié)點的縮小，使邏輯分析儀器和傳統(tǒng)示波器在系統(tǒng)測試方面效率急劇下降，難度急劇上升，為后期的故障檢測及定位工作帶來了一定難度。為了進一步提高數(shù)字電路系統(tǒng)的可測試性和步驟簡化性，在該系統(tǒng)的設(shè)計過程中就要對該問題就行充分考慮。文章通過與數(shù)字電路系統(tǒng)優(yōu)勢的結(jié)合，重點對邊界掃描原理的結(jié)構(gòu)性、可測性設(shè)計在數(shù)字系統(tǒng)硬件中的實現(xiàn)做了深入探究。

1 邊界掃描測試原理

邊界掃描標(biāo)準(zhǔn)是聯(lián)合測試小組在1985 年制定的檢測PCB 和IC 芯片的一個標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)在1990 年被修改成為一個IEEE 的標(biāo)準(zhǔn)，這就是IEEE1149.1。隨著科技時代的發(fā)展，IEEE1149.1 已逐漸成為測試數(shù)字電路系統(tǒng)的主要技術(shù)。這種測試標(biāo)準(zhǔn)的使用，不僅能監(jiān)測數(shù)字芯片輸入和輸出的管腳狀態(tài)，還對芯片的工作情況和斷、開路故障實施精準(zhǔn)定位[1]。數(shù)字芯片的內(nèi)部與管腳都是以邊界掃描測試為背景，并在此基礎(chǔ)上添加掃描單元，最終利用邊界掃描單位來監(jiān)控芯片的引腳狀態(tài)。通過上述原理對邊界單元進行掃描，將邊界單元的指定狀態(tài)從測試數(shù)據(jù)端口進行輸入，然后串行移位到輸出引腳，在邊界掃描工作狀態(tài)不變的情況下，采集輸入引腳的響應(yīng)，最后將響應(yīng)值和輸入數(shù)值相比對，以此判斷芯片之間的故障。數(shù)字電路系統(tǒng)中大部分使用的數(shù)字芯片在標(biāo)準(zhǔn)選擇方面都是符合IEEE1149.1 測試規(guī)范的。而PPC、DSP、FPGA 等芯片由于BGA 封裝原因的不同，導(dǎo)致物理探針和管腳之間的距離狹窄，無法接觸。該情況的出現(xiàn)為數(shù)字電路系統(tǒng)邊界掃描故障測試帶來了困難，也正是因為這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，所以在數(shù)字電路系統(tǒng)硬件設(shè)計過程，必須充分考慮DFT 技術(shù)的結(jié)構(gòu)性，為后期簡化測試步驟提供有力支撐。

2 可測性設(shè)計的實現(xiàn)

DFT 可測試性設(shè)計是針對數(shù)字電路系統(tǒng)展開的全面測試，是對整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性的測試，不單單指系統(tǒng)和電路設(shè)計過程中的測試問題。數(shù)字電路系統(tǒng)芯片之間的互聯(lián)故障測試主要依靠該系統(tǒng)提供的結(jié)構(gòu)性邊界測試標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)的。所以，在數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計過程中，有關(guān)邊界測試性的設(shè)計，首先，邊界掃描器件要滿足IEEE1149.1 標(biāo)準(zhǔn)；其次，還要對邊界掃描器件的管理連接方法進行完善。比如：PPC、DSP、FPGA 等類型的芯片，在工作狀態(tài)下也可進行邊界掃描，但其設(shè)計并不完全符合IEEE1149.1 標(biāo)準(zhǔn)[2]。通過以上闡述，充分印證了要想保障數(shù)字電路系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下實現(xiàn)模式切換自如，還有無法全部實現(xiàn)。

■2.1 串行邊界掃描鏈

在電路系統(tǒng)中，邊界掃描的基礎(chǔ)測試是以掃描鏈路為背景，然后通過并行、串行以及獨立路徑的連接方式進行測試。串行的方式很簡單，不需在模塊上增加額外的電路，只需要一個JTAG 接口直接連接到邊界掃描控制器上即可。串行方式比較適用于功能模塊少的，且各個組件之間的連接關(guān)系比較簡單的系統(tǒng)。采用這種串聯(lián)方式可實現(xiàn)最簡單的系統(tǒng)級邊界掃描測試環(huán)路，如圖 1 所示。

圖1 串行邊界掃描鏈

串行連接方式的邊界掃描只適用電路連接簡單的系統(tǒng)，如果系統(tǒng)中有鏈路的芯片損壞或者空槽的問題的出現(xiàn)，那么整個系統(tǒng)的邊界掃描鏈路就會斷開，無法繼續(xù)工作。除此以外，當(dāng)需要對某個器件進行重復(fù)掃描時，這時會進行串行移位操作，該操作非常繁瑣，且時間較長。還有一種可能發(fā)生的問題就是，進行反復(fù)的邊界掃描時，部分?jǐn)?shù)據(jù)會涉及到手動修改，在手動修改過程中，不僅容易出錯，還比較浪費時間。因此，邊界掃描在串行連接方式中使用較多，若系統(tǒng)連接較為復(fù)雜、器件多的情況下不建議使用[3]。

■2.2 并行邊界掃描鏈

并行連接的方式是對鏈路進行分割管理，這種連接方式明確了鏈路。簡化了芯片對各鏈路條的管理，簡化程序尤其體現(xiàn)在串行移位操作步驟，增加了鏈路掃描的靈敏性。如圖2 所示，在整個數(shù)字電路系統(tǒng)中，所有需要處理的模塊都是并聯(lián)在測試總線上，若其中的一個模塊有損壞，其他模塊也會正常工作，不會受影響。這種并行鏈路掃描方法是實現(xiàn)稍微有一點復(fù)雜，具體操作步驟是將每個通用處理模塊都添加掃描芯片。掃描芯片的作用是將通用模塊內(nèi)部的掃描鏈路有序區(qū)分開來，最后按照每個區(qū)域規(guī)則分配獨立掃描鏈路。

圖2 并聯(lián)連接邊界掃描鏈

■2.3 獨立的邊界掃描鏈

圖3 所示為獨立邊界掃描鏈，該掃描鏈的組織方式是為各個模塊提供單獨的掃描測試，其中每個模塊的掃描連接測試口和測試總線都是獨立的，這也是實現(xiàn)模塊級邊界掃描測試的方式之一。獨立邊界掃描鏈中，各個模塊之間的鏈路都是相互隔開的，相互配合實現(xiàn)系統(tǒng)級邊界掃描測試難度較高，操作復(fù)雜。若電路系統(tǒng)規(guī)模較大，那么系統(tǒng)內(nèi)部的模塊數(shù)量也逐漸增多，那么背板用于測試總線的空間不足，所以這種情況下不太適用改方式進行掃描。

圖3 獨立邊界掃描鏈

■2.4 兼容性設(shè)計

邊界掃描的測試和工作模式來回切換，都離不開數(shù)字芯片的支持。為了保證數(shù)字電路系統(tǒng)各個模塊的正常工作，在通用處理模塊設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)通過數(shù)字芯片的特性，來延伸邊界掃描模式和系統(tǒng)工作模式的切換的兼容性設(shè)計。

■2.5 JTAG 引腳的兼容性設(shè)計

傳統(tǒng)的數(shù)字芯片在對數(shù)字電路系統(tǒng)進行邊界掃描時，可在原有的芯片基礎(chǔ)上增加額外的JTAG 引腳，而系統(tǒng)需要對增加的引腳進行兼容性設(shè)計，使其能夠正常的工作。如：TI公司DSP 芯片增加JTAG 引腳，是以IEEE1149.1 標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)增加的，而增加的引腳可對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行切換，同時，實現(xiàn)JTAG 邊界掃描。當(dāng)對DSP 芯片進行仿真試驗和正常工作狀態(tài)進行調(diào)試時，兩個信號均需向上拉，此時JTAG 接口處是無效的。對于 XILINX 公司的XC4000E/EX/XL 等類型的 FPGA，在添加邊界掃描模塊時需在系統(tǒng)配置之前進行設(shè)計，這是與其他類型芯片不一樣的地方[4]。

3 簇測試設(shè)計

簇(Cluster) 是非邊界掃描器件。具體指符合邊界掃描標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字芯片，其中還包括電子轉(zhuǎn)換器、傳輸器和緩沖器的數(shù)字芯片。簇測試采用的測試方法一般是建立虛擬測試通道。該通道主要是為了給兩種器件提供掃描測試通道。這兩種分別是不具備邊界掃描和具備邊界掃描的器件，詳情可見圖4。

圖4 簇測試原理

根據(jù)圖4 的簇測試原理可見，簇件器1 和2 都與邊界掃描器相連接。簇器件1 的輸出可以通過邊界測試器的測試總線在簇器件2 進行讀取。同樣的測試方法，簇器件2的輸出也可在簇器件1 讀取。簇模型是一種軟件器件模型，這種模型主要是在邊界掃描控制器無法獲取被觀測網(wǎng)表面簇器件性質(zhì)而設(shè)計的。對于該模型的使用不僅是為了給非邊界掃描器件提供信息，還間接增加電路故障測試覆蓋率。非邊界掃描器件中，有的具有直通特性，比如：驅(qū)動器、串聯(lián)電阻等。鑒于該情況的存在，對于器件邏輯值的輸出可以不變。但為了使利用簇模型合并的網(wǎng)表規(guī)模達到理想目標(biāo)，可以充分利用器件的這個特點[5]。

4 實驗結(jié)果

利用邊界掃描測試對數(shù)字電路系統(tǒng)進行故障診斷，詳情如圖5 所示。邊界掃描測試系統(tǒng)主要可劃分為三部分，分別為主控計算機、邊界掃描控制器和待測模塊。將待測模塊與邊界掃描控制器相連接，然后利用USB 和PCI 總線將連接好的邊界控制器與主控計算機連接。

圖5 邊界掃描測試系統(tǒng)

DFT 技術(shù)使用前后，在故障覆蓋率、定位精準(zhǔn)度、時間以及測試范圍數(shù)據(jù)方面的對比都有不同程度的差距。DFT技術(shù)在使用后，數(shù)字電路系統(tǒng)的測試性幅度大大提升。DFT技術(shù)使用前，由于數(shù)字電路系統(tǒng)內(nèi)部邊界掃描沒有規(guī)律和組織性，導(dǎo)致芯片無法實現(xiàn)協(xié)同掃描，同時，獲取的管腳值也無法進行對比。由于DD R等存儲芯片均被當(dāng)做普通器件，通過控制與之相連的數(shù)字芯片的邊界掃描寄存器，產(chǎn)生測試序列，選取地址并進行讀寫內(nèi)容校驗即可，所以采用通用測試程序即可完成存儲器測試。

為了驗證待測系統(tǒng)在應(yīng)用DFT 技術(shù)后對邊界掃描系統(tǒng)實現(xiàn)管腳級故障定位的準(zhǔn)確性，可在DFT 設(shè)計后的待測系統(tǒng)中某個模塊的 DSP 與 FPGA 之間的某條互連線通過跳線設(shè)置為短路，利用邊界掃描系統(tǒng)進行測試，并與實際情況相比較，觀察位置是否相符。個方面研究了超大規(guī)模數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)性可測性(DFT)設(shè)計實現(xiàn)方法，并在某大規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)中成功應(yīng)用了該技術(shù)，實現(xiàn)了一鍵式互連故障診斷及可掃描網(wǎng)絡(luò)故障精確定位。該技術(shù)對邊界掃描測試技術(shù)在大規(guī)模數(shù)字電路故障測試中應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。

5 結(jié)論

數(shù)字電路系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，集成難度非常高，再加之其使用的芯片間距小和物理探測點少的問題，充分證明了該系統(tǒng)的診斷難度和復(fù)雜程度。借助IEEE1149.1 兼容的這類數(shù)字芯片在測試方面的優(yōu)勢與數(shù)字電路系統(tǒng)的可測性（DFT）技術(shù)的配合，可搭建結(jié)構(gòu)簡單、診斷精度高的故障測試系統(tǒng)。全文通過掃描鏈路、模塊兼容性等方面對數(shù)字電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可測性（DFT）設(shè)計方法進行延伸分析，并成功的將其技術(shù)應(yīng)用至該系統(tǒng)，進一步實現(xiàn)了對數(shù)字電路系統(tǒng)互聯(lián)障礙的診斷及準(zhǔn)確定位。同時，該技術(shù)對邊界掃描測試技術(shù)在數(shù)字電路故障測試中還具有一定的指導(dǎo)作用。