摘 要： 討論了IEEE P1500測試架構(gòu)，詳細(xì)分析并實(shí)現(xiàn)了IP核的測試環(huán)（Wrapper）結(jié)構(gòu)，給出了一種支持該標(biāo)準(zhǔn)的芯片級測試控制結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能控制基于總線結(jié)構(gòu)的TAM以及P1500 Wrapper，通過芯片級CTAP控制器，支持串行或并行測試訪問，實(shí)現(xiàn)了核內(nèi)測試以及核間互連測試。同時(shí)該結(jié)構(gòu)只需5根額外測試管腳。
關(guān)鍵詞： 片上系統(tǒng)； 測試環(huán)； 測試訪問機(jī)制； IP核
片上系統(tǒng)SoC已經(jīng)發(fā)展成為當(dāng)今的一種主流技術(shù)，但由于系統(tǒng)集成商從IP核供應(yīng)商處得到的芯核信息非常有限，給芯片級測試集成開發(fā)帶來新的挑戰(zhàn)，SoC測試也被認(rèn)為是SoC設(shè)計(jì)流程中的一個(gè)瓶頸。IEEE P1500工作組正在制定的新標(biāo)準(zhǔn)便是以各種型態(tài)及用途的核測試是否能以即插即用（Plug-and-Play）的方式整合于SoC內(nèi)為考慮[1]。IEEE P1500對芯核測試環(huán)（Wrapper）和用于傳遞核測試信息的核測試語言（CTL）做了規(guī)定，但為了適應(yīng)多供應(yīng)方提供芯核的事實(shí)，P1500對Wrapper只有行為上的定義，同時(shí)并行測試訪問機(jī)制（TAM）也留給用戶自己定義[2]。參考文獻(xiàn)[3]、[4]對P1500 和Wrapper的設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論；參考文獻(xiàn)[5]、[6]提出了層次化測試結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，能夠支持多種類型的IP核，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。本文構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可行的測試架構(gòu)，該架構(gòu)包括標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的P1500 Wrapper、用戶自定義的并行TAM以及芯片級測試控制器。該測試控制結(jié)構(gòu)簡單，硬件資源花費(fèi)較少。
1 P1500 Wrapper及實(shí)現(xiàn)
P1500的Wrapper由1個(gè)指令寄存器（WIR），1位旁路寄存器（WBY）和邊界寄存器（WBR）構(gòu)成[3-4]，并通過Wrapper接口端口(WIP)訪問這些寄存器,如圖1所示。WIP是標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)制要求的，共6個(gè)信號線，其定義如下：
圖1 P1500 Wrapper結(jié)構(gòu)
WRSTN：低電平有效的異步復(fù)位信號，復(fù)位有效時(shí)，測試環(huán)工作在正常模式。
WRCK：P1500提供給WIR，WBY、WBR的專用時(shí)鐘信號。
SelectWIR：指令與測試數(shù)據(jù)選擇端。為1時(shí)，WIR連入 WSI-WSO，傳送測試指令；為0時(shí)，根據(jù)WIR指令，選擇WBR、WBY或核內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器，傳送測試數(shù)據(jù)。
CaptureWR、ShiftWR、UpdateWR：分別為Wrapper數(shù)據(jù)、指令的捕獲端、移位端和更新端。
整個(gè)Wrapper的設(shè)計(jì)由Wrapper單元和指令控制模塊兩部分組成。
1.1 Wrapper單元（WBC）
P1500規(guī)定每個(gè)數(shù)字核的功能管腳有1個(gè)WBC，它們共同構(gòu)成WBR，Wrapper單元具有移位、捕獲、更新等功能；能夠提供正常的功能路徑，實(shí)現(xiàn)核輸入可控性和輸出可觀性。IEEE P1500只定義了WBC的行為，并沒有具體實(shí)現(xiàn)，允許用戶擴(kuò)展WBC功能，本設(shè)計(jì)除了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的以上功能外,還提供并行TAM的接口，供WPI-WPO的輸入輸出,整個(gè)操作由WIP信號和指令共同控制,圖2為Wrapper輸入單元的原理圖，表1為其真值表。Wrapper輸出單元與之類似。
1.2 指令控制模塊
指令寄存器(WIR)由1個(gè)移位寄存器以及1個(gè)等長的更新寄存器組成。指令通過WSI掃描到移位寄存器，只有當(dāng)指令鎖存到更新寄存器中，指令才有效。P1500 測試環(huán)有多種操作模式，除了串行測試模式外，還有可選的并行測試模式。主要有正常模式、 串行內(nèi)測試、串行外測試、盤路測試、 并行內(nèi)測試、并行外測試，IEEE P1500都有相對應(yīng)的指令。表2是本設(shè)計(jì)的部分指令、指令碼以及相應(yīng)的功能描述。
Wrapper的整個(gè)操作是由WIP的信號配合載入到WIR的指令共同完成的。圖3中SelectWIR和ShiftWR在第2個(gè)WRCK上升沿之前為1。接下來3個(gè)時(shí)鐘保持這2個(gè)信號不變(本設(shè)計(jì)指令長度為3 bit)， 開始了3位WIR指令的移位操作，移位完成后，ShiftWR信號置為0，而UpdateWR信號置為1。在隨后的WRCK的下降沿時(shí)，指令存到WIR的更新寄存器中。在WIR更新后，SelectWIR信號置為0，在下個(gè)WRCK時(shí)鐘來的時(shí)候，被Wrapper指令寄存器選中的數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行移位操作。
2 SoC級測試控制結(jié)構(gòu)
基于IEEE P1500的SOC測試架構(gòu)如圖4所示。主要由串行數(shù)據(jù)開關(guān)DS、并行數(shù)據(jù)開關(guān)PDS、測試配置寄存器TCR以及1個(gè)可以控制多個(gè)P1500核的CTAP控制器構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)硬件開銷少，只需5個(gè)額外的測試管腳，其中TAM可以復(fù)用SoC的功能管腳，Source和Sink可以是片內(nèi)的，也可以由片外ATE提供。
2.1 CTAP控制器
CTAP是一個(gè)19 bit的有限狀態(tài)機(jī)，它類似于1149.1的TAP控制器，是整個(gè)測試控制結(jié)構(gòu)的核心部分，與1149.1的TAP控制器相比，增加了3個(gè)狀態(tài):Select TCR Scan、Shift TCR、Update TCR。在TMS信號的控制下，產(chǎn)生TCR所需的信號(shift_tc，update_tc，select_tc)，測試時(shí)，通過這3個(gè)狀態(tài)對測試配置寄存器進(jìn)行配置，選擇指定的核。CTAP的其余狀態(tài)結(jié)合TMS信號產(chǎn)生P1500所需要的WIP信號，控制Wrapper操作。其狀態(tài)機(jī)描述如圖5所示。
2.2 測試配置寄存器TCR
測試配置由一組移位更新寄存器組成，其中寄存器的位數(shù)是由核的個(gè)數(shù)決定的。其輸入信號由CTAP控制器產(chǎn)生，測試配置數(shù)據(jù)由TDI輸入，圖6是一個(gè)m位的移位更新寄存器，用來控制m個(gè)核，從更新寄存器出來的信號連到串行數(shù)據(jù)開關(guān)以及并行數(shù)據(jù)開關(guān)的en端，當(dāng)某個(gè)核的en端為1時(shí)，該核被選中，進(jìn)行核內(nèi)相應(yīng)測試；當(dāng)en為全1時(shí)，核全部被選中，可以進(jìn)行核間互連測試。
2.3 數(shù)據(jù)開關(guān)（DS和PDS）
數(shù)據(jù)開關(guān)用來控制串行測試數(shù)據(jù)的路徑，連接芯片與IP核。其結(jié)構(gòu)如圖7所示。
當(dāng)DS的en信號為1時(shí)，芯片串行測試數(shù)據(jù)路徑就與IP核的串行測試數(shù)據(jù)路徑連接，通過它，可以移入指令或者測試數(shù)據(jù)到IP核中。同理，在基于總線的TAM上，也為每個(gè)核配置1個(gè)總線數(shù)據(jù)開關(guān)，其原理與串行線上的DS相同，只是將1位TAM，改為連接多位TAM。如圖7所示。
3 測試步驟
測試步驟如下：
(1) 進(jìn)行測試配置：由TSM信號控制CTAP狀態(tài)機(jī)，通過TDI進(jìn)行測試配置，輸入m位二進(jìn)制數(shù)，表示相對應(yīng)IP核選中情況。如100…0，表示選中第1個(gè)IP核進(jìn)行測試。
(2) 測試指令輸入：由TSM信號控制CTAP狀態(tài)機(jī)，通過TDI輸入測試指令，將指令輸入到選中的IP的WIR中。
(3) 測試數(shù)據(jù)的輸入：通過TSM信號控制CTAP狀態(tài)機(jī)，根據(jù)輸入的指令，選擇串行或者并行測試，將測試數(shù)據(jù)輸入WBR，結(jié)合指令，進(jìn)行相應(yīng)的測試。
(4) 重復(fù)以上步驟，完成所有核的內(nèi)部測試，不同核有不同的測試方法與要求，如BIST、Iddq、掃描測試等，要根據(jù)具體的核供應(yīng)商以及所要求的故障覆蓋率決定。
(5) 測試完所有的IP核后，將測試配置寄存器設(shè)置為全1，即111…1，選中所有核，然后移入互連測試指令，進(jìn)行核間互連測試。
4 仿真實(shí)現(xiàn)
為驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)，依次設(shè)計(jì)了3個(gè)簡單的邏輯核，1個(gè)計(jì)數(shù)器、1個(gè)四位加法器和1個(gè)頻率計(jì)。以4位加法器核為例，為核進(jìn)行Wrapper,其管腳為a（3:0）、b（3:0）、cin、s（3:0）、cout。例化WBC單元，為每個(gè)功能管腳加入WBC，并連入指令控制模塊。設(shè)TAM寬度為3 bit，為減少測試時(shí)間，平衡掃描鏈的長度，該3條掃描鏈為：PI(0)，b(1)，b(0)，cin，s(0)，cout，PO(0)；PI(1)，a(0)，b(3)，b(2)，s(2)，s(1)，PO(1)；PI(2)，a(3)，a(2)，a(1)，s(3)，PO(2)。以同樣方式對其他核進(jìn)行Wrapper并搭建SoC測試架構(gòu)。下面以4位加法器核并行內(nèi)測試指令為例，將010二進(jìn)制碼輸入配置寄存器，選中4位加法器核進(jìn)行測試，然后再控制TMS信號，將并行測試指令111移入指令寄存器并進(jìn)行更新，隨后通過TAM信號輸入測試激勵，進(jìn)行功能測試。為方便說明，這里只選010作為測試矢量，如果核的功能正確，根據(jù)Wrapper與TAM的連接情況，其TAM輸出應(yīng)為100和×11。從仿真波形中可以看出，測試數(shù)據(jù)移位更新捕獲后，輸出結(jié)果一致，功能正確。仿真波形如圖8所示。
為了實(shí)現(xiàn)SoC的并行測試，本文設(shè)計(jì)的P1500 Wrapper提供并行TAM的接口，供WPI-WPO的輸入輸出,同時(shí)給出了基于IEEE P1500的SoC測試架構(gòu)，該結(jié)構(gòu)充分考慮IEEE 1149.1 TAP的成熟技術(shù)，通過增設(shè)配置寄存器狀態(tài),并結(jié)合P1500的WIP信號，實(shí)現(xiàn)了對多個(gè)P1500核的測試控制。但對于Wrapper的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及對多種類型芯核的測試控制器的設(shè)計(jì),還需進(jìn)一步研究。
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