SOC中的MBIST設(shè)計(jì)

桂江華，錢黎明，申柏泉，周 毅

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

隨著深亞微米集成電路的出現(xiàn)，單芯片的集成度得到了很大的提高，為了縮短設(shè)計(jì)周期，加快上市時(shí)間，基于IP的SOC設(shè)計(jì)正在成為IC設(shè)計(jì)的主流[1]。由于ARM核的方便、易用和易擴(kuò)展性，目前采用ARM核的SOC產(chǎn)品遍布汽車、消費(fèi)電子、工業(yè)控制、海量存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和無線等各類產(chǎn)品市場，可以說ARM技術(shù)無處不在。同時(shí)為了降低SOC芯片的測試成本和難度，提高芯片的質(zhì)量和成品率，需要對芯片進(jìn)行可測性設(shè)計(jì)，簡稱DFT[2]。其中SOC集成了大量的存儲(chǔ)器，為了確保這些存儲(chǔ)器的好壞，只靠功能驗(yàn)證碼要花費(fèi)很大的人力資源，而內(nèi)建自測試（BIST）可以很方便地完成存儲(chǔ)器的測試。然而殘酷的競爭對成本提出了更加苛刻的要求，因此本文采用A R M核所集成的TA P控制器來控制MBIST，既能完成存儲(chǔ)器的自測試又不會(huì)因BIST帶來額外的PAD數(shù)量，降低芯片制造和封裝的成本。

2 MBIST設(shè)計(jì)

由于工藝的不斷進(jìn)步，存儲(chǔ)器芯片的集成度不斷提高，使得每個(gè)存儲(chǔ)器的面積和價(jià)格都按指數(shù)下降，同時(shí)存儲(chǔ)器在制造和使用過程中都易受到干擾[3]，故障也越來越復(fù)雜。根據(jù)故障的成因以及所影響的大小，可將存儲(chǔ)器的故障分成以下幾種[4]：Address Faults（AF）、Address Decoder Open Faults（ADOF）、Coupling Faults（CF）、Data Retention Faults（DRF）、Stuck-at Faults（SAF）、Stuck Open Faults（SOF）和Transition Faults（TF）。為了合理地測試這些故障，主要的測試算法大致有：M a r c h C、CheckerBoard和Rom。本文主要討論SRAM的BIST設(shè)計(jì)，采用MarchC-（march1）算法，該算法大致的測試步驟如下：

地址（0）→地址（最高位）：Write（55）

地址（0）→地址（最高位）：Read（55）-Write（AA）

地址（0）→地址（最高位）：Read（AA）-Write（55）

地址（最高位）→地址（0）：Read（55）-Write（AA）

地址（最高位）→地址（0）：Read（AA）-Write（55）

地址（最高位）→地址（0）：Read（55）

其中選擇55和AA的原因是因?yàn)樗鼈兊亩M(jìn)制代碼是互補(bǔ)的，而且01交互，有利于全面覆蓋故障。

常用的MBIST結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括MBIST控制器和比較器。其中控制器由狀態(tài)機(jī)控制MBIST的運(yùn)轉(zhuǎn)順序；在MBIST測試時(shí)控制器還可以產(chǎn)生Memory的地址、數(shù)據(jù)和讀寫控制信號。Memory的輸出結(jié)果輸入到比較器中，由比較器判斷結(jié)果正確與否。

圖1 MBIST結(jié)構(gòu)圖

3 ARM JTAG介紹

JTAG是Joint Test Action Group的簡稱。IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)就是由JTAG這個(gè)組織最初提出的，最終由IEEE批準(zhǔn)并且標(biāo)準(zhǔn)化。JTAG最初的目的是測試IC之間或PCB之間的連接是否存在故障。后來隨著JTAG的普及和實(shí)用性，它的功能不斷得到擴(kuò)展。目前JTAG還用來調(diào)試，因此JTAG成為數(shù)字系統(tǒng)可測性設(shè)計(jì)的重要組成部分。ARM公司也將JTAG內(nèi)嵌到ARM核中，并且做了擴(kuò)展，充分發(fā)揮了JTAG的作用[5]。

通常來說JTAG主要由邊界掃描寄存器和TAP控制器構(gòu)成，ARM JTAG包括以下五個(gè)端口：

（1）Test Clock Input（TCK）

TCK為TAP操作提供了一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘端口，TAP的所有操作都是基于該時(shí)鐘的。

（2）Test Mode Selection Input（TMS）

TMS用來控制TAP狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換，TMS信號在TCK的上升沿有效。

（3）Test Data Input（TDI）

TDI是數(shù)據(jù)輸入端，所有的輸入數(shù)據(jù)都是通過TDI一位一位的串行輸入到特定的寄存器中。

（4）Test Data Output（TDO）

TDO是數(shù)據(jù)輸出端，所有特定寄存器的輸出數(shù)據(jù)都是通過TDO接口一位一位的串行輸出的。

（5）Test Reset Input（TRST）

TRST可以對TAP控制器進(jìn)行異步復(fù)位。

實(shí)際上，通過TAP接口，對特定的數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行訪問的一般過程如下：

（1）通過指令寄存器（IR）選定一個(gè)需要訪問的數(shù)據(jù)寄存器（DR）；

（2）控制TAP把特定DR連接到TDI和TDO之間；

（3）由TCK驅(qū)動(dòng)，把需要輸入的數(shù)據(jù)掃入到DR中，同時(shí)DR中的數(shù)據(jù)通過TDO掃出。

另外，ARM7提供了4條掃描鏈：掃描鏈0、掃描鏈1、掃描鏈2和掃描鏈3。為了MBIST的設(shè)計(jì)，本文對掃描鏈進(jìn)行了擴(kuò)展，增加了掃描鏈4和掃描鏈5。

下面先來看看ARM7 JTAG中常用到的幾條指令。

（1）IDCODE：指令二進(jìn)制代碼是1110。該指令是通過32個(gè)TCK周期讀出ARM的ID。

（2）SCAN_N：指令代碼是0010。該指令是將4位掃描鏈所選擇的寄存器連接到TDI和TDO之間。

（3）BYPASS：指令的二進(jìn)制代碼是1111。該指令將1-Bit長的BYPASS寄存器連接到TDI和TDO之間。

（4）INTEST：指令的二進(jìn)制代碼是1100。該指令將通過SCAN_N選定的掃描鏈置于內(nèi)部測試模式。

（5）EXTEST：指令的二進(jìn)制代碼是0000。指令將通過SCAN_N選定的掃描鏈置于外部測試模式。

4 ARM SOC中的MBIST實(shí)現(xiàn)

在當(dāng)今的大規(guī)模SOC中，JTAG和MBIST被廣泛采用，如何有效地將兩者結(jié)合起來，提高系統(tǒng)的利用率和降低硬件資源的開銷是很關(guān)鍵的問題。在SOC芯片中本文采用了圖2所示的結(jié)構(gòu)。

圖2 SOC結(jié)構(gòu)圖

關(guān)于圖2，可以從以下幾點(diǎn)闡述：

（1）一個(gè)MBIST Engine控制多個(gè)SRAM，MBIST產(chǎn)生地址和數(shù)據(jù)的位寬以最大的SRAM為基準(zhǔn)。

（2）MBIST測試SRAM的算法不是固定的，可以通過DFF1配置合適的算法，例如MARCHC。

（3）MBIST的啟動(dòng)由DFF2控制。

（4）MBIST的結(jié)果保存在DFF3中。

（5）DFF1、DFF2和DFF3分別串成一條鏈，與ARM相關(guān)的端口連在一起。

（6）在ARM Wrap中增加掃描鏈5和MBIST指令，以便完成MBIST的測試。

因此，在MBIST測試時(shí)，先選擇掃描鏈5，讓MBIST中的DFF1、DFF2和DFF3串行連在TDI和TDO之間。通過TDI端口串行掃入MBIST的配置信息，然后再啟動(dòng)MBIST指令，等待MBIST工作完畢，掃出DFF3中所保存的MBIST結(jié)果。

5 仿真結(jié)果及分析

通過上述分析，完成相應(yīng)的代碼設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證功能的正確性，編寫測試激勵(lì)，且為了書寫方便，在測試激勵(lì)文件中定義了一些T A S K，例如Load_Inst、Shiftin_DR、Shiftin_DR_Custom、Shiftout_DR等等[6]。測試激勵(lì)中的關(guān)鍵部分如下：

Load_Inst（Scan_N）；

Shiftin_DR（4,scan_path5）；

Load_Inst（Extest）；

Shiftin_DR_Custom（20,num）；

Load_Inst（MBIST）；

……//wait MBIST Finish

Load_Inst（Extest）；

Shiftout_DR（20）；

圖3 啟動(dòng)MBIST

圖4 MBIST運(yùn)行

圖5 掃出MBIST結(jié)果

對圖3~5做如下說明：

（1）在圖3中，通過TDI配置MBIST，可以看到MBIST算法（alg_no[3:0]信號）變成MarchC（用2表示）；mbrun和bist_mode置高（有效）。

（2）在圖4中，MBIST正在運(yùn)行，可以看出Memory的地址、數(shù)據(jù)和控制信號都在按MarchC算法定義的規(guī)律變化。

（3）在圖5中，等MBIST完成后，通過TDO掃出20位的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)判斷SRAM出錯(cuò)的位一直保持為1（0：有故障，1：沒有故障）。

6 結(jié)論

總之，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，SOC成為主流。目前在SOC設(shè)計(jì)中，ARM是經(jīng)常被采用的核；另外SOC中大量用到存儲(chǔ)器。如何保證存儲(chǔ)器的功能正確，MBIST顯得很有必要。本文通過ARM JTAG來控制MBIST，既達(dá)到DFT設(shè)計(jì)的目的，又降低了普通MBIST所帶來的硬件開銷。

［1］王新安，吉利久.SOC測試中的BIST的若干思考[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2003.

［2］虞希清. 專用集成電路設(shè)計(jì)實(shí)用教程[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2007.

［3］王新安，蔣安平，宋春殫. 數(shù)字系統(tǒng)測試[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［4］MBIST Architect Process Guide[M].Mentor Graphics,2008.

［5］許瓊.基于JTAG的ARM7TDMI調(diào)試系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程，2008.

［6］Writing JTAG Sequences for ARM9 Processors[P]. ARM corp. 2008.