March算法在BIST電路設(shè)計(jì)中的作用機(jī)制

張瑩，趙綸

(電信科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100094)

0 引言

隨著So C技術(shù)的發(fā)展，為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)電路測(cè)試掃描技術(shù)效率低的不足，產(chǎn)生了一種能夠快速并有效地對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試與診斷的方法，即:自測(cè)試技術(shù).但自測(cè)試技術(shù)常常是在軟件中實(shí)現(xiàn)的，致使在電路測(cè)試中不可避免的存在診斷分辨率差、診斷時(shí)間長(zhǎng)、效率低和使用費(fèi)用較高等缺點(diǎn).為了解決上述問(wèn)題，一種電路的硬件自測(cè)試方法，即:通過(guò)在芯片內(nèi)部集成少量的邏輯電路實(shí)現(xiàn)對(duì)集成電路的測(cè)試技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這就是內(nèi)建自測(cè)試(BIST)技術(shù).該技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、有效測(cè)試時(shí)間短、測(cè)試靈活性強(qiáng)、可以實(shí)現(xiàn)在線經(jīng)常性測(cè)試等優(yōu)點(diǎn).

本文基于March CE算法，設(shè)計(jì)了一種基于HHNEC 0.13μm的多片單、雙口RAM為測(cè)試對(duì)象的串行“BIST”電路.在電路內(nèi)部自身生成測(cè)試向量，而不需要外部施加激勵(lì)，并依靠自身決定得到的測(cè)試結(jié)果是否正確.該電路可以有效的滿足嵌入式存儲(chǔ)器的測(cè)試需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器的準(zhǔn)確檢驗(yàn)和故障定位.

1 一種可嵌入式BIST電路設(shè)計(jì)

1.1 BIST電路結(jié)構(gòu)原理

設(shè)計(jì)是基于March CE算法設(shè)計(jì)了一種可嵌入式BIST電路，這種BIST電路可以隨意而靈活的嵌入到各種數(shù)字電路中，自動(dòng)完成數(shù)字電路系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器測(cè)試，該電路的結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖1所示.

圖1 BIST電路結(jié)構(gòu)原理圖

圖1電路系統(tǒng)的組成:①BIST控制器:它是算法控制的核心;②地址生成器:產(chǎn)生遍歷整個(gè)RAM的地址序列;③數(shù)據(jù)生成器:產(chǎn)生數(shù)據(jù)及其“取反”的值;④控制生成器:在BIST控制器測(cè)試模式信號(hào)指揮下選擇RAM的輸入信號(hào);⑤響應(yīng)分析器:實(shí)現(xiàn)測(cè)試響應(yīng)分析并行機(jī)制.

該電路的工作原理是:上電啟動(dòng)后，系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)試模式，開(kāi)始測(cè)試存儲(chǔ)單元.若發(fā)現(xiàn)故障單元，則BIST電路將故障信息傳給響應(yīng)分析電路，故障地址被保存到按內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器中，生成故障位圖.測(cè)試完成后，內(nèi)建自修復(fù)算法根據(jù)位圖提供的故障信息分配冗余資源覆蓋故障單元.當(dāng)進(jìn)入正常工作模式時(shí)，BIST電路被旁路，要訪問(wèn)的地址被送往系統(tǒng)，由系統(tǒng)判斷所需要的存儲(chǔ)單元是否為已知故障單元.若是，則進(jìn)行地址重映射，調(diào)用冗余單元;若不是，則訪問(wèn)正常的存儲(chǔ)單元.

1.2 BIST電路設(shè)計(jì)與March算法的作用機(jī)制

在BIST電路設(shè)計(jì)時(shí)，先要從故障覆蓋率和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度兩方面進(jìn)行綜合考慮，來(lái)選擇March算法的故障覆蓋率高于80%，復(fù)雜度只有6n.March算法如下:

圖2電路設(shè)計(jì)圖中原理主要是依據(jù)式(1)的作用機(jī)制.依據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了BIST電路設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖2所示.

圖2 BIST電路設(shè)計(jì)圖

其作用機(jī)制為:當(dāng)run_bist信號(hào)有效，且clk為上升沿、rst為低電平，BIST模塊開(kāi)始工作.首先選擇待測(cè) RAM，其中:dpram_usb_sel為 dpram_usb的片選信號(hào)，其中0選擇，1屏蔽;spram_crypto_sel為spram_crypto的片選信號(hào)，其中0選擇，1屏蔽;spram_system_sel為spram_system的片選信號(hào)，其中0選擇，1屏蔽;dpram_sel為dpram的片選信號(hào)，其中0選擇，1屏蔽.rd為RAM三態(tài)開(kāi)關(guān)，低電平有效.wr為讀寫(xiě)控制信號(hào)，其中，低電平為寫(xiě)，高電平為讀.當(dāng)wr為低電平時(shí)，允許向RAM中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，之后根據(jù)March CE算法進(jìn)行操作，當(dāng)wr為高電平時(shí)允許讀出數(shù)據(jù)，并判斷是否與寫(xiě)入的數(shù)據(jù)值相同，若相同則繼續(xù)檢測(cè)，若不同則報(bào)錯(cuò).wr_data［7∶0］為寫(xiě)數(shù)據(jù)信號(hào)，0復(fù)位.dpram_usb_addr［11∶0］為 dpram_usb 地址線，12'd2303 復(fù)位;spram_crypto_addr［10∶0］為 spram_crypto地址線，11'd2047復(fù)位;spram_system_addr［14∶0］為 spram_system 地址線，15'd32767復(fù)位;dpram_addr［8∶0］為 dpram 地址線，9'd511 復(fù)位.dpram_usb_rd_data［7∶0］為 dpram_usb 讀出數(shù)據(jù)線;spram_crypto_rd_data［7∶0］為 spram_crypto 讀出數(shù)據(jù)線;spram_system_rd_data［7∶0］為 spram_system 讀出數(shù)據(jù)線;dpram_rd_data［7∶0］為 dpram讀出數(shù)據(jù)線.bist_stop復(fù)位值為0，當(dāng)變?yōu)?時(shí)，表示RAM無(wú)錯(cuò)誤測(cè)試完成.

2 BIST電路測(cè)試方案設(shè)計(jì)

在檢測(cè)圖2電路的測(cè)試方案設(shè)計(jì)中，應(yīng)用March算法中通用的數(shù)據(jù)背景對(duì)數(shù)公式:

式中，X為測(cè)試所需的數(shù)據(jù)背景的個(gè)數(shù);B為存儲(chǔ)器字長(zhǎng).

考慮在高測(cè)試效率和故障覆蓋率時(shí)，需要對(duì)測(cè)試向量進(jìn)行擴(kuò)展，并記錄擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)背景.當(dāng)March算法中的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)為1(或0)時(shí)，就將正向或反向的G個(gè)數(shù)據(jù)背景存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器上，依式(2)依次對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)背景按照次序執(zhí)行相應(yīng)的操作，由此制約了測(cè)試方案機(jī)理和測(cè)試步驟.

測(cè)試中先外加一個(gè)run BIST信號(hào)，分別對(duì)4片RAM進(jìn)行串行檢測(cè)，分別為各自的RAM選擇信號(hào)，每次選擇則由低電平表示有效.對(duì)選上的RAM進(jìn)行March CE算法檢測(cè)，若此片檢測(cè)無(wú)誤，則進(jìn)行下一片RAM的檢測(cè).當(dāng)四片RAM均檢測(cè)完畢且無(wú)錯(cuò)誤時(shí)mistake［2∶0］信號(hào)顯示000;當(dāng)RAM出錯(cuò)時(shí)，mistake［2∶0］信號(hào)則顯示相應(yīng)數(shù)字，并馬上中斷程序;標(biāo)志寄存器mistake有5種數(shù)值狀態(tài)，表示各自的RAM出錯(cuò)情況，見(jiàn)附表所示.

附表 RAM出錯(cuò)情況下的數(shù)值

在測(cè)試方案設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵性技術(shù)是:使4片RAM的測(cè)試在同一個(gè)電路中執(zhí)行，而各自RAM容量不同，且對(duì)于dpram_usb與dpram這樣的雙口RAM，需分別檢測(cè)每一個(gè)端口.

在測(cè)試中，采用最大容量32 K，即地址位寬為15位，則dpram_usb地址線取其中的12位，spram_crypto地址線取其中的11位，dpram_addr地址線取其中的9位.對(duì)于雙口RAM，在測(cè)試中，給出了一個(gè)單雙口選擇信號(hào)，在選擇單口RAM時(shí)，此信號(hào)被屏蔽.

3 BIST電路自測(cè)試功能的測(cè)試

利用圖2的BIST電路對(duì)2K+256Byte DPRAM、2K Byte SPRAM、32K Byte SPRAM 和512Byte DPRAM芯片進(jìn)行串行檢測(cè).在測(cè)試過(guò)程中，采用March CE算法檢測(cè):固定故障、開(kāi)路故障、轉(zhuǎn)換失效故障、地址失效故障、字間耦合故障和動(dòng)態(tài)故障.而其中，設(shè)計(jì)采用22個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)操作流程，并分別對(duì)4片RAM進(jìn)行串行檢測(cè)，其各狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)移圖見(jiàn)圖3所示.

圖3 March CE算法的各狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)移圖

圖3中，ack為各RAM單個(gè)地址測(cè)試完成后的標(biāo)志信號(hào);ack_delay為ack的延時(shí)信號(hào);在測(cè)試中，state 0確定單個(gè)地址是否測(cè)試完成，則把A1寫(xiě)入RAM，地址自減;若測(cè)試完成，則寫(xiě)入～A1，地址自增;state 1延遲一個(gè)clock;state 2確定單個(gè)地址是否測(cè)試完成，若未完成，則繼續(xù)寫(xiě)入;若測(cè)試完成，則寫(xiě)入A1，地址自減;state 3寫(xiě)入～A1;state 4讀數(shù);state 5確定單個(gè)地址是否已經(jīng)讀完，若讀完，則寫(xiě)入A3;state 6寫(xiě)入數(shù)據(jù)，地址自減;state 7若單個(gè)地址寫(xiě)滿，則寫(xiě)入A2;否則寫(xiě)入～A3;state 8讀出數(shù)據(jù);state 9寫(xiě)入A3;state 10讀出數(shù)據(jù)，地址自增;state 11寫(xiě)入A3;state 12若單個(gè)地址寫(xiě)滿，則寫(xiě)入A4;否則寫(xiě)入～A2;state 13讀數(shù)據(jù);state 14寫(xiě)入A2;state 15讀出數(shù)據(jù)，地址自減;state 16寫(xiě)入數(shù)據(jù);state 17若地址已經(jīng)寫(xiě)滿，則寫(xiě)入～A4;若未寫(xiě)滿，則讀出數(shù)據(jù);state 18讀出數(shù)據(jù);state 19寫(xiě)入A4;state 20讀出數(shù)據(jù)，地址自增;state 21寫(xiě)入數(shù)據(jù).其中:低電平為寫(xiě)，高電平為讀.

4 BIST電路的仿真

在Modelsim環(huán)境下對(duì)所設(shè)計(jì)的BIST電路(圖2)進(jìn)行仿真，其Debussy仿真波形見(jiàn)圖4所示.

圖4 BIST電路的仿真圖

從圖4中可知，每次對(duì)選上的單口RAM進(jìn)行一次March CE算法檢測(cè)，對(duì)雙口RAM進(jìn)行兩次March CE算法檢測(cè).當(dāng)一片RAM測(cè)試完成時(shí)，result信號(hào)升起，若此RAM檢測(cè)無(wú)錯(cuò)誤，wrong信號(hào)為低電平，且 mistake［2:0］為000;當(dāng)一片 RAM測(cè)試出錯(cuò)時(shí)，result信號(hào)為低電平，wrong信號(hào)升起，且mistake［2:0］根據(jù)不同的RAM現(xiàn)實(shí)不同值.

從BIST電路的仿真圖中還可以看出，該電路能夠檢測(cè)出所有的注入故障，當(dāng)內(nèi)建自檢測(cè)執(zhí)行完畢后，stop信號(hào)自動(dòng)置位.

5 結(jié)論

(1)在BIST電路設(shè)計(jì)中，采用March CE算法比其它算法精確度高，該算法制約了電路的工作機(jī)理和控制機(jī)制，制約了電路測(cè)試的工作步驟;

(2)本文設(shè)計(jì)的BIST電路可以同時(shí)對(duì)單口RAM(SRAM)和雙口RAM(DPRAM)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)速度快;

(3)當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可以指出是哪片RAM上的哪個(gè)地址出錯(cuò)，可以指出出錯(cuò)的類型;

(4)只有一個(gè)輸出信號(hào)，便于電路集成后讀出信號(hào);

(5)該BIST電路而不需要外部施加激勵(lì)，并向系統(tǒng)返回測(cè)試結(jié)果;

(6)該BIST電路具有良好的測(cè)試靈活性，能夠滿足普通嵌入式存儲(chǔ)器的測(cè)試需求，可實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器的準(zhǔn)確檢驗(yàn)和故障定位.

［1］ZHAI M J，YIN J H.Memory BIST design and implement based on March C algorithm［J］.Journal of Harbin University of Commerce(Natural Sciences Edition)，2009，25(5):549-552.

［2］XU Z M，SU Y P.SRAM BIST Circuit Design Based on the March C Algorithm［J］.Semiconductor Technology，2007，32(3):245-247.

［3］YAO L T，TAN E M.Pattern generation research of BIST based on low power［J］.Electronic Design Engineering，2010，18(8):71-74.

［4］ZANG B C，JIANG D W.A BIST test scheme of embedded DRAM［J］.China Measurement Technology，2005，31(1):69-71.

［5］YAN X L，TANG M.Design of Programmable Memory BIST for Embedded Dual Ports SRAM［J］.Computer Measurement＆ Control，2006，14(7):853-854.

［6］WANG Y，CHEN H.Transparent based programmable BIST scheme for memory test［J］.Electronic Measurement Technology，2007，30(4):6-8.

［7］ZHANG L，LOU S Q.Research of Embedded SRAM Build-in Self-test in the SoC［J］.Electronics ＆ Packaging，2007，7(11):28-30.