ARM Cortex-M3微處理器測試方法研究與實現(xiàn)

蔣常斌 生曉坤 李 杰 宋澤明

（北京自動測試技術(shù)研究所，北京 100088）

0 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，集成電路制程工藝從深亞微米發(fā)展到納米級，晶體管集成度的大幅提高使得芯片復(fù)雜度增加，單個芯片的功能越來越強。二十世紀90年代ARM 公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。采用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)（ IP 核）的微處理器，即ARM 微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，基于ARM 技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32 位RISC 微處理器七成以上的市場份額。ARM芯片的廣泛應(yīng)用和發(fā)展也給測試帶來了挑戰(zhàn)，集成電路測試一般采用實際速度下的功能測試，但半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使得測試開發(fā)工程資源按幾何規(guī)律增長，自動測試設(shè)備（ATE）的性能趕不上日益增加的器件I/O速度的發(fā)展，同時也越來難以滿足ARM等微處理器測試所用的時序信號高分辨率要求，因而必須不斷提高自動測試設(shè)備的性能，導(dǎo)致測試成本不斷攀升。此外，因為ARM芯片的復(fù)雜度越來越高，為對其進行功能測試，人工編寫測試向量的工作量是極其巨大的，實際上一個ARM芯片測試向量的手工編寫工作量可能達到數(shù)十人年甚至更多。本文針對ARM Cortex內(nèi)核的工作原理，提出了一種高效的測試向量產(chǎn)生方法，并在BC3192測試系統(tǒng)上實現(xiàn)了對ARM Cortex-M3內(nèi)核微處理器的測試。

1 微處理器測試方法

集成電路測試主要包括功能測試和直流參數(shù)的測試，微處理器的測試也包括功能和直流參數(shù)測試兩項內(nèi)容。微處理器包含豐富的指令集，而且微處理器種類繁多，不同微處理器之間很難有統(tǒng)一的測試規(guī)范。為了使測試具有通用性，我們有必要對微處理器的測試建立一個統(tǒng)一的模型，如圖1所示。芯片測試系統(tǒng)為被測微處理器提供電源和時鐘，并能夠模擬微處理器的仿真通信接口來控制微處理器工作，同時配合仿真時序施加激勵向量，從而達到測試目的。

圖1 微處理器測試模型

按微處理器仿真通信接口大致分兩類，一類是具有仿真接口（如JTAG）的微處理器，一類是沒有仿真接口的微處理器，對于配備類似JTAG接口的微處理器，測試儀通過仿真一個JTAG接口對被測芯片進行功能或參數(shù)測試。沒有配備仿真調(diào)試接口的芯片，可以根據(jù)芯片的外部接口和引導(dǎo)方式選擇測試模型。

1.1 跟蹤調(diào)試模式

大多數(shù)的微處理器都提供了跟蹤調(diào)試接口，例如最常用的JTAG接口，Cortex-M3內(nèi)核除了支持JTAG調(diào)試外，還提供了專門的指令追蹤單元（ITM）。JTAG（Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動小組）是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片內(nèi)部測試。現(xiàn)在多數(shù)的高級器件都支持JTAG協(xié)議，如ARM、DSP、FPGA器件等。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。JTAG最初是用來對芯片進行測試的，因此使用JTAG接口測試微處理器具有很多優(yōu)點。

用JTAG接口對微處理器進行仿真測試，是通過測試系統(tǒng)用測試矢量模擬一個JTAG接口實現(xiàn)對微處理器的仿真控制，其核心是狀態(tài)機的模擬，圖2所示為測試系統(tǒng)使用的JTAG TAP控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

圖2 JTAG TAP控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

通過測試儀來模擬狀態(tài)轉(zhuǎn)換就可以實現(xiàn)JTAG通信控制。JTAG在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層具有統(tǒng)一的規(guī)范，但針對不同的芯片仿真測試協(xié)議可能略有差異。為了使測試模型具有通用性，我們對測試模型的JTAG接口做了一個抽象層，如圖3所示。圖中抽象層將類型多樣的控制函數(shù)轉(zhuǎn)化成芯片能識別的數(shù)據(jù)流來控制被測芯片的工作狀態(tài)。

圖3 JTAG接口的抽象

1.2 引導(dǎo)模式/FLASH編程模式

針對沒有配備仿真調(diào)試接口的微處理器，可以利用引導(dǎo)功能實現(xiàn)對微處理器的測試。因沒有配備仿真調(diào)試功能，不能實現(xiàn)仿真測試。因此針對這一類的微處理器測試中，需要在芯片中加載測試代碼。大多數(shù)的微處理器芯片都具有上電引導(dǎo)功能，可以利用引導(dǎo)功能將測試代碼加載到微處理器中，進而實現(xiàn)功能和直流參數(shù)測試。而對于內(nèi)部配備FLASH的微處理器可以先將測試代碼下載到片內(nèi)FLASH中，以實現(xiàn)對微處理器的功能和參數(shù)測試。

為了實現(xiàn)對微處理器的測試控制，通常，測試系統(tǒng)利用微處理器的片上通信接口與片上測試程序通信，互相配合完成功能和參數(shù)測試。

2 ARM Cortex-M3的測試

2.1 ARM Cortex-M3內(nèi)核簡介

ARM Cortex-M系列微處理器主要用于低成本和低功耗領(lǐng)域，如智能測量、人機接口設(shè)備、汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)、大型家用電器、消費性產(chǎn)品和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。圖4為Cortex-M系列微處理器的簡要框圖。

圖4 Cortex-M3內(nèi)核框圖

ARM Cortex-M3內(nèi)核搭載了若干種調(diào)試相關(guān)的特性。最主要的就是程序執(zhí)行控制，包括停機（halting）、單步執(zhí)行（stepping）、指令斷點、數(shù)據(jù)觀察點、寄存器和存儲器訪問、性能速寫（profiling）以及各種跟蹤機制。Cortex-M3的調(diào)試系統(tǒng)基于ARM最新的CoreSight架構(gòu)，雖然內(nèi)核本身不再含有JTAG接口，但是提供了調(diào)試訪問接口（DAP）的總線接口。通過DAP可以訪問芯片的寄存器，也可以訪問系統(tǒng)存儲器，并且可以在內(nèi)核運行的時候訪問，這就對芯片的測試提供了接口支持。集成Cortex-M3內(nèi)核的微處理器一般提供一個調(diào)試端口（DP）與DAP相連，目前可用的調(diào)試端口包括SWJ‐DP，既支持傳統(tǒng)的JTAG調(diào)試，也支持新的串行線調(diào)試協(xié)議。Cortex-M3內(nèi)核還能掛載一個嵌入式跟蹤宏單元（ETM）。ETM可以不斷地發(fā)出跟蹤信息，這些信息通過跟蹤端口接口單元（TPIU）送到內(nèi)核的外部，對于外部集成再跟蹤信息分析儀的ARM芯片，可把TIPU輸出的已執(zhí)行指令信息捕捉到，并且送給芯片測試系統(tǒng)。

2.2 測試向量生成

用自動測試設(shè)備（ATE）測試ARM芯片是一種傳統(tǒng)的測試技術(shù)，其優(yōu)點是可以靈活編制測試向量，專注于應(yīng)用相關(guān)的功能模塊和參數(shù)。但是由于ARM芯片的功能與應(yīng)用有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，因此對測試系統(tǒng)所具有的能力也要求較高。這就要求測試設(shè)備本身必須要具備測試各種不同功能模塊的能力，包含對邏輯、模擬、內(nèi)存、高速或高頻電路的測試能力等等。同時測試系統(tǒng)最好是每個測試通道都有自己的獨立測試能力，避免采用資源共享的方式，以便能夠靈活運用在各種不同的測試功能上。所以常規(guī)的ARM芯片測試設(shè)備往往要求相當(dāng)高的配置才能應(yīng)對測試需求。

測試的含義非常廣泛，就ARM芯片測試而言，可以定義多種類型的測試，不同類型的測試需要產(chǎn)生不同類型的測試向量。而測試向量生成的方法，雖然可以人工編制，但多數(shù)情況需要由測試向量生成工具（ATPG）生成，才能產(chǎn)生比較完備的測試集。本文介紹的ARM芯片測試方法，借助對應(yīng)的ARM芯片開發(fā)工具產(chǎn)生測試代碼，再由專用的測試向量生成工具生成測試向量。這種方法的優(yōu)點是能針對ARM芯片應(yīng)用開發(fā)人員關(guān)心的測試集合產(chǎn)生測試向量，因而比較高效，測試成本也能控制在比較低的水平上。此外，可以借助大量的ARM芯片應(yīng)用軟件來轉(zhuǎn)碼，能大幅減少工作量。缺點是不容易用算法來實現(xiàn)自動生成完備的測試代碼。

圖5 測試向量生成器

圖5為ARM芯片測試向量生成器。測試代碼一般可以從ARM芯片開發(fā)例程中獲得，測試向量通過編譯器編譯成ARM芯片可執(zhí)行代碼，然后與激勵向量和期望向量混合生成完整的ARM芯片測試向量。ARM芯片測試向量生成工具通過時間參數(shù)來確定測試代碼、激勵向量與期望向量之間的時序關(guān)系，ARM芯片時間參數(shù)可從芯片手冊中獲得。測試向量生成后，通過BC3192集成開發(fā)環(huán)境下載到測試系統(tǒng)圖形卡中，啟動測試程序，激勵向量依序施加到被測ARM芯片的輸入端口，同時對輸出端進行監(jiān)測比較獲得測試結(jié)果。綜上，測試向量的產(chǎn)生是ARM芯片測試的核心，本文所述測試向量生成器通過輸入ARM芯片可執(zhí)行代碼和芯片時間參數(shù)來產(chǎn)生測試邏輯，具有易用、高效的特點，現(xiàn)已用于多個ARM Cortex內(nèi)核微處理器的測試中。

3 結(jié)論

本文通過分析ARM Cortex-M3內(nèi)核的工作原理和跟蹤調(diào)試方法，利用通用的ARM集成開發(fā)環(huán)境，結(jié)合BC3192V50測試系統(tǒng)的測試向量生成器，能夠快速高效產(chǎn)生基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微處理器測試向量，進而完成功能和直流參數(shù)測試。本案所述方法同樣適于其他微處理器的測試。

[1]楊廣宇.SoC 測試的發(fā)展趨勢及挑戰(zhàn)[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2003，28（5）：24-26.

[2]吉國凡，趙智昊，楊嵩等.基于ATE的FPGA測試方法[J].電子測試，2007，（12）：43-46.

[3]談穎莉.戎蒙恬.SoC 芯片設(shè)計與測試[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2007（11）：11-16.

[4]Joseph Yiu.The Definitive Guide to the ARM Cortex-M3，2007

[5]Jaehoon Song，Piljae Min，Hyunbean Yi et al.Design of Test Access Mechanism for AMBA-Based System-ona-Chip[C].//VLSI Test Symposium（VTS），2007 IEEE ；Berkeley，CA.2007：375-380.

[6]JAKUB DALECKI，TOMASZ TALASKA，RAFAL DLUGOSZ et al.A new，low cost，precise measurement card for testing of ultra-low cower analoa ASICs[J].Elektronika，2011，52（12）：32-4.

[7]Zorian Y，Marinissen E J，Dey S.Testing embedded -core based system chips[J].IEEE Co微處理器ter，1999，32（6）：52 - 60.