基于片上Loopback的FPGA DDR模塊串行測試方法?

王 賀 張大宇 汪 悅 張 松

（中國空間技術研究院 北京 100094）

1 引言

FPGA器件具有高性能、低成本、資源豐富、可重復編程等優點，利用FPGA片上資源設計DDR（Double Data Rate）控制器來實現雙倍速率數據傳輸控制，是高速通信、數據壓縮與信號處理等領域中的常用方法。DDR控制器一般通過FPGA片上的專用DDR模塊和部分通用可編程資源實現，其中DDR模塊是實現雙倍速率數據傳輸的關鍵電路。傳統的DDR模塊測試方法是通過FPGA的IO端口對每個DDR模塊分別施加測試向量并輸出測試結果，因此需要使用大量的測試通道資源，對測試儀器的硬件配置要求較高。

Loopback是高速SERDES（串行器/解串器）電路測試中的常用技術，其原理是將SERDES的輸出端口與輸入端口短接形成反饋回路［11］，以實現高速信號的自發自收測試（如圖1所示）。

從實現方式上看，Loopback分為片外的Loopback與片上的loopback兩種形式。其中片外Loopback需要通過測試 DIB（Device Interface Board）硬件上的物理線路實現Loopback環路（圖1中實線）［13］。相比而言，片上Loopback對DIB硬件設計幾乎沒有要求，但需要電路在設計時內部預留了Loopback環路（圖1中虛線）［12］。

IOB電路是FPGA上的雙向可編程IO端口模塊，其信號傳輸方向可通過程序進行控制。利用IOB中的IOBUF可以構建DDR模塊的片上Loopback環路，將大量DDR模塊在FPGA器件內部串聯成鏈進行測試，從而有效減少測試所需配置次數及IO通道數量。

2 DDR模塊特點

DDR模塊位于Virtex FPGA的Select IO資源中，數量與FPGA的IO端口數量相同，每個DDR模塊包括IDDR與ODDR兩部分［2］。

2.1 IDDR模塊

IDDR是用于FPGA輸入的雙倍數據速率模塊，其原語的原理圖如圖2所示［3］。

圖2 IDDR原語原理圖

對于IDDR模塊端口功能的說明如表1所示。

表1 IDDR端口功能說明

為適應不同應用接口需求，IDDR模塊支持三種工作模式，分別是反相模式（OPPOSITE_EDGE），同相模式（SAME_EDGE）與流水線模式（SAME_EDGE_PIPELINED），三種模式的主要區別在于Q1、Q2端口輸出數據的時序存在一定差異。其中，OPPOSITE_EDGE模式是在時鐘C的上升沿與下降沿分別進行數據采樣，輸出信號Q1與Q2與時鐘C的上升沿與下降沿同步變化；SAME_EDGE模式則通過增加額外的下降沿采樣觸發器將Q1、Q2的輸出都與時鐘C的上升沿同步起來，但Q1、Q2之間存在一個時鐘周期的相位差；SAME_EDGE_PIPELINED則通過增加額外的流水線寄存器將Q1、Q2的數據輸出進行同步，且都對應于時鐘C的上升沿［5］。

IDDR模塊3種工作模式的具體時序差異如圖3所示。

圖3 IDDR三種模式功能示意圖

2.2 ODDR模塊

ODDR（Output DDR）是用于FPGA輸出的雙倍數據速率模塊，其原語的原理圖如圖4所示。

圖4 ODDR原語的原理圖

對于ODDR模塊端口功能的說明如表2所示。

表2 ODDR端口功能說明

與IDDR模塊不同，ODDR模塊僅支持反相（OPPOSITE_EDGE）與同相模式（SAME_EDGE）2種工作模式，具體輸出信號時序特點與IDDR類似，如圖5所示。

圖5 ODDR兩種模式功能示意圖

3 DDR模塊測試電路設計

3.1 并行測試結構問題分析

傳統的DDR模塊一般采用并行測試結構，如圖6所示［15］。

圖6 并行測試方案

并行測試電路的特點是對每一個IO端口的DDR模塊功能分別進行檢測，代價是需要使用大量的測試儀通道來覆蓋FPGA的全部IO端口。此外，IDDR模塊測試需要使用2倍于被測DDR模塊數量的FPGA IO來輸出測試結果（Q1［0..n］、Q2［0..n］），造成每次配置只能完成不足1/3的IDDR模塊測試。

以具有850個IO的某Virtex FPGA為例［4］，覆蓋IDDR與ODDR的全部工作模式測試需要850個測試通道并進行至少16次配置［10］，具體分布如表3所示。

表3 某FPGA DDR測試所需配置數量

3.2 基于片上Loopback的串行測試電路設計

從功能上看，DDR模塊實際等價于簡化的SERDES電路，其中ODDR相當于2并1的串行器，IDDR相當于1分2的解串器，因此可以將ODDR與IDDR組合起來按照Loopback的思路進行測試。但是，由于ODDR的輸出與IDDR的輸入端口在物理上不存在可編程互聯線路，因此無法在HDL程序設計時直接連接，必須借助IOB模塊來實現Loopback。

圖7 IOB基本結構

某Virtex系列FPGA的IOB模塊基本結構如圖7所示，其中輸入端口O與ODDR的輸出Q相連，輸出端口I與IDDR的輸入D相連。因此，通過圖7中加粗的線路（包括2兩個驅動器IBUF與OBUF）可以實現ODDR與IDDR的片上Loopback環路。

圖8 片上Loopback測試電路結構

基于IOB構建的DDR模塊片上Loopback串行測試電路結構如圖8所示，對其說明如下：

1）串聯測試線路由“位于鏈首的Din端口IDDR、位于鏈中的n個Select IO和位于鏈尾的Dout端口ODDR”組成，串接的Select IO數量由具體器件的封裝引腳數量決定；

2）每個Select IO內部形成一條Loopback環路，n個Select IO在FPGA內部串聯成鏈，上一級Select IO IDDR的兩個輸出端口（Q1［i］和Q2［i］）連到下一個Select IO ODDR的對應輸入端口上；

3）全部IDDR與ODDR模塊的時鐘clk_iddr、clk_oddr、使能CE、復位R（或置位S）由FPGA IO統一提供，Din與Dout各占用一個IO端口。

4）每條片上Loopback串行測試鏈路需要6個FPGA IO作為測試輔助端口，覆蓋全部DDR模塊至少需要12個FPGA IO并進行6次配置［8］，如表4所示（仍以850個IO的Virtex FPGA為例）。

表4 某FPGA DDR測試所需配置數量

由于Loopback串行測試電路交叉使用了IDDR與ODDR兩種模塊，因此每個測試電路都需要進行3次配置，以覆蓋IDDR與ODDR的不同工作模式，具體組合方式按表5進行。

表5 串行測試組合方案

由于IDDR的SAME_EDGE與SAME_EDGE_PIPELINED兩種模式僅在Q1端口輸出信號上相差一個時鐘周期，因此在進行SAME_EDGE（分組3）測試時，可以將圖8測試電路中的IDDR與ODDR之間插入一個D觸發器（如圖9所示，其中IDDR與DFF共用時鐘信號），這樣就可將其轉化為SAME_EDGE_PIPELINED（分組2）模式進行測試。

圖9 IDDR SAME_EDGE測試電路

3.3 功能仿真驗證

綜合分析圖8串行Loopback測試電路結構與表5中DDR模塊工作模式組合可以得出：

1）圖8測試電路的輸出Dout應落后輸入Din n個信號傳遞周期，并在第n+1個信號傳遞周期的clk_oddr上升沿開始變化，其中n為測試電路中串聯的Select IO數量。

2）表5分組1（OPPOSITE_EDGE模式）的每個信號傳遞周期由1個clk_iddr脈沖與1個clk_oddr脈沖組成；分組2（SAME_EDGE_PIPELINED模式）的每個信號傳遞周期由2個clk_iddr脈沖與1個clk_oddr脈沖組成；分組3按圖9設計后功能同分組2。

為便于分析，仿真中設定測試電路中串接的Select IO數量為10，分組1仿真波形如圖10所示；分組2、3仿真波形如圖11所示［6］。從波形狀態可以看出，仿真結果與設計功能一致。

圖10 OPPOSITE_EDGE模式仿真波形

圖11 SAME_EDGE_PIPELINED模式仿真波形

4 基于ATE的自動化測試

DDR模塊測試需要對FPGA進行6次配置，為提高效率，本文基于ATE搭建自動化測試平臺，ATE型號為美國Teradyne的UltraFLEX系統［7］。

基于ATE的FPGA自動化測試包括位流配置與功能測試兩部分，分別需要使用配置向量與測試向量［14］。其中測試向量可以參考圖10與圖11仿真波形編寫，配置向量則需要通過軟件轉換產生，具體方法如下［9］：

UltraFLEX系統使用“*.pat”格式的二進制向量文件，它是由“*.atp”格式的文本向量文件經Pattern Complier軟件編譯后產生，而“*.atp”文件可由ISE軟件生成的“*.rbt”文本位流文件經轉換后得到。

圖12 rbt位流文件

“*.rbt”位流文件內容如圖12所示，從第8行開始為FPGA有效配置位流，每行由32個數據組成，對應SelectMap x32的數據總線D［31：0］，但順序并非按從高到低排列，而是以字節為單位按從低到高順序排列，因此需要按Xilinx配置指南中要求進行“Bit定序”轉換后才能使用［1］，轉換方法如表6所示。

表6 Bit定序對應關系（SelectMap x32）

此外，“*.rbt”文件中只提供了SelectMap配置所需的數據總線信號，用于ATE配置還需在向量文件中補充必要的控制信號（CCLK、CSI_B、PROGRAM_B與RDWR_B）及TimeSet信息。最終轉換出的“*.atp”向量文件如圖13所示。

圖13 atp向量文件

5 結語

本文利用FPGA IOB中的IOBUF資源構建了測試環路，設計了一種結構簡潔、占用資源少、便于移植的DDR模塊片上Loopback串行測試方法，并在ATE上進行了測試驗證。與傳統并行測試方法相比，本文所述方法僅需使用12路測試儀通道與FPGA IO端口，同時將覆蓋全部DDR模塊測試所需的配置次數從16次減少到6次，可用于Virtex系列或其他類似結構FPGA的DDR模塊測試。