基于RT-Thread操作系統的LPDDR4芯片測試系統設計

陳鑫旺，馬茂松，劉建斌

1 LPDDR4芯片測試

集成電路產業是國民經濟和社會發展的戰略性、基礎性和先導性產業，是培育發展戰略性新興產業、推動信息化和工業化深度融合的核心與基礎，是調整經濟發展方式、調整產業結構、保障國家信息安全的重要支撐。發展集成電路產業是信息技術產業發展和工業轉型升級的內部動力，同時也是市場激烈競爭的外部壓力，已上升為國家戰略[1]。近幾年，隨著社交網絡的普及和推廣，使得智能手機迎來了爆發式發展，游戲、照片、視頻等各種應用需要更大容量的存儲器和更高帶寬的數據傳輸[2]。LPDDR4（第4代低功耗雙倍數據速率動態隨機存儲器）芯片以其高頻率、高帶寬、低功耗等特點在智能手機領域被大量使用。因此，設計一種能夠在各種SoC系統上對LPDDR4芯片進行各種邊界條件下功能性能測試的軟硬件系統就變得愈發重要。

LPDDR4 具有小體積和低功耗的特點，通常應用于移動終端。L PDDR4的通信協議是在2014年8月發布的，基本構架從單通道設計改進為雙通道的設計，減小了芯片內部的走線距離，通過并行操作提高了運行速率。工作電壓降低為1.1V，工作頻率最高可提升到2133 M H z（ 數據速率為4266 M b/s），帶寬為L PDDR 3的兩倍。在提升速度和帶寬的同時，減少了電量的消耗，ECC技術也是在LPDDR4中引入的[3]。通常情況下，在系統端對LPDDR4芯片進行測試時改變的條件有溫度和供電電壓。溫度調節通過高低溫試驗箱來實現，測試的溫度范圍是-10℃至+55℃或者- 40℃至+85℃，這取決于LPDDR4芯片的溫度等級以及客戶的要求。電壓調節是本文的重點，調節范圍通常是正常供電電壓上下浮動5%。因此，針對LPDDR4芯片在系統上的邊界測試就分為高溫高壓、高溫低壓、低溫高壓和低溫低壓4種。常用的內存測試軟件有Memtester、Rebooter、3D Mark等，另外，還可以使用內存眼圖工具在各種邊界條件下測試LPDDR4 芯片的眼圖裕度。

2 LPDDR4芯片測試系統硬件設計

2.1 LPDDR4芯片測試系統

圖1是本文提出的LPDDR4芯片測試系統的結構框圖。整個測試系統共分為4個模塊：SoC及其外設、LPDDR4測試座、電源管理芯片和調壓模塊。

圖1 LPDDR4芯片測試系統結構框圖

SoC及其外設里的SoC指能夠支持外接LPDDR4 內存的SoC芯片，如NX P公司的i. M X8M系列芯片等。另外，還應該包括能使So C芯片正常運行的外設電路，如EMMC、QSPI Flash、USB模塊、千兆網模塊、調試串口、時鐘芯片和供電模塊等。SoC芯片跟LPDDR4芯片之間通過數據總線、命令總線和控制總線等高速并行總線進行互連。

LPDDR4測試座焊接或者安裝在測試系統的主板上，可以方便地進行LPDDR4芯片的更換，進行芯片缺陷分析和量產測試。常用的LPDDR4測試座有POGO-PIN技術和導電膠技術。采用POG O- PI N技術的LPDDR4測試座是依靠焊接來固的定在測試系統的主板上，采用導電膠技術的LPDDR4 測試座是依靠螺絲螺帽等金屬件固定在測試系統的主板上。根據以往經驗，采用導電膠技術的LPDDR4測試座在長時間低溫測試后容易出現SoC操作系統不開機的情況，并且不可恢復。所以本文選擇的是基于POGO-PIN技術的LPDDR4測試座。

電源管理芯片是指給待測試LPDDR4芯片提供電源的模塊。L PDDR 4 芯片共需要3 組電源供電，正常電壓分別是VDD1=1.8V，V DD2=1.1V，VDDQ =1.1V/0.6V。這里V D D Q = 0. 6 V僅在LPDDR4芯片處于LPDDR4X模式時使用，此模式在運行時將有更低的功耗。電源管理芯片的輸出電壓值可以在一定范圍內通過I 2C總線來進行調整，在本文中電源管理芯片用于給LPDDR4芯片的VDD1、V DD2和VDDQ供電，其中V DD1電壓調整的精度是25 mV，V DD2和VDDQ電壓調整的精度是10 mV。

調壓模塊用于提供人機接口和顯示接口，通過ST M 32 單片機里運行的嵌入式軟件來調整LPDDR4芯片的V DD1、V DD2和VDDQ的供電電壓。另外，調壓模塊能夠接收并執行So C芯片通過串口發送的電壓調整命令。

2.2 調壓模塊硬件設計

圖2是調壓模塊的硬件結構框圖。調壓模塊包括STM32單片機、按鍵和帶觸摸屏的液晶屏幕等。

圖2 調壓模塊結構框圖

STM32單片機是調壓模塊的控制核心，它具有外設資源豐富、運行速率較快、學習資料豐富和成本低等優勢。通過編寫控制軟件，能夠通過I 2C總線調整電源管理芯片輸出給LPDDR4芯片的供電電壓；能夠接收并執行SoC芯片通過串口發送過來的電壓調整指令；能夠檢測按鍵電平的變化；能夠通過SPI總線來檢測觸摸屏的動作并進行液晶顯示。

按鍵是用戶用于一鍵恢復LPDDR4正常供電電壓的快捷操作，相當于將LPDDR4芯片的供電電壓恢復出廠設置。

帶觸摸屏液晶屏幕一般采用5寸大小，使用SPI總線來進行控制，用于顯示當前LPDDR4的VDD1、VDD2和VDDQ電壓，用戶還可以使用觸摸屏來調整這3組電壓的大小。

3 控制軟件設計

3.1 控制軟件總體設計

RT-Thread是一個國產嵌入式實時多線程操作系統，系統完全開源，它不僅僅是一個實時內核，還具備豐富的中間層組件，包括如文件系統、圖形庫等較為完整的中間件組件[4]，學習資料豐富，方便系統裁剪，適用于需要快速進行嵌入式軟件開發的場合。

本文在STM 32單片機上采用嵌入式實時系統RT-T h r e a d進行控制軟件的開發，多任務同步執行，確保各種外設快速響應任務并穩定工作[5]。

根據項目需求，控制軟件共劃分為4個線程，分別處理串口通信、按鍵檢測、電源管理、觸摸屏和液晶顯示。

3.2 控制軟件線程設計

串口處理線程用于與SoC芯片進行通信。SoC 芯片作為主動方，STM32單片機作為被動方。SoC發送查詢命令，STM32將通過串口將當前的LPDDR4 各組供電電壓信息返回；SoC發送設置命令，STM32 收到信息后將修改電源管理芯片配置，以便將LPDDR4的供電電壓調整成SoC設置的電壓值。

按鍵處理測線程用于快速將LPDDR4芯片供電電壓調整為正常電壓（VDD1=1.8 V，VDD2=1.1 V，VDDQ=1.1 V/0.6 V），相當于恢復出廠設置的功能。

觸摸屏和液晶顯示線程使用SPI總線來設置液晶的顯示內容，并能夠讀取觸摸屏的動作信息，用于調整LPDDR4芯片的3組供電電壓。

電源管理線程使用I2C總線來查詢和設置電源管理芯片，用戶可以通過SoC的串口、按鍵、觸摸屏這三種方式來調整LPDDR4的供電電壓。

本文聲明了一個名叫voltage的結構體，如下面代碼所示，vdd1、vdd2和vddq這三個成員變量的單位是毫伏。然后聲明了一個voltage結構體類型的全局變量來記錄LPDDR4的供電電壓，記為lpddr4_ vol。液晶屏顯示的內容僅根據此變量來決定。

全局變量lpddr4_vol是整個控制軟件里的公共資源，可以互斥地通過SoC的串口、按鍵、觸摸屏這三種方式進行修改，這里用到了RT-Thread操作系統的信號量。信號量是一種輕型的用于解決線程間同步問題的內核對象，線程可以獲取或釋放它，從而達到同步或互斥的目的。串口處理線程、按鍵處理線程、觸摸屏和液晶顯示線程這三個線程通過先申請并獲取到信號量sem，然后才能夠訪問和修改全局變量lpddr4_vol的內容。某個線程訪問和修改全局變量lpddr4_vol完畢后，應該及時釋放信號量sem，以便其他的線程可以擁有lpddr4_vol 的使用權。類似的，電源管理線程也需要獲取到信號量sem，才能根據lpddr4_vol的內容去更新電源管理芯片的三組輸出電壓值，達到調整LPDDR4芯片供電電壓的目的。本文中三個可以調整電壓的線程通過操作系統的消息隊列來將電壓調整命令傳遞給電源管理線程。消息隊列是RT-Thread操作系統中一種常用的線程間通信方式，是郵箱的擴展。消息隊列能夠接收來自線程或中斷服務例程中不固定長度的消息，并把消息緩存在自己的內存空間中。其他線程也能夠從消息隊列中讀取相應的消息，而當消息隊列是空的時候，可以掛起讀取線程。當有新的消息到達時，掛起的線程將被喚醒以接收并處理消息。消息隊列是一種異步的通信方式[4]。本文中涉及到的串口處理線程、電源管理線程的程序流程圖如圖3所示。按鍵處理線程、觸摸屏和液晶顯示線程的流程跟串口處理線程類似，這里就不再贅述。

圖3 控制軟件程序流程圖

4 結束語

本文針對LPDDR4芯片系統測試的實際需求，提出了低成本的實現方案。該方案可以很方便地移植到不同的支持LPDDR4內存的SoC芯片系統上，能夠快速進行LPDDR4芯片的更換和測試，不僅提升了用戶體驗，還能極大的節約測試設備維護成本和人力成本。