基于FPGA 的FLASH 存儲器三溫功能測試系統設計

侯曉宇，郭 賀，常艷昭

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）

0 引言

存儲器的測試主要由內建自測試和外部測試構成[1?3]。內建自測試由于芯片內部測試電路已固化，測試圖形無法改變，也無法保障測試的故障覆蓋率[4]；而外部測試一般由ATE（Automatic Test Equipment）機臺來進行批量化測試[5?6]。大容量FLASH 存儲器因存儲容量大[7?9]，在保障故障覆蓋率的情況下，其測試向量較大，而ATE 測試系統因有限的存儲容量，很難保障大容量存儲器的高覆蓋率測試。此外，為保障器件的可靠性，需對大容量FLASH 存儲器進行三溫環境測試。傳統的基于ATE 和熱流罩的環境測試裝置及方法存在如下缺陷：一方面，熱流罩體積較小，多工位測試能力受限；另一方面，熱流罩無法長時間扣壓在ATE 機臺上，否則會導致ATE 機臺掉電重啟，而大容量的FLASH 存儲器全地址功能測試耗時數小時，故該方法僅能在常溫下對大容量FLASH 存儲器進行全地址功能測試，且占用大量ATE測試機時，測試成本較高。因此，亟需在原有的技術基礎上進行突破創新，實現大容量FLASH 存儲器的三溫環境測試，同時提高測試效率，降低測試成本。本文提出了一種基于FPGA 驅動板+工位板的板級FLASH 存儲器三溫功能測試系統，實現了12 工位的大容量FLASH存儲器的三溫功能測試，解決了ATE 機臺無法長時間進行高低溫測試的難題，同時釋放大量ATE 機臺時，提高了測試效率，降低了測試成本。

1 FLASH 功能測試原理

FLASH 存儲器的故障主要有固定型故障、轉換故障和固定開路故障等[10]。固定型故障是指存儲單元內的邏輯值始終為0 或1。轉換故障是指存儲單元內的邏輯值可以從1轉換為0，但無法從0轉換為1，或邏輯值可以從0 轉換成1，但無法從1 轉換成0。固定開路故障是指無法訪問當前存儲單元內的邏輯值。通常，采用特定的測試圖形來檢測FLASH 存儲器存在的故障，理論上存在一種測試圖形算法可以檢測出所有的故障類型，但由于其時間復雜度而無法完全應用于實際工程中[11]。MSCAN算法也被稱為全0或全1算法[12]，即在所有存儲單元中寫入邏輯0 或邏輯1。MSCAN 算法見圖1。

圖1 MSCAN 算法

Checkerboard 算法也被稱為棋盤法，如圖2 所示，該方法用于檢測相鄰單元在存儲數據時是否存在相互影響，即在相鄰兩個存儲單元寫入不同的邏輯值。

圖2 Checkerboard 算法

2 硬件設計

基于上述方案設計，采用子母方案實現硬件平臺的設計。硬件平臺如圖3 所示，該平臺由驅動板和工位板兩個部分組成。驅動板主要包括FPGA、串口模塊、電源模塊、時鐘模塊、存儲模塊、電平轉換模塊和金手指接口。工位板和驅動板之間通過金手指相互連接，12 個工位的被測芯片依次排列在工位板上組成測試陣列。

圖3 硬件平臺總體框架

為滿足多工位測試要求，FPGA 選用Xilinx Kintex7系列XC7K325T，其外掛DDR 和FLASH 存儲模塊分別用于數據緩存與燒寫程序的啟動。此外，FPGA 通過串口模塊實現與上位機之間的通信。

3 軟件設計

基于上述硬件平臺，本測試系統軟件任務由FPGA和上位機兩個部分構成，如圖4 所示。FPGA 主要負責對12 個工位的被測芯片施加激勵信號、測試結果比對和與上位機串口數據的傳輸工作。上位機主要負責與FPGA 的串口傳輸工作、測試結果的顯示和測試結果的保存。

圖4 測試系統軟件總體框架

測試系統工作流程如圖5 所示。上位機首先通過串口將配置命令發送至FPGA，接著FPGA 對被測芯片施加激勵信號，隨后FPGA 將接收到的返回信號進行數據比對，進而通過串口發送至上位機，最后上位機在界面上實時顯示測試結果并將數據保存至硬盤。

圖5 測試系統工作流程

3.1 FPGA 軟件設計

FPGA 對被測芯片依次施加激勵信號，并對返回的數據結果進行比對，其狀態機如圖6 所示。首先對被測芯片進行全地址擦寫，讀全地址，若非全1 則跳轉至錯誤狀態；接著對芯片進行全地址寫0，讀全地址，若非全0，則跳轉至錯誤狀態；隨后對芯片進行全地址擦寫，全地址寫0xAA55，讀全地址，若非全0xAA55，則跳轉至錯誤狀態；最后對芯片進行全地址擦寫，全地址寫0x55AA，讀全地址，若非全0x55AA，則跳轉至錯誤狀態。

3.2 上位機軟件設計

上位機采用Qt 作為開發工具，該軟件主要將界面上的控制命令進行組幀并通過串口發送出去[13]，解析串口中收到的數據，將測試結果顯示在可視化界面并存儲至硬盤。為有效區分串口接收的數據類型，定義了如圖7 所示的數據幀格式，共分為5 個部分，如下：

圖7 數據幀格式

1）幀頭：長度為32 bit，定值為0x1234567。

2）內容形式：長度為32 bit，0x0 表示命令參數，0x1為被測芯片返回的測試結果。

3）長度：長度為32 bit，該變量表示為數據幀中發送內容的字節大小。

4）內容：具體發送數據。

5）幀尾：長度為32 bit，定值為0x89ABCDEF。

4 實驗與分析

FLASH 存儲器三溫功能測試系統的驅動板和工位板實物圖如圖8 和圖9 所示，兩塊板卡通過金手指接口插入三溫測試箱實現互聯。

圖8 FLASH 存儲器三溫功能測試系統驅動板

圖9 FLASH 存儲器三溫功能測試系統工位板

如圖10 所示，當被測芯片寫入的數據0xAA55 和讀出的數據0xAA51 出現不一致時，則當前芯片測試停止，并將測試結果上傳至上位機。

圖10 錯誤數據顯示

如圖11 所示，上位機接收到數據后，實時顯示出錯誤工位號、錯誤地址和讀出的錯誤數據。

圖11 上位機結果顯示

5 結論

本文設計一種基于驅動板和工位板的FLASH 存儲器的實裝測試系統，并完成了對此系統的驗證。結果表明，該測試系統可實現12 工位的大容量FLASH 存儲器在三溫環境下的全地址擦寫和讀功能測試，以及測試結果的實時顯示與本地存儲。相較于傳統使用ATE 機臺對FLASH 存儲器進行測試的方法，該測試系統有效解決了ATE 機臺在高低溫環境下無法長時間測試的缺點，同時釋放大量ATE 測試機時，大幅降低了FLASH存儲器芯片的測試成本。此外，12 工位的同步測試大幅提高了測試效率，且工位板具有高可擴展性，對于后期的FLASH 存儲器量產化測試具有廣闊的應用前景。