基于BIST的SRAM型FPGA測(cè)試技術(shù)分析

張灝　曹亮　上海航天電子技術(shù)研究所　上海　201109

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基于BIST的SRAM型FPGA測(cè)試技術(shù)分析

張灝曹亮上海航天電子技術(shù)研究所上海201109

【文章摘要】

深入研究和探討FPGA芯片測(cè)試技術(shù)，這是生產(chǎn)者確保制造出高效可靠芯片的重要前提。因?yàn)镕PGA具有可重復(fù)的編程性，這種方法在編程中，將在FPGA內(nèi)部資源共同劃分成為多個(gè)不同的內(nèi)建自測(cè)試模塊，通過(guò)多次配置和測(cè)試，對(duì)各個(gè)BIST模塊測(cè)試路徑進(jìn)行更換，從而達(dá)到完全測(cè)試FPGA內(nèi)部資源的效果。

【關(guān)鍵詞】

BIST；SRAM型；FPGA；測(cè)試技術(shù)；分析

根據(jù)BIST思想，給出對(duì)FPGA之中CLB資源與互連資源同時(shí)展開(kāi)檢測(cè)故障和診斷故障的方法。在GIST測(cè)試向量發(fā)生器之中，輸出相應(yīng)分析器和GIST控制器之中，都利用了FPGA之中的CLB資源進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在完成測(cè)試之后，可將這部分資源通過(guò)編程將其作為工作電路，這樣就會(huì)減少成本。

1　SRAM中FPGA結(jié)構(gòu)

SRAM型FPGA結(jié)構(gòu)單元共由1個(gè)CLB模塊、1個(gè)開(kāi)關(guān)模塊、2個(gè)直接與CLB相連接的局部連線模塊所共同組成。其中CLB模塊由三部分共同組合，即查找表、D觸發(fā)器和多路復(fù)用器;局部互連線由兩部分組成，即連接塊、導(dǎo)線，其連接塊內(nèi)包括控制信號(hào)進(jìn)出、CLB可編程互聯(lián)點(diǎn)開(kāi)關(guān)、可編程多路復(fù)用開(kāi)關(guān); SM為全局互連資源的關(guān)鍵一部分，SM由兩部分組成，即導(dǎo)線、可編程十字點(diǎn)開(kāi)關(guān)。

2　故障類型

目前，文中檢測(cè)和診斷故障類型包括四種，即：線路開(kāi)與關(guān)故障、固定開(kāi)與關(guān)故障、測(cè)試延時(shí)路徑故障。

①固定開(kāi)與關(guān)的故障：通常情況下，在局部互連線的MUX-P導(dǎo)通晶體管與PIP-PS之中，在發(fā)生固定故障時(shí)，不管是SRAM為何值，導(dǎo)通晶體管宗師保持著一種固定開(kāi)與關(guān)的形式;

②線開(kāi)與短路的故障：通常在SM中發(fā)生，在SM導(dǎo)向部分出現(xiàn)斷路，或者出現(xiàn)開(kāi)路故障、SM導(dǎo)線間發(fā)生橋接，這都有可能出現(xiàn)線路故障。在PCP-PS之中，如果出現(xiàn)定關(guān)/開(kāi)的故障，會(huì)致使出現(xiàn)開(kāi)/短路故障。

③固定的0/1故障：這種故障通常都會(huì)出現(xiàn)在LUT之中，表現(xiàn)在LUT存儲(chǔ)單元并未能存儲(chǔ)出相應(yīng)的數(shù)據(jù);

④在CLB傳播路徑中，會(huì)出現(xiàn)延時(shí)故障。

在FPGA之中，這四種故障類型已經(jīng)覆蓋了將近百分之九十的故障類型，因此，深入測(cè)試這四種故障類型具有現(xiàn)實(shí)的作用。

3　配置測(cè)試

在全局連線資源中，應(yīng)配置SM中PCPPS開(kāi)關(guān)，并設(shè)置出與之相關(guān)的導(dǎo)線展開(kāi)測(cè)試，并不需要利用任何一種CLB資源。在局部CLB與互連線相互連接，因此，在局部互連測(cè)試之前，CLB之前應(yīng)是測(cè)試電路中一部分。局部互連測(cè)試也是與相關(guān)的CLB施加測(cè)試向量過(guò)程中，然后在對(duì)CLB輸出響應(yīng)進(jìn)行分析。

對(duì)PCP-PS之中的PIP-PS展開(kāi)分析，應(yīng)用三種不同形式的測(cè)試配置，這樣就能讓SM得到更全面的測(cè)試，在CLB測(cè)試和局部互連線測(cè)試之中，因?yàn)樗鼈冎g編程開(kāi)關(guān)其本質(zhì)普遍是PIP-PS，因此采用這三種配置形式，除了對(duì)測(cè)試SM之外，也應(yīng)對(duì)局部互連線和CLB展開(kāi)測(cè)試。

4　BIST的具體測(cè)試方案

4.1設(shè)計(jì)測(cè)試方案

以10個(gè)CLB資源共作為1個(gè)測(cè)試模塊，其在同一行之中相鄰的2個(gè)測(cè)試模塊，應(yīng)共有利用1個(gè)TPG。為了能夠測(cè)試整個(gè)FPGA，應(yīng)對(duì)全部CLB資源都應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2測(cè)試模塊的設(shè)計(jì)

圖1為一個(gè)設(shè)計(jì)方案中的測(cè)試模塊結(jié)構(gòu)圖

如圖1中，其TPG中可應(yīng)用設(shè)計(jì)可控測(cè)試向量發(fā)生器的方法，如圖1為ORA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，共包括兩輸出XOR。

圖1　測(cè)試模塊結(jié)構(gòu)圖

P/F校驗(yàn)器相當(dāng)于一個(gè)門(mén)，在BUT輸出出現(xiàn)故障時(shí)，很容易產(chǎn)生P/F信號(hào)，開(kāi)啟故障導(dǎo)通電路。如下為P/F布爾表達(dá)式：

其表達(dá)式為：SW=（bι-1⊕bι）∪（b1⊕b2⊕ b3⊕b4⊕bxro_4） ∪（b5+b6+b7）

式中，BUT的原始輸出為bι（ι=0，1，2，……，7）;BUT第1位輸入的值為 bι-1; bι為BUT第1位輸出的值，也就是bι是bι-1經(jīng)過(guò)B UT最終輸出結(jié)果; bxro_4是奇偶效驗(yàn)器的輸出。

上述式子表現(xiàn)出在BUT中只要出現(xiàn)故障，P/F校驗(yàn)器便可以形成一個(gè)觸發(fā)信號(hào)SW，將輸出結(jié)果全部收入到故障詞典之中。然后將整個(gè)診斷結(jié)果在校準(zhǔn)電路輸出之中，在FPGA外部充分顯示出，這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)FPGA器件進(jìn)行故障診斷。

5　測(cè)試程序

在所給定的GIST方法之中，將整個(gè)FPGA芯片編程作為多個(gè)測(cè)試模塊，其每一個(gè)測(cè)試模塊都由三部分組成，包括ORA、BUT、TPG。其中整個(gè)FPGA測(cè)試都應(yīng)運(yùn)用三種TC模式，應(yīng)用不同的測(cè)試路徑。在測(cè)試方案各個(gè)測(cè)試模塊都已經(jīng)完成測(cè)試之后，各測(cè)試模塊之中被編程為CLB資源或者是ORA。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA進(jìn)行測(cè)試。如下為具體測(cè)試步驟：

5.1編程的配置

在FPGA編程構(gòu)造由多個(gè)測(cè)試模塊構(gòu)成，其運(yùn)用硬件語(yǔ)言編程會(huì)生成測(cè)試方案進(jìn)行自動(dòng)射擊，其展示的分模塊化設(shè)計(jì)由TPG模塊、BUT模塊和ORA模塊共同組合而成。

5.2測(cè)試路徑

在全部的TC測(cè)試路徑之下，都是由1根線對(duì)全局互連線開(kāi)路故障進(jìn)行診斷，其中4根線主要利用在診斷CLB故障，還有3根線被用在短路故障診斷之中。

5.3檢測(cè)故障

如下為FPGA故障檢測(cè)的過(guò)程：

①全局互連線的故障。將TPG中第1位輸入恒置為“1”，在出現(xiàn)開(kāi)路故障，或者門(mén)輸出恒是“1”。則檢測(cè)開(kāi)路故障。

② 局部互連線固定開(kāi)/關(guān)的故障。在LUT與局部互連固定故障中，可經(jīng)過(guò)在圖1中奇偶校驗(yàn)器進(jìn)行檢測(cè)，在圖2之中可知其4個(gè)CLB測(cè)試路徑是同樣的。也正是因?yàn)榕渲梅绞绞窍嗤虼薈LB和局部互連方式也是相同的。

③延時(shí)故障的檢測(cè)。在BUT電路之中，施加出一個(gè)變化的觸發(fā)沿，在預(yù)定時(shí)鐘周期之內(nèi)檢測(cè)出此變化觸沿是否有故障。

④全局互連線路，在設(shè)置測(cè)試向量中，讓BUT與ORA接入，或者門(mén)的3位數(shù)據(jù)為“000" 。

5.4故障診斷

在ORA中，與測(cè)試方案BIST控制器共同組合完成。

將各個(gè)測(cè)試模模塊之中，編程成為BUT中CLB資源編程為ORA，也可編程成為T(mén)PG，編程成為T(mén)PG或者是ORA中的CLB資源，可相應(yīng)的轉(zhuǎn)變成BUT，這樣完成了整個(gè)FPGA測(cè)試。

6　結(jié)語(yǔ)

總而言之，經(jīng)過(guò)12次配置芯片，這樣就可以對(duì)FPGA中多種連線通道延時(shí)故障、開(kāi)/短路故障，在編程開(kāi)關(guān)過(guò)程中固定的開(kāi)/關(guān)故障，查找表中穩(wěn)定的0/1故障，很容易發(fā)現(xiàn)其故障覆蓋率已達(dá)到100%。但FPGA測(cè)試技術(shù)在應(yīng)用中還有很多不完善之處，還需要深入進(jìn)行研究和分析。

【參考文獻(xiàn)】

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