一種測(cè)試數(shù)據(jù)分塊縱向相容的編碼壓縮方案

李建新，吳孝銀

宿州學(xué)院智能信息處理實(shí)驗(yàn)室，安徽宿州，234000

一種測(cè)試數(shù)據(jù)分塊縱向相容的編碼壓縮方案

李建新，吳孝銀

宿州學(xué)院智能信息處理實(shí)驗(yàn)室，安徽宿州，234000

為有效降低集成電路的測(cè)試數(shù)據(jù)量,設(shè)計(jì)了一種測(cè)試數(shù)據(jù)分塊縱向相容的編碼壓縮和解壓方案。將原始測(cè)試集中的每一測(cè)試向量以固定位數(shù)分塊，然后將順序號(hào)相同的數(shù)據(jù)塊歸為一列，根據(jù)每一列數(shù)據(jù)塊間的相關(guān)性，將長(zhǎng)的數(shù)據(jù)塊用短的標(biāo)記碼表示，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的壓縮,進(jìn)而設(shè)計(jì)了與該編碼方案相應(yīng)的解壓結(jié)構(gòu)。研究表明：該方案與同類(lèi)方案相比有較高的編碼壓縮率,而且解壓過(guò)程簡(jiǎn)單易行。

標(biāo)記編碼；更新；縱向相容；#運(yùn)算；∩運(yùn)算

隨著集成電路制造工藝水平的不斷提高,單個(gè)芯片上集成的晶體管數(shù)量呈指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。尤其是片上系統(tǒng)(System-on-a-Chip,SoC)的出現(xiàn)，芯片中集成了大量的IP核，完成測(cè)試的數(shù)據(jù)量迅速增長(zhǎng),導(dǎo)致自動(dòng)測(cè)試設(shè)備存儲(chǔ)容量不足、傳輸帶寬受限、測(cè)試時(shí)間增長(zhǎng),實(shí)施測(cè)試變得越來(lái)越困難，測(cè)試成本不斷提高[1]。因此，研究先進(jìn)的集成電路測(cè)試方法,以減少測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸量，降低測(cè)試成本具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。

測(cè)試數(shù)據(jù)編碼壓縮技術(shù)可有效解決上述問(wèn)題。該技術(shù)的總體思路是將原始測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)編碼壓縮后存儲(chǔ)在ATE上，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量得以降低，在待測(cè)芯片中嵌入相應(yīng)的解壓電路，對(duì)從ATE傳過(guò)來(lái)的壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓還原，再將還原后的測(cè)試數(shù)據(jù)施加給待測(cè)電路[1]。常見(jiàn)的編碼壓縮技術(shù)有基于數(shù)據(jù)塊的編碼壓縮、基于數(shù)據(jù)流的編碼壓縮及基于重播種的編碼壓縮技術(shù)三類(lèi)。基于數(shù)據(jù)塊的編碼又可分為統(tǒng)計(jì)編碼和相容壓縮標(biāo)記編碼，其中，前者有Huffman編碼[2]，它是典型的統(tǒng)計(jì)編碼；后者有相容壓縮標(biāo)記編碼，如數(shù)據(jù)塊前向相容的標(biāo)記碼[3]、分組合并的索引編碼[4]等。基于數(shù)據(jù)流游程的編碼有Glomb編碼[5]、FDR編碼[6]以及交替碼[7]等。基于重播種的編碼壓縮技術(shù)有LFSR重播種技術(shù)[8]和折疊計(jì)數(shù)器重播種技術(shù)[9]。

本文提出一種測(cè)試數(shù)據(jù)分塊縱向相容的編碼壓縮方案。該方案講述的是基于數(shù)據(jù)塊相容的標(biāo)記碼壓縮技術(shù)，能在提高編碼壓縮率的同時(shí)，簡(jiǎn)化解壓還原電路。

1 兩種相關(guān)運(yùn)算的回顧

在文獻(xiàn)[4]中，曾引入兩種位運(yùn)算符：#運(yùn)算及∩運(yùn)算，為便于利用,現(xiàn)作一簡(jiǎn)單回顧。一位#運(yùn)算和∩運(yùn)算規(guī)則分別如表1和表2所示。

表1 #運(yùn)算表

表2 ∩運(yùn)算表

根據(jù)表1的#運(yùn)算規(guī)則，可引入兩等數(shù)位測(cè)試模式間相關(guān)性的有關(guān)概念。假設(shè)測(cè)試模式a=a1a2…an-1an,ai∈{0,1,x}，b=b1b2…bn-1bn，bi∈{0,1,x}，其中x為{0,1}中的任意值,將a、b的對(duì)應(yīng)位按表1進(jìn)行“#”操作，若運(yùn)算結(jié)果各位全部是0或x，則稱(chēng)模式a與b相容；若運(yùn)算結(jié)果各位全部是1或x，則稱(chēng)模式a與b反相相容；二者統(tǒng)稱(chēng)為模式相關(guān)。

假定有如下3個(gè)等數(shù)位的測(cè)試模式：a=01X0XX01，b=X11X00X1，c=1X0110X0，若按表1中#運(yùn)算法，將a、b、c三個(gè)模式兩兩進(jìn)行位運(yùn)算，則有：a#b=X0XXXXX0，a#c=1XX1XXX1，b#c=XX1X10X1。從運(yùn)算結(jié)果可算出，模式a與b相容，a與c反相相容，b與c不相關(guān)。

根據(jù)表2中的“∩”運(yùn)算，可將相關(guān)的兩測(cè)試模式合并。對(duì)于互為反相相容的兩種模式，可將其中之一反相后，再與另一模式作“∩”運(yùn)算。如在上例中，a∩b=01100001，將c模式反相得～c=0X1001X1，a∩～c=01100101。可見(jiàn)，運(yùn)用“∩”運(yùn)算可使測(cè)試模式中的確定位增加。

2 縱向相容的標(biāo)記編碼方法

為便于描述，現(xiàn)舉一示例闡述編碼方法。某測(cè)試集TD由4個(gè)測(cè)試模式組成，如表3所示，每個(gè)測(cè)試模式位數(shù)均為15位。編碼前，先將測(cè)試集中的每個(gè)測(cè)試模式劃分成定長(zhǎng)為K位的分塊，如果測(cè)試模式的總位數(shù)不是塊長(zhǎng)K的整倍數(shù)，不足的位數(shù)則用無(wú)關(guān)位X填補(bǔ)，使其為K的整數(shù)倍。本例中取塊長(zhǎng)K=8，每個(gè)模式被劃分為二塊，第二塊不足8位，補(bǔ)充一位無(wú)關(guān)位(表中斜體X)。為便于表述，用Cij表示第i個(gè)測(cè)試模式的第j個(gè)測(cè)試分塊，如表3中C11=01X101XX，C32=0X010X1X。

表3 本編碼方案實(shí)例

編碼總體思路為：取參考模式，對(duì)測(cè)試集的每一列分塊沿縱向按從上至下的順序進(jìn)行“#”運(yùn)算，采用“#”運(yùn)算結(jié)果，進(jìn)行標(biāo)記編碼分類(lèi)，同時(shí)采用“∩”運(yùn)算不斷更新參考模式。具體方法為：對(duì)每一列的測(cè)試模塊，取某一K位參考模塊R0，按從上到下的縱向順序，從第一個(gè)測(cè)試模塊開(kāi)始依次按位進(jìn)行“#”運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果判斷相關(guān)性并進(jìn)行標(biāo)記編碼。若測(cè)試模塊與參考模塊相容，則將該測(cè)試模塊標(biāo)記編碼為“0”，并將參考模塊與該模塊按位進(jìn)行“∩”運(yùn)算，以增加其中的確定位，再將“∩”運(yùn)算結(jié)果作為下一個(gè)測(cè)試模塊的參考模塊；若測(cè)試模塊與參考模塊反相相容，則將該測(cè)試模塊標(biāo)記編碼為“10”，并將該測(cè)試模塊反相后與參考模塊按位作“∩”運(yùn)算，再將“∩”運(yùn)算結(jié)果作為下一個(gè)測(cè)試模塊的參考模塊；若測(cè)試模塊與參考模塊既不相容又不反相相容，即不相關(guān)，則采用在該測(cè)試分塊前加“11”進(jìn)行編碼標(biāo)記，同時(shí)將該測(cè)試分塊作為新的參考模塊對(duì)下一個(gè)測(cè)試分塊進(jìn)行運(yùn)算編碼。因可采用復(fù)位的辦法將集成電路內(nèi)部各位觸發(fā)器初始化為全0，故每一列測(cè)試分塊的初始參考模塊R0可取K位0，并按上述方法從第一個(gè)測(cè)試分塊進(jìn)行運(yùn)算編碼。

現(xiàn)以表3中的第一列測(cè)試數(shù)據(jù)塊為例作具體描述。取8位初始參考模塊R0為00000000，與C11(01X101XX)按位作“#”運(yùn)算，由“#”運(yùn)算規(guī)則，R0#C11=01X101XX，顯然二者不相關(guān)，故C11被編碼為：1101X101XX，參考模塊被更新為新的參考模塊R1=R0∩C11=01X101XX；進(jìn)而將R1與C21(1010XX1X)按位作“#”運(yùn)算，R1#C21=11X1XXXX，二者反相相容，故C21被編碼為“10”，然后將C21反相為～C21=0101XX0X，新的參考模塊更新為R2=R1∩～C21=0101010X；將R2與C31(XX01X100)按位作“#”運(yùn)算，R2#C31=XX00X00X，二者相容，故C31被編碼為“0”，然后將參考模塊更新為R3=R2∩C31=01010100；將R3與C41：110XX00X按位“#”運(yùn)算，R3#C41=100XX10X，二者既不相容也不反相相容，故C41被編碼為：11110XX00X，參考模塊更新為R4=C41=110XX00X。

對(duì)表3中的第二組測(cè)試模塊也可采用上述同樣方法進(jìn)行編碼和更新。對(duì)整個(gè)測(cè)試集中每個(gè)測(cè)試集的編碼結(jié)果如表4所示，其中的“-”不占有數(shù)據(jù)位，只是為編碼結(jié)果規(guī)整而設(shè)的。將表4左右數(shù)據(jù)對(duì)比可看出，原測(cè)試集TD的總位數(shù)為60，編碼后總位數(shù)為37，壓縮了23位。

表4 對(duì)原測(cè)試集的運(yùn)算編碼結(jié)果

3 解壓結(jié)構(gòu)及過(guò)程分析

編碼的目的是實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的壓縮，減少數(shù)據(jù)量，縮短測(cè)試傳輸時(shí)間，但壓縮后的數(shù)據(jù)是不能直接用于電路測(cè)試的，要實(shí)現(xiàn)有效測(cè)試，尚需在芯片中設(shè)計(jì)相應(yīng)的解壓電路，將原測(cè)試集中的所有確定位進(jìn)行還原。

不同的編碼方案應(yīng)對(duì)應(yīng)不同的解壓電路。本方案的解壓結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，有限狀態(tài)機(jī)(Finite State Machine,FSM)是解壓結(jié)構(gòu)的核心，K位循環(huán)掃描移位寄存器(Cycle Scan shift Register,CSR)用于存放和更新各列K位參考模塊,K進(jìn)制計(jì)數(shù)器用于控制data_out輸出和CSR移位的位數(shù)，MUX1、MUX2均為2選1的數(shù)據(jù)選擇器，MUX1受select1控制，用于數(shù)據(jù)輸出選擇，MUX2受select2控制，用于返回參考模塊的選擇,CUT(Chip Under Test,CUT)為被測(cè)芯片。

圖1 解壓結(jié)構(gòu)

解壓過(guò)程分析：

Step1 初始化，enable使能允許，CSR各位清零，K進(jìn)制計(jì)數(shù)器置位。

Step2 bit_in輸入一位數(shù)據(jù)，若為“0”，轉(zhuǎn)入Step3，若為“1”，轉(zhuǎn)入Step4。

Step3 從data_out端連續(xù)輸出K位0，同時(shí)，CSR內(nèi)的參考模塊右移K位，兩路數(shù)據(jù)經(jīng)異或門(mén)按位作異或運(yùn)算，由于任何數(shù)據(jù)與0異或仍保持不變，故運(yùn)算后仍為CSR內(nèi)的原數(shù)據(jù)。此時(shí)，select1、select2分別控制MUX1、MUX2均選0端有效，從MUX1輸出的數(shù)據(jù)即為CSR內(nèi)的原數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)一方面進(jìn)入CUT進(jìn)行測(cè)試，另一方面返回CSR繼續(xù)作為下一個(gè)參考模塊。然后轉(zhuǎn)入Step7。

Step4 bit_in再輸入一位數(shù)據(jù)，若為“0”，轉(zhuǎn)入Step5，若為“1”，轉(zhuǎn)入Step6。

Step5 從 Data_out端連續(xù)輸出K位1，同時(shí)，CSR內(nèi)的參考模塊右移K位，兩路數(shù)據(jù)經(jīng)異或門(mén)按位作異或運(yùn)算，由于任何數(shù)據(jù)與1異或即反相，故運(yùn)算后即將參考模塊按位取反，由select1控制MUX1選0端有效，由select2控制MUX2選1端有效，從MUX1輸出的數(shù)據(jù)即為參考模塊的反相數(shù)據(jù)，也就將原測(cè)模塊中確定位進(jìn)行了還原，該數(shù)據(jù)一方面進(jìn)入CUT實(shí)現(xiàn)測(cè)試，另一方面經(jīng)反相后返回CSR繼續(xù)作為下一個(gè)參考模塊。然后轉(zhuǎn)入Step7。

Step6 將bit_in當(dāng)前位置后一位開(kāi)始的連續(xù)K位數(shù)據(jù)從Data_out端輸出，由select1控制MUX1選1端有效，由select2控制MUX2選0端有效，這樣從Data_out輸出的K位數(shù)據(jù)將原封不動(dòng)地經(jīng)MUX1輸出，進(jìn)入CUT進(jìn)行測(cè)試的同時(shí),返回CSR繼續(xù)作為新的參考模塊,表明這組K位輸出數(shù)據(jù)與CSR中的參考模塊不相關(guān)。然后進(jìn)入Step7。在該步驟中，CSR中的參考模塊數(shù)據(jù)右移K位后與Data_out輸出的K位數(shù)據(jù)也存在異或情況,但異或的結(jié)果不被選用,自動(dòng)舍棄。

Step7 循環(huán)重復(fù)Step2到Step6。

在上述解壓電路中，K進(jìn)制減1計(jì)數(shù)器控制CSR右移的位數(shù)及Data_out輸出數(shù)據(jù)的位數(shù)。K進(jìn)制計(jì)數(shù)器的減1計(jì)數(shù)功能由dec信號(hào)控制，計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)，rs有效，K進(jìn)制減1計(jì)數(shù)器被重新賦初值K，valid信號(hào)控制CSR是否右移。

對(duì)表3所示的編碼實(shí)例解壓還原后的結(jié)果如表5中第4列所示(TE)，將其與第二列中原測(cè)試集TD比較可知，二者完全相容。

表5 對(duì)表4編碼解壓還原結(jié)果

4 結(jié)果與分析

對(duì)于本方案的編碼壓縮效果，選用ISCAS-89基準(zhǔn)電路幾個(gè)典型的時(shí)序電路作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)對(duì)Mintest測(cè)試向量集壓縮進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)過(guò)程是對(duì)每一種電路取不同的塊長(zhǎng)進(jìn)行縱向相容標(biāo)記編碼壓縮，分別得出對(duì)應(yīng)的壓縮率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6。

表6 塊長(zhǎng)K取不同值時(shí)對(duì)各測(cè)試電路測(cè)試的壓縮率

測(cè)試數(shù)據(jù)壓縮,TD為原測(cè)試集數(shù)據(jù)量，TE為編碼壓縮后的測(cè)試集數(shù)據(jù)量。

從表6可看出，對(duì)每一種測(cè)試電路的測(cè)試集進(jìn)行縱向相容壓縮，隨著K值的變化，壓縮率總會(huì)在某一種K值附近出現(xiàn)最大值拐點(diǎn)，即壓縮率與塊長(zhǎng)間呈類(lèi)拋物線關(guān)系。這是由于塊長(zhǎng)較短時(shí)，塊數(shù)較多，相應(yīng)的編碼碼字也多，限制了壓縮率，塊長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，塊數(shù)雖少，但數(shù)據(jù)塊間的相關(guān)性降低，從而也限制了壓縮率，故二者之間類(lèi)拋物線關(guān)系具有客觀合理性。因此，為提高該方案的編碼壓縮率，須根據(jù)不同的測(cè)試集選取合適的塊長(zhǎng)。

將表6中各測(cè)試電路對(duì)應(yīng)的最高壓縮率與其他類(lèi)似方案進(jìn)行比較,結(jié)果如表7所示，可以看出，本文方案壓縮率相對(duì)較高。

表7 本文方案與其他編碼方案的壓縮率比較

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)引入兩種特殊的位邏輯運(yùn)算,舉例說(shuō)明了測(cè)試數(shù)據(jù)分塊縱向相容的編碼壓縮方法，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的解壓還原電路，分步解析了其解壓過(guò)程。該方案編碼方法巧妙，解壓過(guò)程流暢,實(shí)驗(yàn)證明,該方案與同類(lèi)方案相比，能有效地提高編碼壓縮率。而且由于方案采用橫向分塊縱向編碼，解壓電路的CSR長(zhǎng)度與分塊塊長(zhǎng)相同，長(zhǎng)度相對(duì)較短，故所需要的硬件不多，開(kāi)銷(xiāo)不會(huì)太大。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.03.029

2016-01-12

安徽省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2014ZD31)；安徽省教育廳省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目(2012jyxm545)；宿州學(xué)院科研平臺(tái)開(kāi)放課題(2011YKF09)；宿州學(xué)院優(yōu)秀青年人才資助項(xiàng)目(2014XQNRL006)。

李建新(1971-)，安徽蕭縣人，碩士,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：SOC故障診斷與測(cè)試。

TN407

A

1673-2006(2016)03-0115-04