UART測試技術研究*

李盛杰

(航天科工防御技術研究試驗中心 北京 100854)

UART測試技術研究*

李盛杰

(航天科工防御技術研究試驗中心 北京 100854)

通用異步收發器(UART)是一種串行的數據總線收發器,用于異步的高速串行通信。德州儀器公司生產的雙端口異步通用收發器TL16C752B因其高性能而應用廣泛,論文以TL16C752B為樣本,通過分析雙端口異步通用收發器的電路結構,分析芯片的主要邏輯功能,研究了其邏輯功能、直流電參數、交流電參數的測試技術,并在集成電路測試系統中實現,可用于提高電子系統的可靠性,并可推廣到其它通用異步收發器的測試。

通用異步收發器; 測試技術; 功能測試

Class Number TP393

1 引言

通用異步收發器(UART)是一種串行的數據總線收發器,用于異步的高速串行通信。該總線可雙向通信,實現全雙工傳輸和接收,是電子系統中不可缺少的高速串行通信部件[1],對類器件的測試是產品可靠性保證的重要環節,對其測試技術的研究具有重要的意義。

德州儀器公司(TI)推出的通用異步收發器TL16C752B是一款新型的雙端口UART,該器件內置有兩套可獨立工作的UART系統,并且具有64字節的發送緩沖器和64字節的接收緩沖器,能更好的實現串行數據總線與并行數據總線高速轉換和設備的高速通信[2]。該芯片可使通信系統具有高實時性,可用來實現系統的高校多串口通信,在現代電子系統中得到了廣泛的應用,在UART中具有很高的代表性,也給測試環節增加了很大的難度[3～4]。

本文選取了TI公司的一款高性能雙端口通用異步收發器TL16C752B,詳細分析了雙端口異步通用收發器UART的電路結構,分析了通用異步收發器的邏輯功能,研究了通用異步收發器邏輯功能、直流電參數、交流電參數的測試技術,并在集成電路測試系統中實現。

2 電路結構

2.1 基本電路結構

TL16C752B的內部電路結構包括并行數據總線接口、內部晶振邏輯、預分頻可編程波特率發生器模塊、控制和狀態模塊、發送模塊、接受模塊和多個內部寄存器,并且A、B兩個端口可以獨立控制,其內部結構如圖1所示。其引腳除“XTAL1”、“XTAL2”、“A0”、“A1”、“A2”、“IOW”、“IOR”、“RESET”外,A、B兩個端口均有不同的引腳,例如“TXA”、“TXB”、“INTA”、“INTB”等[5]。

圖1 TL16C752B內部結構圖

2.2 控制和狀態模塊

TL16C752B的控制和狀態模塊包含全局控制邏輯、DMA控制邏輯、寄存器控制邏輯、中斷控制邏輯和Modem控制邏輯等,可以通過對多個內部寄存器的讀寫進行控制邏輯的配置和狀態的讀取、判別。

2.3 預分頻可編程波特率發生器模塊

TL16C752B的發送和接收波特率是通過預分頻可編程波特率發生器模塊進行控制的,其工作原理如圖2所示。首先由外部信號與內部振蕩器產生輸入時鐘,通過預分頻邏輯產生參考時鐘,最后由波特率發生器邏輯產生用于數據發送和接收的內部波特率時鐘[6]。

圖2 TL16C752B預分頻可編程波特率發生器工作原理

2.4 內部寄存器

TL16C752B包含多個內部寄存器,對不同寄存器的訪問是通過地址引腳完成的,但同一地址在讀、寫狀態下可能訪問不同的寄存器,且有些內部寄存器是只讀或只寫的。另外有些內部寄存器的訪問需要先對某些寄存器的內容進行配置后進入特殊模式,然后在根據地址引腳的狀態進行選擇,如表1所示。

表1 內部寄存器

3 基本功能

雙端口通用異步收發器TL16C752B的主要功能是完成串行數據總線與并行數據總線之間的轉換以及實現一些中斷和與Modem交互的功能。TL16C752B的主要功能包括:重置功能、硬件控制傳輸功能、軟件控制傳輸功能、中斷功能和DMA功能。為了提高信號傳輸的速度和系統運行的效率,在TL16C752B的使用中會用到發送FIFO和接收FIFO,但該芯片可以通過FIFO控制寄存器FCR配置為無FIFO的單字節工作模式[7]。

3.1 重置功能

TL16C752B的重置是通過其“RESET”引腳來實現的,此引腳為高電平有效。重置后,接收保持寄存器RHR和接收保持寄存器THR的指針邏輯會被清空,寄存器IER、IIR、FIFO Rdy、LCR、MCR、LSR、MSR、EFR、TCR、TLR會被重置為固定狀態,但寄存器DLL、DLH、SPR、Xon1、Xon2、Xoff1、Xoff2的內容會保持不變,不會被重置。一般重置是使用該器件的第一步操作。

3.2 硬件控制傳輸功能

TL16C752B的硬件控制傳輸功能是通過外部引腳“RTS”來判別接收寄存器中的字節數與設置的停止觸發字節數、恢復觸發字節數的關系,通過引腳“CTS”來控制是否發送下一個字節。正常使用中,串行數據總線兩端負責發送和接收的一對異步收發器的引腳“RTS”與“CTS”是相連接的,將接收端異步收發器的接收FIFO的狀態反饋給發送端的異步收發器,用來控制發送端的異步收發器是否繼續發送串行數據。

3.3 軟件控制傳輸功能

TL16C752B的軟件控制傳輸功能是通過比較或發送寄存器Xoff1、Xoff2的內容或其相與的結果來控制結束發送或結束接收,通過比較或發送寄存器Xon1、Xon2的內容或其相與的結果來控制恢復發送或恢復接收。串行數據總線發送端的異步收發器通過比較接收到的數據與寄存器Xoff1、Xoff2、Xon1、Xon2的內容來判別是否繼續發送數據。當串行數據總線接收端的接收保持寄存器的字節數超過停止觸發字節數時,向外發送寄存器Xoff1、Xoff2的內容或其相與的結果,當接收保持寄存器的字節數回到繼續觸發字節數時,向外發送寄存器Xon1、Xon2的內容或其相與的結果。

3.4 中斷功能

TL16C752B芯片在數據傳輸過程中,滿足中斷條件時,會產生中斷信號,引腳“INT”產生高電平信號輸出。TL16C752B芯片具有6類中斷,包含6級中斷優先級,其中斷類型的使能是通過對中斷使能寄存器IER的配置實現的,不同種類中斷的編碼可以由中斷識別寄存器IIR讀出。

3.5 DMA功能

TL16C752B芯片的DMA功能分為兩種模式,單一DMA模式和塊DMA模式,通過FIFO控制寄存器FCR進行配置。在單一DMA模式中,發送FIFO為空時引腳“TXRDY”輸出低電平信號,發送FIFO中有內容時引腳“TXRDY”輸出高電平信號,接收FIFO中有內容時引腳“RXRDY”輸出低電平信號,接收FIFO為空時引腳“RXRDY”輸出高電平信號。在塊DMA模式中,當發送FIFO中的剩余空間達到發送觸發字節數時引腳“TXRDY”輸出低電平信號,當發送FIFO無剩余空間時引腳“TXRDY”輸出高電平信號,當接收FIFO中的內容達到接收觸發字節時引腳“RXRDY”輸出低電平信號,當接收FIFO為空時引腳“RXRDY”輸出高電平信號[8]。

4 測試方法及實現

集成電路的測試主要包括功能測試、直流電參數測試和交流電參數測試。對于雙端口通用異步收發器TL16C752B芯片,需要通過配置相應寄存器來實現目標功能,而直流電參數測試和交流電參數測試都是先通過功能的實現來激發相應的信號輸出后再完成參數測試的,因此TL16C752B芯片的功能測試是測試的重點和難點,是整個測試的關鍵部分[9]。

4.1 功能測試

通過前文對TL16C752B芯片的電路結構和基本功能的分析,根據TL16C752B器件手冊中描述的功能,該器件功能測試按順序包括:重置功能測試、內部寄存器測試、串并行轉換傳輸測試、硬件控制功能測試、軟件控制功能測試、中斷功能測試、DMA功能測試。并且所有測試都應涵蓋A、B兩個端口。

4.1.1 重置功能測試

通過集成電路測試系統對器件引腳“RESET”施加高電平,完成重置后,對該引腳施加低電平,然后對各內部寄存器進行訪問,并將結果與器件重置后內部寄存器的復位狀態進行比較,寄存器復位狀態如表2所示,其中寄存器FCR的狀態是不能被讀出的,需要在功能測試的其他項目中進行測試。寄存器DLL、DLH、SPR、Xon1、Xon2、Xoff1、Xoff2是不能被重置復位的,其內容不受重置狀態的影響,因此該功能需在內部寄存器測試中進行測試。

表2 內部寄存器復位狀態

4.1.2 內部寄存器測試

內部寄存器測試即對寄存器進行寫讀功能測試,但只能對可讀可寫寄存器IER、LCR、MCR、SPR、DLL、DLH、EFR、Xon1、Xon2、Xoff1、Xoff2、TCR、TLR進行寫讀測試,其它只寫或只讀寄存器RHR、THR、FCR、IIR、LSR、MSR、FIFO Rdy則在其它測試項目中對寄存器進行配置時測試。一部分寄存器的訪問時通過寄存器地址和其它寄存器的配置完成的,因此為了更準確地定位故障點,內部寄存器的測試需要有先后順序。寄存器LCR、SPR是可以直接通過地址進行訪問的,因此在內部寄存器的測試順序中排在最前端。寄存器DLL、DLH、EFR、Xon1、Xon2、Xoff1、Xoff2的訪問需要寄存器地址與寄存器LCR共同完成,因此這些寄存器的測試順序排在第二位。寄存器IER、MCR的個別位的訪問需要寄存器地址和寄存器EFR共同完成,順序排在第三位。寄存器TCR、TLR的訪問需要寄存器地址和寄存器EFR、MCR功能完成,寄存器FIFO Rdy需要寄存器地址與寄存器MCR共同完成,因此寄存器TCR、TLR、FIFO Rdy的測試順序排在最后。同時可對重置功能中未被測試的寄存器DLL、DLH、SPR、Xon1、Xon2、Xoff1、Xoff2進行測試,判別是否這些寄存器的內容不會因重置操作而改變。

4.1.3 串并行轉換傳輸測試

串并行轉換傳輸測試是為了測試TL16C752B的基本串行并行數據的轉換傳輸功能,因此采用無FIFO的單字節模式進行。測試時首先重置芯片,重置后FIFO控制寄存器的復位內容即為無FIFO模式,然后通過配置寄存器LCR、EFR、MCR對預分頻器的分頻數進行設置,通過配置寄存器LCR、DLL、DLH對可編程波特率發生器的除數進行設置,通過配置寄存器LCR對數據位、校驗位、停止位進行設置,最后實現串行數據總線和并行數據總線之間的相互轉換,通過對比串行數據與并行數據的內容時候一致進行測試。同時可對內部寄存器測試中沒有進行測試的寄存器RHR、THR、LSR進行測試。

4.1.4 硬件控制功能測試

重置芯片后,配置FIFO控制寄存器FCR進入FIFO模式,配置增強特征寄存器EFR設置接收或發送的硬件控制模式,配置觸發水平寄存器TCR,設置預分頻器、可編程波特率發生器、數據位、校驗位、停止位,然后進行串行數據與并行數據的轉換傳輸功能,測試引腳“RTS”的輸出信號是否能正常反饋接收保持寄存器的狀態,測試引腳“CTR”時候能正常控制發送狀態。

4.1.5 軟件控制功能測試

重置芯片后,配置FIFO控制寄存器FCR進入FIFO模式,配置增強特征寄存器EFR設置軟件控制模式的比較或發送關鍵字節的組合形式,配置寄存器Xon1、Xon2、Xoff1、Xoff2設置比較或發送關鍵字節的基本內容,設置停止觸發字節數、恢復觸發字節數、預分頻器、可編程波特率發生器、數據位、校驗位、停止位,然后進行串行數據與并行數據的轉換傳輸功能。測試器件接收串行數據時,接收保持寄存器的內容時候在達到停止觸發字節數或恢復觸發字節數后,會發送正確的關鍵字節內容。測試器件發送串行數據時,接收到關鍵字節內容后,是否能停止或恢復發送數據。

4.1.6 中斷功能測試

重置芯片后,配置中斷使能寄存器IER設置6類中斷的使能,然后對器件施加不同的中斷源,監控引腳“INT”的輸出信號,測試中斷狀態的進入和恢復是否與中斷源的產生和中斷恢復條件的達成相符,以及中斷識別寄存器IIR的內容是否與中斷類型相符[10]。測試的中斷類型包括接受線狀態中斷、接收超時中斷、RHR中斷、THR中斷、Modem狀態中斷、Xoff中斷和CTS、RTS中斷。同時可對內部寄存器測試中沒有進行測試的寄存器IIR、MSR進行測試。

4.1.7 DMA功能測試

重置芯片后,配置FIFO控制寄存器FCR設置DMA的模式,并分別對單一DMA模式和塊DMA模式進行測試。分別測試當接收FIFO、發送FIFO的字節數達到規定字節數時,引腳“RXRDY”、“TXRDY”的輸出信號是否與DMA狀態一致。同時可對內部寄存器測試中沒有進行測試的寄存器FIFO Rdy進行測試。

4.2 直流電參數測試

TL16C752B芯片的直流電參數測試與一般數字集成電路的測試方法一致,均為根據器件手冊規定的條件施加激勵,使器件達到規定的狀態,然后對其直流參數進行測試。使器件達到規定狀態的途徑可參照功能測試的方法,選取其中一種途徑即可。

4.3 交流電參數測試

TL16C752B芯片的交流電參數測試也與一般數字集成電路的測試方法一致,可以在功能測試中通過時序的設置完成測試,也可通過搜索掃描法進行測試,輸出交流參數還可用交流參數測試模塊直接測量。測試過程所需的功能可參照功能測試的方法,選取其中一種途徑即可。

5 結語

通用異步收發器應用與電子系統的高速串行通信,德州儀器公司生產的雙端口異步通用收發器TL16C752B因其高性能而應用廣泛。本文以TL16C752B為樣本,通過分析雙端口異步通用收發器UART的電路結構,分析UART的主要邏輯功能,研究了其邏輯功能、直流電參數、交流電參數的測試技術,并在集成電路測試系統中實現,可用于提高電子系統的可靠性,該方法可廣泛應用于UART類器件的電參數測試。

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Test Technology of UART

LI Shengjie

(Defense Technology Research and Test Center of China Aerospace Science & Industry Corporation, Beijing 100854)

Universal asynchronous receiver/transmitter (UART) is a kind of serial data bus receiver and transmitter which is used for high speed serial communication. TL16C752B, a dual port UART which is developed by Texas Instruments is widely used because of its high performance. Through the research of TL16C752B which is a sample of UART, the structure and the main logic functions of UART is analyzed, and the test technology of logic function and electrical characteristics is researched. The test technology can be used to improve the reliability of electronic systems and can be in tests of other UART ICs.

UART, test technology, function test

2016年9月8日,

2016年10月25日

李盛杰,男,碩士研究生,工程師,研究方向:集成電路測試技術。

TP393

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.040