基于RT-Thread操作系統(tǒng)的LPDDR4芯片測試系統(tǒng)設(shè)計

陳鑫旺，馬茂松，劉建斌

1 LPDDR4芯片測試

集成電路產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，是培育發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、推動信息化和工業(yè)化深度融合的核心與基礎(chǔ)，是調(diào)整經(jīng)濟發(fā)展方式、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、保障國家信息安全的重要支撐。發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的內(nèi)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(zhàn)略[1]。近幾年，隨著社交網(wǎng)絡(luò)的普及和推廣，使得智能手機迎來了爆發(fā)式發(fā)展，游戲、照片、視頻等各種應(yīng)用需要更大容量的存儲器和更高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸[2]。LPDDR4（第4代低功耗雙倍數(shù)據(jù)速率動態(tài)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(lǐng)域被大量使用。因此，設(shè)計一種能夠在各種SoC系統(tǒng)上對LPDDR4芯片進(jìn)行各種邊界條件下功能性能測試的軟硬件系統(tǒng)就變得愈發(fā)重要。

LPDDR4 具有小體積和低功耗的特點，通常應(yīng)用于移動終端。L PDDR4的通信協(xié)議是在2014年8月發(fā)布的，基本構(gòu)架從單通道設(shè)計改進(jìn)為雙通道的設(shè)計，減小了芯片內(nèi)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(shù)據(jù)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(shù)也是在LPDDR4中引入的[3]。通常情況下，在系統(tǒng)端對LPDDR4芯片進(jìn)行測試時改變的條件有溫度和供電電壓。溫度調(diào)節(jié)通過高低溫試驗箱來實現(xiàn)，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(diào)節(jié)是本文的重點，調(diào)節(jié)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(tǒng)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(nèi)存測試軟件有Memtester、Rebooter、3D Mark等，另外，還可以使用內(nèi)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(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 LPDDR4芯片測試系統(tǒng)

圖1是本文提出的LPDDR4芯片測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。整個測試系統(tǒng)共分為4個模塊：SoC及其外設(shè)、LPDDR4測試座、電源管理芯片和調(diào)壓模塊。

圖1 LPDDR4芯片測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

SoC及其外設(shè)里的SoC指能夠支持外接LPDDR4 內(nèi)存的SoC芯片，如NX P公司的i. M X8M系列芯片等。另外，還應(yīng)該包括能使So C芯片正常運行的外設(shè)電路，如EMMC、QSPI Flash、USB模塊、千兆網(wǎng)模塊、調(diào)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(shù)據(jù)總線、命令總線和控制總線等高速并行總線進(jìn)行互連。

LPDDR4測試座焊接或者安裝在測試系統(tǒng)的主板上，可以方便地進(jìn)行LPDDR4芯片的更換，進(jìn)行芯片缺陷分析和量產(chǎn)測試。常用的LPDDR4測試座有POGO-PIN技術(shù)和導(dǎo)電膠技術(shù)。采用POG O- PI N技術(shù)的LPDDR4測試座是依靠焊接來固的定在測試系統(tǒng)的主板上，采用導(dǎo)電膠技術(shù)的LPDDR4 測試座是依靠螺絲螺帽等金屬件固定在測試系統(tǒng)的主板上。根據(jù)以往經(jīng)驗，采用導(dǎo)電膠技術(shù)的LPDDR4測試座在長時間低溫測試后容易出現(xiàn)SoC操作系統(tǒng)不開機的情況，并且不可恢復(fù)。所以本文選擇的是基于POGO-PIN技術(shù)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(nèi)通過I 2C總線來進(jìn)行調(diào)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(diào)整的精度是25 mV，V DD2和VDDQ電壓調(diào)整的精度是10 mV。

調(diào)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(diào)整LPDDR4芯片的V DD1、V DD2和VDDQ的供電電壓。另外，調(diào)壓模塊能夠接收并執(zhí)行So C芯片通過串口發(fā)送的電壓調(diào)整命令。

2.2 調(diào)壓模塊硬件設(shè)計

圖2是調(diào)壓模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖。調(diào)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(diào)壓模塊結(jié)構(gòu)框圖

STM32單片機是調(diào)壓模塊的控制核心，它具有外設(shè)資源豐富、運行速率較快、學(xué)習(xí)資料豐富和成本低等優(yōu)勢。通過編寫控制軟件，能夠通過I 2C總線調(diào)整電源管理芯片輸出給LPDDR4芯片的供電電壓；能夠接收并執(zhí)行SoC芯片通過串口發(fā)送過來的電壓調(diào)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(jìn)行液晶顯示。

按鍵是用戶用于一鍵恢復(fù)LPDDR4正常供電電壓的快捷操作，相當(dāng)于將LPDDR4芯片的供電電壓恢復(fù)出廠設(shè)置。

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

3 控制軟件設(shè)計

3.1 控制軟件總體設(shè)計

RT-Thread是一個國產(chǎn)嵌入式實時多線程操作系統(tǒng)，系統(tǒng)完全開源，它不僅僅是一個實時內(nèi)核，還具備豐富的中間層組件，包括如文件系統(tǒng)、圖形庫等較為完整的中間件組件[4]，學(xué)習(xí)資料豐富，方便系統(tǒng)裁剪，適用于需要快速進(jìn)行嵌入式軟件開發(fā)的場合。

本文在STM 32單片機上采用嵌入式實時系統(tǒng)RT-T h r e a d進(jìn)行控制軟件的開發(fā)，多任務(wù)同步執(zhí)行，確保各種外設(shè)快速響應(yīng)任務(wù)并穩(wěn)定工作[5]。

根據(jù)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(shè)計

串口處理線程用于與SoC芯片進(jìn)行通信。SoC 芯片作為主動方，STM32單片機作為被動方。SoC發(fā)送查詢命令，STM32將通過串口將當(dāng)前的LPDDR4 各組供電電壓信息返回；SoC發(fā)送設(shè)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(diào)整成SoC設(shè)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(diào)整為正常電壓（VDD1=1.8 V，VDD2=1.1 V，VDDQ=1.1 V/0.6 V），相當(dāng)于恢復(fù)出廠設(shè)置的功能。

觸摸屏和液晶顯示線程使用SPI總線來設(shè)置液晶的顯示內(nèi)容，并能夠讀取觸摸屏的動作信息，用于調(diào)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(shè)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(diào)整LPDDR4的供電電壓。

本文聲明了一個名叫voltage的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)容僅根據(jù)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(jìn)行修改，這里用到了RT-Thread操作系統(tǒng)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(nèi)核對象，線程可以獲取或釋放它，從而達(dá)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(nèi)容。某個線程訪問和修改全局變量lpddr4_vol完畢后，應(yīng)該及時釋放信號量sem，以便其他的線程可以擁有l(wèi)pddr4_vol 的使用權(quán)。類似的，電源管理線程也需要獲取到信號量sem，才能根據(jù)lpddr4_vol的內(nèi)容去更新電源管理芯片的三組輸出電壓值，達(dá)到調(diào)整LPDDR4芯片供電電壓的目的。本文中三個可以調(diào)整電壓的線程通過操作系統(tǒng)的消息隊列來將電壓調(diào)整命令傳遞給電源管理線程。消息隊列是RT-Thread操作系統(tǒng)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(wù)例程中不固定長度的消息，并把消息緩存在自己的內(nèi)存空間中。其他線程也能夠從消息隊列中讀取相應(yīng)的消息，而當(dāng)消息隊列是空的時候，可以掛起讀取線程。當(dāng)有新的消息到達(dá)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(jié)束語

本文針對LPDDR4芯片系統(tǒng)測試的實際需求，提出了低成本的實現(xiàn)方案。該方案可以很方便地移植到不同的支持LPDDR4內(nèi)存的SoC芯片系統(tǒng)上，能夠快速進(jìn)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(jié)約測試設(shè)備維護(hù)成本和人力成本。