環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口的高效測(cè)試結(jié)構(gòu)

張 玲，鄺繼順

（1.江西財(cái)經(jīng)大學(xué)軟件與物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，南昌 330013；2.湖南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082）

0 引言

測(cè)試功耗過(guò)高、測(cè)試集規(guī)模過(guò)大和由其引起的測(cè)試應(yīng)用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題是數(shù)字集成電路成本高的主要原因。如何降低集成電路測(cè)試數(shù)據(jù)規(guī)模和測(cè)試功耗成為富有挑戰(zhàn)性的研究熱點(diǎn)［1］。好的測(cè)試結(jié)構(gòu)能以合理的硬件代價(jià)、較短的測(cè)試數(shù)據(jù)移位路徑實(shí)現(xiàn)對(duì)集成電路（Integrated Circuit，IC）內(nèi)部結(jié)點(diǎn)的“觀(guān)察”和“控制”，將電路多個(gè)測(cè)試需求統(tǒng)一，獲得較好的測(cè)試效果。測(cè)試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是個(gè)老問(wèn)題，也一直是集成電路測(cè)試的關(guān)鍵問(wèn)題。

掃描測(cè)試是數(shù)字集成電路測(cè)試方案的基本手段，它通過(guò)將時(shí)序電路中的全部或部分時(shí)序單元設(shè)置成掃描單元來(lái)控制和觀(guān)察相應(yīng)電路結(jié)點(diǎn)的值。直鏈結(jié)構(gòu)是最早提出的通用掃描結(jié)構(gòu)，單直鏈結(jié)構(gòu)［2］將電路中的觸發(fā)器串聯(lián)成單獨(dú)掃描鏈，由于其測(cè)試數(shù)據(jù)移位路徑較長(zhǎng)，移位時(shí)間和能耗都比較大；多掃描直鏈結(jié)構(gòu)［3］將單掃描鏈分成多個(gè)較短的直鏈，用較多的測(cè)試端口換取測(cè)試應(yīng)用時(shí)間的減少和測(cè)試移位路徑的縮短，但測(cè)試數(shù)據(jù)規(guī)模沒(méi)有變化。為降低測(cè)試功耗和減小測(cè)試集規(guī)模，針對(duì)測(cè)試集的優(yōu)化方法通過(guò)低功耗的測(cè)試產(chǎn)生算法［4］，掃描鏈重排序技術(shù)［5］和無(wú)關(guān)位的填充［6］等來(lái)獲得測(cè)試功耗的降低和測(cè)試集規(guī)模的減小；針對(duì)直鏈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要通過(guò)掃描鏈的阻塞和重組［7］或阻隔掃描單元［8］來(lái)獲得測(cè)試功耗的降低［9］。循環(huán)掃描結(jié)構(gòu)［10］在直鏈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上首尾相連，其設(shè)計(jì)初衷是為電路建立自測(cè)試結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)零存儲(chǔ)測(cè)試，它可以獲得傳統(tǒng)線(xiàn)性反饋移位寄存器自測(cè)試結(jié)構(gòu)的效果，卻有著普通直鏈相當(dāng)?shù)挠布鷥r(jià)［11］。循環(huán)掃描結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的重用，因此它不僅可充當(dāng)移動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)的通路實(shí)現(xiàn)確定性測(cè)試，而且可實(shí)現(xiàn)測(cè)試響應(yīng)作為下個(gè)測(cè)試向量的測(cè)試模式［12］，但其功耗沒(méi)有降低。隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)掃描（Random Access Scan，RAS）結(jié)構(gòu)［13］可像隨機(jī)存儲(chǔ)器那樣根據(jù)地址隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)電路中的掃描單元，因此它提供了一種理想的可測(cè)試結(jié)構(gòu)，理論上其測(cè)試時(shí)間和功耗問(wèn)題都能得到較大改善；但電路中觸發(fā)器的分布隨機(jī)，硬件代價(jià)非常大，布線(xiàn)難以實(shí)現(xiàn)。針對(duì)RAS 的多數(shù)工作都是在如何減少硬件代價(jià)上［14］。

為改善測(cè)試結(jié)構(gòu)本身導(dǎo)致的移位功耗，設(shè)計(jì)低功耗的測(cè)試結(jié)構(gòu)，我們前期提出的代表掃描結(jié)構(gòu)［9］將電路中的觸發(fā)器分成多個(gè)環(huán)形鏈，為每個(gè)環(huán)形鏈遴選一個(gè)“代表”，這些代表組成測(cè)試數(shù)據(jù)的移位路徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的分級(jí)管理，降低了測(cè)試移位功耗；但由于該結(jié)構(gòu)的環(huán)形鏈和代表組成的代表鏈共用測(cè)試端口，它最大的缺點(diǎn)就是相對(duì)于直鏈結(jié)構(gòu)，測(cè)試時(shí)間會(huì)有所損失，假設(shè)電路中有x個(gè)環(huán)形鏈，則每個(gè)測(cè)試向量的應(yīng)用會(huì)有x個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間損失。為克服該缺陷，并進(jìn)一步降低測(cè)試移位功耗，本文提出環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口的測(cè)試結(jié)構(gòu)RRR Scan，該結(jié)構(gòu)將電路中的觸發(fā)器設(shè)計(jì)成多個(gè)環(huán)形鏈，并串聯(lián)環(huán)形鏈成為測(cè)試數(shù)據(jù)通路，實(shí)現(xiàn)測(cè)試端口的輪詢(xún)復(fù)用。環(huán)形鏈的環(huán)形移位模式具有測(cè)試數(shù)據(jù)重用的特性，可以減小測(cè)試數(shù)據(jù)規(guī)模；而其輪詢(xún)復(fù)用則縮短了測(cè)試數(shù)據(jù)的移位路徑，具有低功耗的特性。該結(jié)構(gòu)除具有通用掃描結(jié)構(gòu)的所有性質(zhì)外，本身還具有低功耗、數(shù)據(jù)重用的特性，靈活性大大增加。

1 環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口的測(cè)試結(jié)構(gòu)

1.1 環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口的結(jié)構(gòu)原理

圖1 給出環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口的結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)包含n個(gè)環(huán)形鏈，測(cè)試時(shí)，環(huán)形鏈可工作于三種模式：直鏈掃描模式、隱身模式和環(huán)形移位模式。當(dāng)為第i個(gè)環(huán)形鏈傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)，則該環(huán)形鏈處于直鏈掃描模式，其他環(huán)形鏈處于隱身模式（數(shù)據(jù)流向見(jiàn)圖中虛線(xiàn)）。相對(duì)于傳統(tǒng)直鏈來(lái)說(shuō)，該結(jié)構(gòu)較大地縮短了測(cè)試數(shù)據(jù)的移位路徑，因此降低了測(cè)試移位功耗。對(duì)于每個(gè)環(huán)形鏈來(lái)說(shuō)，可工作于環(huán)形移位模式，因此可實(shí)現(xiàn)測(cè)試響應(yīng)作為下個(gè)測(cè)試向量的測(cè)試模式，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試數(shù)據(jù)的重用。該結(jié)構(gòu)根據(jù)電路觸發(fā)器的物理分布布線(xiàn)，將物理上相近的觸發(fā)器設(shè)置在一個(gè)環(huán)形鏈中，并根據(jù)測(cè)試端口個(gè)數(shù)將這些環(huán)形鏈串聯(lián)成多個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)通路，不會(huì)產(chǎn)生較大的布線(xiàn)代價(jià)。但是，如何實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)，并以較小的硬件代價(jià)對(duì)該結(jié)構(gòu)的工作過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確控制是關(guān)鍵，也是難點(diǎn)。

圖1 環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口結(jié)構(gòu)的示意圖Fig.1 Schematic diagram of RRR Scan architecture

1.2 結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

為以較小的硬件實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)，本文將電路中的觸發(fā)器設(shè)計(jì)成同樣結(jié)構(gòu)的環(huán)，見(jiàn)圖2，設(shè)該結(jié)構(gòu)包含n個(gè)環(huán)形鏈，每個(gè)環(huán)形鏈包含x個(gè)觸發(fā)器，還剩下m個(gè)掃描單元（m＜x），環(huán)形鏈i包含的觸發(fā)器編號(hào)依次為FFi1，F(xiàn)Fi2，…，F(xiàn)Fix，對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)表示為CLOCKi，測(cè)試主路徑（Main path，Mp）在圖中用虛線(xiàn)給出。環(huán)形鏈中的掃描單元與傳統(tǒng)掃描單元一樣，由Scan_Enable（SE）使能，只需在環(huán)形鏈i的入口掃描單元FFi1上增加一個(gè)二選一選擇器，用來(lái)選擇來(lái)自外部的測(cè)試數(shù)據(jù)（Mp上的數(shù)據(jù)）和來(lái)自?huà)呙桄湵旧淼臏y(cè)試數(shù)據(jù)，在出口掃描單元FFix上增加一個(gè)二選一選擇器，用來(lái)選擇來(lái)自環(huán)形鏈的測(cè)試數(shù)據(jù)或來(lái)自外部的測(cè)試數(shù)據(jù)（Mp的測(cè)試數(shù)據(jù)）。

表1 給出了環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用端口的測(cè)試結(jié)構(gòu)的工作模式（圖中X 表示無(wú)關(guān)位，其值可以為0 或?yàn)?）。如表1 所示，SE=0 時(shí)，該電路工作于功能模式（Functional mode），如表中第一行所示。SE=1時(shí)，電路處于測(cè)試模式，以圖2中的環(huán)i來(lái)說(shuō)明，Ci1=0，Ci2=1，則FFi1選擇來(lái)自Main path（Mp）上的數(shù)據(jù)，即Oi1=Mp=Scan_in；而對(duì)于FFix來(lái)說(shuō)，Ci2=1，它被Main path 選擇，即Oi3=Oi2，此時(shí)環(huán)i工作于直鏈掃描模式（Linear scan mode），如表中第二行所示。Ci1=1，Ci2=1，則FFi1選擇來(lái)自FFix的數(shù)據(jù)，即Oi1=Oi2；而對(duì)于FFix來(lái)說(shuō)，Ci2=1，它被Main path選擇，即Oi3=Oi2，此時(shí)環(huán)i工作于循環(huán)移位模式（Ring shift scan mode），實(shí)現(xiàn)了測(cè)試響應(yīng)作為下個(gè)測(cè)試向量的測(cè)試模式，如表中第三行所示。Ci2=0，對(duì)于FFix來(lái)說(shuō)，Oi3=Scan_in，所以Ci1無(wú)論為什么值（用x表示），環(huán)形鏈均被隱藏，此時(shí)環(huán)i工作于隱身模式（Stealth scan mode），實(shí)現(xiàn)了測(cè)試數(shù)據(jù)移位路徑的縮短，如表中第四行所示。

圖2 環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口的一個(gè)測(cè)試通路結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of one test access of RRR Scan

表1 工作和掃描模式的控制Tab.1 Control of work and scan modes

圖3 給出包含11 個(gè)觸發(fā)器的掃描通路的例子，11 個(gè)觸發(fā)器被分到3 個(gè)環(huán)形鏈中，其中每個(gè)環(huán)形鏈包含3 個(gè)觸發(fā)器，觸發(fā)器編號(hào)如圖3 所示，從右到左分別為第0 個(gè)環(huán)形鏈（由觸發(fā)器FF01、FF02、FF03組成）、第1 個(gè)觸發(fā)器（F11、FF12、FF13組成）和第2個(gè)環(huán)形鏈（由觸發(fā)器FF21、FF22、FF23組成）。作為通用掃描結(jié)構(gòu)，假設(shè)其任意兩個(gè)相鄰測(cè)試向量為V1和V2，對(duì)應(yīng)測(cè)試響應(yīng)為R1，R2，其中：V2對(duì)應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)為（V21，V22，V23，V11，V12，V13，V01，V02，V03，V0），它們分別對(duì)應(yīng)觸發(fā)器FF21，F(xiàn)F22，F(xiàn)F23，F(xiàn)F11，F(xiàn)F12，F(xiàn)F13，F(xiàn)F01，F(xiàn)F02，F(xiàn)F03的測(cè)試數(shù)據(jù)；V1對(duì)應(yīng)測(cè)試響應(yīng)數(shù)據(jù)為（R21，R22，R23，R11，R12，R13，R01，R02，R03，R0），分別對(duì)應(yīng)觸發(fā)器為FF21，F(xiàn)F22，F(xiàn)F23，F(xiàn)F11，F(xiàn)F12，F(xiàn)F13，F(xiàn)F01，F(xiàn)F02，F(xiàn)F03的測(cè)試響應(yīng)。其具體工作過(guò)程在表2中給出。

圖3 環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口結(jié)構(gòu)的例子Fig.3 Example of RRR Scan

如表2 所示：第一列表示測(cè)試時(shí)間，單位為時(shí)鐘周期；第二、三、四列分別表示三個(gè)環(huán)形鏈的掃描模式；最后一列為測(cè)試數(shù)據(jù)的應(yīng)用過(guò)程。如表1 所示，在第一個(gè)時(shí)鐘周期，為了將直鏈上的測(cè)試數(shù)據(jù)送入，并將測(cè)試響應(yīng)移出，三個(gè)環(huán)的第3 個(gè)掃描單元的選擇器C22、C12、C02均為0，即都選擇來(lái)自數(shù)據(jù)通路Mp上的數(shù)據(jù)，處于隱身模式，它們的時(shí)鐘CLOCK 均為0，處于維持狀態(tài)，此時(shí)完成掃描單元F0的測(cè)試數(shù)據(jù)R0的移出和V0的移入，如表中第二行所示。

表2 環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口結(jié)構(gòu)工作過(guò)程的一個(gè)例子Tab.2 One operation example of RRR Scan

在第2～4 個(gè)時(shí)鐘周期，對(duì)于環(huán)形鏈0 來(lái)說(shuō)，它的第1 個(gè)掃描單元的選擇器的控制信號(hào)C01=0，所以選擇器輸出O01=Scan_in；它的第3 個(gè)掃描單元選擇器的控制信號(hào)C02=1，因此輸出O03=O02，即該環(huán)被展開(kāi)，并串到鏈上；對(duì)應(yīng)時(shí)鐘CLOCK0等于掃描時(shí)鐘clk，環(huán)0工作于直鏈模式；C22、C12均為0，因此環(huán)1 和環(huán)2 依舊工作于隱身模式，保持?jǐn)?shù)據(jù)。這3 個(gè)時(shí)鐘周期為環(huán)0傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)，完成測(cè)試響應(yīng)R01、R02、R03移出和測(cè)試向量V01、V02、V03的移入，如表第三行所示。

在第5～7個(gè)時(shí)鐘，環(huán)形鏈1的第一個(gè)掃描觸發(fā)器的選擇器控制信號(hào)C11=0，對(duì)應(yīng)輸出O11=Scan_in；第三個(gè)掃描單元控制信號(hào)O12=1，對(duì)應(yīng)輸出O13=O12；對(duì)應(yīng)時(shí)鐘CLOCK1等于掃描時(shí)鐘clk，環(huán)1 工作在直鏈模式；C22，C02均為0，因此環(huán)0 和環(huán)2 工作于隱身模式，此3 個(gè)周期為環(huán)1 傳送測(cè)試數(shù)據(jù)，完成測(cè)試響應(yīng)R11、R12、R13移出和測(cè)試向量V11、V12、V13的移入，如表中第四行所示。

在第8～10 個(gè)時(shí)鐘周期，第2 個(gè)環(huán)形鏈第一個(gè)掃描單元的選擇器控制信號(hào)C21=0，對(duì)應(yīng)輸出O21=Scan_in；第三個(gè)掃描單元控制信號(hào)C22=1，對(duì)應(yīng)輸出O23=O22；對(duì)應(yīng)時(shí)鐘CLOCK2等于掃描時(shí)鐘clk，環(huán)2 工作于直鏈模式；C12、C02均為0，環(huán)1 和環(huán)0 工作于隱身模式，此3 個(gè)周期為環(huán)2 傳送測(cè)試數(shù)據(jù)，完成測(cè)試響應(yīng)R21、R22、R23的移出和測(cè)試向量V21、V22、V23的移入，如表中第五行所示。

除可用于通用測(cè)試結(jié)構(gòu)外，由于每個(gè)環(huán)形鏈可工作于環(huán)形移位模式，該結(jié)構(gòu)還可用于數(shù)據(jù)壓縮場(chǎng)合。用于數(shù)據(jù)壓縮時(shí)，環(huán)形鏈工作于環(huán)形移位模式，測(cè)試響應(yīng)在移出掃描鏈的同時(shí)，還傳送給掃描鏈作為下個(gè)測(cè)試向量使用。另外，該結(jié)構(gòu)將物理上相近的觸發(fā)器設(shè)置在同一個(gè)環(huán)形鏈中，再將這些環(huán)形鏈根據(jù)測(cè)試端口個(gè)數(shù)分配到不同的測(cè)試通路中去，不會(huì)增加較多的布線(xiàn)代價(jià)，但布線(xiàn)問(wèn)題和測(cè)試壓縮的具體應(yīng)用不屬于本文討論范圍，本文主要討論具有數(shù)據(jù)重用和低功耗性質(zhì)的通用測(cè)試結(jié)構(gòu)。

2 環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口結(jié)構(gòu)的分析

2.1 控制方式和實(shí)施方式

設(shè)該結(jié)構(gòu)包含n個(gè)環(huán)形鏈，每個(gè)環(huán)形鏈具有x個(gè)掃描單元，還剩m(m＜x)個(gè)掃描單元直接設(shè)置于Mp 上，則這n個(gè)環(huán)形鏈輪詢(xún)地使用測(cè)試端口（test pin），而其他環(huán)形鏈工作于保持模式，其時(shí)序控制在圖4中給出。圖4給出了一個(gè)測(cè)試向量的移入和其上個(gè)測(cè)試響應(yīng)的移出過(guò)程，其中clk 為掃描時(shí)鐘，CLOCKn，CLOCKn-1，…，CLOCK1分別為第n個(gè)環(huán)形鏈、第n-1個(gè)環(huán)形鏈，…，第1個(gè)環(huán)形鏈的時(shí)鐘。

如圖4 所示，其具體時(shí)序描述如下：經(jīng)過(guò)m個(gè)時(shí)鐘，將直鏈上的測(cè)試數(shù)據(jù)移入和移出；在下x個(gè)周期內(nèi)，為環(huán)形鏈n移入測(cè)試數(shù)據(jù)，并移出測(cè)試響應(yīng)，此時(shí)，環(huán)形鏈n的時(shí)鐘CLOCKn=clk，其工作于直鏈模式，而其他環(huán)形鏈的時(shí)鐘控制信號(hào)為0，工作于隱身模式；在下x個(gè)周期內(nèi)，再以同樣的方式為環(huán)形鏈(n-1)分配測(cè)試數(shù)據(jù)和移出測(cè)試響應(yīng)，直到完成n個(gè)環(huán)形鏈的測(cè)試數(shù)據(jù)的分配和移出，即完成了一個(gè)測(cè)試向量的應(yīng)用和測(cè)試響應(yīng)的移出。從該時(shí)序圖中可以看出，該結(jié)構(gòu)中的每個(gè)環(huán)形鏈的時(shí)鐘控制信號(hào)CLOCKi是一組完全相同的信號(hào)，它們很容易從掃描時(shí)鐘信號(hào)clk 中獲得，而無(wú)須增加額外的測(cè)試端口。

圖4 環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口測(cè)試結(jié)構(gòu)控制時(shí)序圖Fig.4 Control sequence diagram of RRR Scan

2.2 測(cè)試功耗和代價(jià)分析

與代表掃描結(jié)構(gòu)［9］不同，該結(jié)構(gòu)直接將不參與移位的環(huán)形鏈屏蔽掉，因此移位功耗的降低與屏蔽掉的路徑的長(zhǎng)度有關(guān)，屏蔽掉的掃描單元越多，則測(cè)試數(shù)據(jù)移位時(shí)產(chǎn)生的功耗越低。與文獻(xiàn)［9］一樣，先假設(shè)任意兩個(gè)掃描單元之間的測(cè)試向量和測(cè)試響應(yīng)均存在跳變，則可反映任意位置可能發(fā)生的跳變，并用Matlab對(duì)此關(guān)系進(jìn)行了分析，其中所有電路均被設(shè)置成一個(gè)測(cè)試通路（多個(gè)測(cè)試通路的分析方法相同）。

圖5 給出針對(duì)電路S5378 和S9234 的分析結(jié)果，其中橫軸x表示環(huán)形鏈的大小，縱軸表示總的移位功耗（用總的跳變數(shù)WTC 計(jì)算［9］），圖中給出了掃描直鏈（Pcon）、代表掃描鏈結(jié)構(gòu)（Prp）和本文提出環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口的測(cè)試結(jié)構(gòu)（Prtm）的功耗結(jié)果。

圖5 移位功耗曲線(xiàn)圖Fig.5 Curve of shifting power consumption

從圖5可以看出，傳統(tǒng)直鏈的功耗與x無(wú)關(guān)，為固定值；對(duì)于代表掃描鏈，其功耗隨環(huán)形鏈x的增大呈先降低后升高的趨勢(shì)，因此存在功耗最低點(diǎn)；對(duì)于本文提出的環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其功耗隨著x的增大而升高，一個(gè)極端情況，掃描通路中的所有掃描單元組成一個(gè)環(huán)形鏈，這時(shí)該結(jié)構(gòu)就成了著名的循環(huán)掃描結(jié)構(gòu)［10］；而另一個(gè)極端，x=1，即每個(gè)掃描單元本身就是一個(gè)環(huán)形鏈，每個(gè)掃描單元都能被隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)，該結(jié)構(gòu)就成了隨機(jī)掃描結(jié)構(gòu)（RAS）［13］。而在所有情況下，相對(duì)于傳統(tǒng)掃描直鏈結(jié)構(gòu)和代表掃描結(jié)構(gòu)，環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試結(jié)構(gòu)都能獲得較低的測(cè)試功耗。除此之外，所有環(huán)形鏈均可工作在環(huán)形移位工作模式，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試響應(yīng)作為下個(gè)測(cè)試向量的測(cè)試模式，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試數(shù)據(jù)的重用。

實(shí)際上，我們對(duì)所有的ISCAS89 大時(shí)序電路以及ITC99電路進(jìn)行了分析，所有移位功耗都是隨著環(huán)形鏈x的增大而增大，且它們的移位功耗曲線(xiàn)變化的規(guī)律完全相同，這是因?yàn)楸窘Y(jié)構(gòu)中環(huán)形鏈大小的變化均是由1 到其最大值。當(dāng)環(huán)形鏈為1 時(shí)，可隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)每個(gè)掃描單元，功耗最小，但其布線(xiàn)較復(fù)雜，所需的選擇器較多；而當(dāng)環(huán)形鏈達(dá)到其最大值時(shí)，即測(cè)試通路成為一個(gè)大的環(huán)形鏈，其移位路徑最長(zhǎng)，相應(yīng)的移位功耗也最大。而其他的移位功耗均位于兩個(gè)極端條件之間，在假設(shè)條件一致的情況下，它們的變化規(guī)律也會(huì)完全一致。從硬件結(jié)構(gòu)上來(lái)看，相對(duì)于傳統(tǒng)的直鏈結(jié)構(gòu)，環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口的測(cè)試結(jié)構(gòu)在硬件代價(jià)有所增加，其硬件代價(jià)在于每增加一個(gè)環(huán)形鏈，會(huì)增加兩個(gè)二選一選擇器；相對(duì)于代表掃描結(jié)構(gòu)［9］每個(gè)掃描單元都增加一個(gè)選擇器來(lái)說(shuō)，其硬件代價(jià)大大減小。布線(xiàn)代價(jià)上來(lái)看，該結(jié)構(gòu)可將物理上相近的掃描單元設(shè)置于一個(gè)環(huán)形鏈，可結(jié)合電路本身掃描單元的布局獲得優(yōu)化的布線(xiàn)結(jié)構(gòu)。從時(shí)延上來(lái)看，由于屏蔽了部分環(huán)形鏈，因此測(cè)試數(shù)據(jù)的移位路徑長(zhǎng)度有所縮短，即其掃描鏈長(zhǎng)度有所減小，時(shí)延有所減小。測(cè)試時(shí)間上來(lái)看，環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口的測(cè)試應(yīng)用時(shí)間與傳統(tǒng)掃描直鏈一樣，而對(duì)于代表掃描結(jié)構(gòu)，假設(shè)測(cè)試數(shù)據(jù)通路包含n個(gè)環(huán)形鏈，則每個(gè)測(cè)試向量多出n個(gè)時(shí)鐘周期的損耗。

由此可見(jiàn)，相對(duì)于傳統(tǒng)直鏈掃描結(jié)構(gòu)和循環(huán)掃描結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提供了更大的靈活性。該結(jié)構(gòu)可以通過(guò)環(huán)形鏈的大小來(lái)平衡硬件代價(jià)和移位功耗之間的約束，在對(duì)面積要求比較高的電路中，可以將環(huán)形鏈大小x設(shè)置得較大，從而在獲得較低測(cè)試功耗的同時(shí)，減小硬件代價(jià)；而在對(duì)功耗要求比較高的電路中，可以將環(huán)形鏈大小x設(shè)置得較小，從而在合理的硬件代價(jià)下獲得較高的測(cè)試功耗的節(jié)約。而相對(duì)于代表掃描結(jié)構(gòu)，相同條件下，該結(jié)構(gòu)均可通過(guò)較低的硬件代價(jià)減少更多的測(cè)試功耗。

3 實(shí)驗(yàn)和分析

本文對(duì)傳統(tǒng)掃描直鏈、代表掃描結(jié)構(gòu)［9］及本文提出的代表掃描鏈在Intel Pentium 2.13 Hz CPU，2.93 GB 內(nèi)存的Linux C 環(huán)境下進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)ISCAS89 時(shí)序電路的mintest 測(cè)試集［15］進(jìn)行了測(cè)試，假設(shè)單個(gè)測(cè)試端口（多個(gè)測(cè)試端口分析相同）從移位寄存器大小為1 到大小為N（N為掃描直鏈的所有掃描單元的個(gè)數(shù)）之間進(jìn)行計(jì)算，功耗比較結(jié)果如表3 所示。其中：第一列和第二列分別為電路名稱(chēng)和其包含的觸發(fā)器個(gè)數(shù)（FF），假設(shè)電路僅一個(gè)測(cè)試端口，因此被設(shè)置為全掃描的單個(gè)測(cè)試通路；第三列給出了掃描直鏈結(jié)構(gòu)的總移位功耗P_sa；第四、五、六列分別給出代表掃描結(jié)構(gòu)［9］的功耗最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的x的值、最優(yōu)功耗R_sa 和其相對(duì)于傳統(tǒng)直鏈所降低的移位功耗的比率sag1，其中sag1=(P_sa-R_sa)/P_sa；第七、八列給出了環(huán)形鏈復(fù)用測(cè)試端口測(cè)試結(jié)構(gòu)的功耗結(jié)果，其中第七列給出該結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于代表掃描結(jié)構(gòu)的功耗最低點(diǎn)x的功耗，第八列為其相對(duì)傳統(tǒng)直鏈所減少的移位功耗比率sag2，其中sag2=（P_sa-M_sa）/P_sa；最后一列為本文提出的環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口的測(cè)試結(jié)構(gòu)的功耗M_sa相對(duì)代表掃描結(jié)構(gòu)的功耗R_sa降低的移位功耗比率，其中sag=（M_sa-R_sa）/M_sa。

從表3 中可以看出，相對(duì)于傳統(tǒng)掃描直鏈，代表掃描結(jié)構(gòu)和環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口的測(cè)試結(jié)構(gòu)均較大程度地降低了功耗，對(duì)于S13207 來(lái)說(shuō)，其環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口的測(cè)試功耗降低比率為99.58%；另一方面可以看出，代表掃描結(jié)構(gòu)的功耗最低點(diǎn)，環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口的測(cè)試結(jié)構(gòu)都獲得了較低的移位功耗，對(duì)于S38584 電路來(lái)說(shuō)，其功耗最低點(diǎn)的減少比率為47.30%。

表3 測(cè)試移位功耗比較Tab.3 Comparison of test shifting power consumption

4 結(jié)語(yǔ)

測(cè)試集規(guī)模過(guò)大和測(cè)試功耗過(guò)高是數(shù)字集成電路測(cè)試的巨大挑戰(zhàn)，優(yōu)化的通用測(cè)試結(jié)構(gòu)不僅可以獲得較好的測(cè)試效果，而且可以減小功耗和測(cè)試集規(guī)模。本文提出環(huán)形鏈輪詢(xún)復(fù)用測(cè)試端口的測(cè)試結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將掃描單元設(shè)置到多個(gè)環(huán)形移位寄存器中，環(huán)形移位寄存器可工作于直鏈模式、環(huán)形移位模式和隱身模式，縮短測(cè)試數(shù)據(jù)的移位路徑，可實(shí)現(xiàn)測(cè)試響應(yīng)作為下個(gè)測(cè)試向量的測(cè)試模式，降低了測(cè)試移位功耗，同時(shí)可用于測(cè)試壓縮，因此是一種本身具有低功耗和測(cè)試集重用的通用測(cè)試結(jié)構(gòu)。理論和實(shí)驗(yàn)均表明，該結(jié)構(gòu)克服了代表掃描測(cè)試時(shí)間增大的缺陷，是一種低端口、低功耗、可測(cè)試數(shù)據(jù)重用的通用測(cè)試結(jié)構(gòu)，不會(huì)增加額外的測(cè)試端口，布線(xiàn)代價(jià)合理。本文下一步工作是將該結(jié)構(gòu)用于測(cè)試壓縮中，獲得較小的測(cè)試集規(guī)模。