基于物聯網高安全MCU芯片的回樣驗證

沈志春，夏 玥，農凱政，劉心舸，吳欣延

（珠海晶通科技有限公司，廣東 珠海 519000）

1 芯片開發的流程

如圖1所示，在IC研發流程中，驗證應在開發階段之后發布階段之前結束，因為在開發階段完成后可以盡可能還原芯片真實使用場景，達到充分驗證芯片功能的目的，此時的修改和調整都比較容易，可以確保各個功能模塊的可靠性和穩定性，能夠提高芯片的整體性能。同時也可以在此階段進行預售演示給客戶看，從而節省大量成本[1]。

圖1 芯片開發流程圖

芯片開發總體流程劃分為以下4個階段。

1.1 計劃階段

以MCU芯片為案例，我們需要根據客戶需求制定MCU芯片的《項目需求表》并與研發部一起進行項目評估，確保項目需求完整、準確和明晰。項目評估之后由立項建議小組和立項評審小組進行項目評審，記錄立項評審論證、立項評審小組意見和結論，并輸出《項目評審報告》。如果通過則召開立項會議并輸出《立項報告》，主要涉及內容包括：立項目的、項目研發背景、項目研發目標、項目技術方案、創新點、主要達成技術指標、經濟指標、經費概算、項目組主要研發人員及職責、項目研發工作進度安排、預期研發成果、確定工藝、是否多項目流片MPW及時間點、工程片及流片時間等。依據MCU芯片的各模塊功能或其相關的協議標準，評審各個模塊特征功能描述是否合理、是否符合客戶要求的規格、其MCU內部工作流程或者狀態機是否合理、芯片內部寄存器等技術關鍵點是否表達正確、是否達到業界標準。

1.2 開發階段

研發人員根據計劃階段所輸出的MCU芯片的《項目需求表》確定芯片的整體架構，根據MCU芯片的《邏輯需求說明》明確設計規則，明確功能特點，明確MCU芯片接口時序關系。架構師設計出整體結構圖并對每部分簡要描述，簡述前后模塊關系，簡述子模塊劃分原則及功能，從整體結構及處理過程分析是否可以低功耗設計，考慮模塊是否可以復用。數字前端工程師根據詳細設計說明編寫代碼并驗證通過，用設計編譯器（Design Complier）將代碼編譯成電路網表，然后再用物理實現工具，如ICC工具，對芯片的電路網表按照相關要求進行布局布線PR（Place Route）設計。模擬電路工程師根據設計要求設計相關的模擬電路，然后再進行模擬版圖設計，最后進行芯片整個頂層的集成，驗證通過后便完成芯片的設計[2]。

1.3 驗證階段

依據spec，從功能、性能、可靠性方面編寫驗證方案，確定測試場景，保證驗證覆蓋率滿足要求，并組織相關設計人員進行評審。然后再編寫驗證代碼，設計驗證電路，完成驗證方案所有驗證項目。發現bug及時向設計人員反饋，并與設計人員共同查找bug，評估bug影響范圍，最后整理驗證報告，發出評審。在這里我們特意以控制器與I2C總線之間的數據傳輸為案例。根據項目的詳細功能特性表提取的功能點如下：兼容主模式和從模式；自動結束模式（主模式）；軟件結束模式（主模式）；主模式發送重復起始位，從模式識別重復起始位；字節重載模式；允許時鐘延長（從模式）；不允許時鐘延長（從模式）；字節控制模式（從模式）；發送數據功能和接收數據功能；主時鐘生成功能；從時鐘延長功能；時序寄存器中配置的各種時間計數器；起始位與停止位的時序約束；可調節濾波脈沖寬度的數字濾波器功能；仲裁功能；幾種錯誤模式（上溢/下溢、仲裁失敗、總線錯誤）；寄存器讀寫測試；各種中斷事件。以上就是本次提取到的所有功能點，后續搭建的所有的測試用例都會以上述的功能點為基礎。搭建測試用例的目標就是覆蓋上述所有的功能點并讓試圖全部驗證通過這些功能點。

1.4 發布階段

發布階段主要包括兩方面。一方面解決芯片生產過程中出現良率低及測試不穩定問題，例如，測試過程中如果發現良率低于目標值則需要找出原因并分析改進，優化其設計；如果測試過程不穩定，則查找原因，檢查是否是測試程序或者測試平臺有問題，是否是生產芯片工藝有問題，是否是芯片中本身設計或者IP有問題等。

另一方面解決客戶壞片問題，分析應用過程中出現的問題。如果在給客戶試用的芯片中出現壞片問題和應用過程中出現問題，技術支持人員應現場提供技術支持，找出問題：是否是芯片本身有問題，或者是客戶由于使用不當等引起的問題。如果沒有以上的問題，芯片可以發布量產上市。

2 芯片回樣驗證的內容

為了進一步說明驗證芯片可靠性，為應用場景提供技術指導，為此，本文從以下幾個方面對芯片驗證內容加以說明。

（1）寄存器驗證。寄存器驗證主要驗證相關模塊所分配寄存器默認值是否正確，讀寫功能是否正常等。以本項目I2C總線從機尋址為例：根據I2C總線的地址（Addressing）寄存器狀態，從機可以支持7位（bit）或者10位（bit）尋址過程，從機地址由Addressing寄存器定義，對于10bit從機地址應用，即Addressing=1的情況下，要求第一字節必須以11110開頭；而在Addressing=0的情況下，如果從機收到了11110開頭的地址字節，也會置位ADDR_ERROR錯誤標志。

（2）功能驗證。功能驗證主要依據模塊詳細設計書所列功能，編寫相應代碼，配置相關寄存器，驗證相關功能（包括時鐘選擇、復位、中斷等）是否正常。以I2C從機接收數據這一功能為例：從機接收到地址字節（R/W=0），回發ACK，產生地址匹配中斷；由于R/W=0，硬件自動進行SCL延展，從機保持接收狀態；軟件響應中斷，查詢R/W標志，確認是從機接收；軟件讀SSPBUF，硬件自動釋放SCL，開始接收數據；主機數據字節到來，字節接收完成后硬件置位BF標志；從機回發ACK，并產生接收完成中斷；硬件自動進行SCL延展（SCLSEN=1）；軟件響應中斷，讀取SSPBUF，硬件自動清零BF標志；硬件自動釋放SCL；重復數據接收過程直到接收到STOP時序，或者軟件將ACKEN置0。

（3）性能驗證。性能驗證主要是驗證芯片性能是否滿足規格要求，或者信號質量、時序是否符合協議要求，確定在特定場景條件下，相關模塊所達到最高性能，比如，I2C接口訪問從設備時鐘頻率是否滿足400 kHz，電氣特性是否滿足相關協議要求等。相關案例見第4節回樣驗證案例參考中的I2C性能驗證。

（4）可靠性驗證，包括高溫工作壽命（HTOL）。一是發現產品中可能比較容易出現故障的零部件，以確定影響產品周期和質量的重要原因和需要采取的保障性措施；二是驗證產品在設定環境下的使用周期是否達到規格規定的要求；三是環境適應性驗證，芯片在使用壽命期間對環境條件的容忍能力。相關案例見第4節回樣驗證案例參考中的I2C可靠性驗證。本項目最大的創新點就是按照芯片在消費級、商業級、工業級等不同應用場景環境下進行可靠性驗證，提高了芯片驗證和應用的一致性和可靠性。因充分老化驗證提前發現芯片隱藏的問題而提高了產品的良率，避免了產品上市后發現問題而帶來的麻煩，節約了成本。

（5）驗證反饋。總結上述驗證結果，如果有bug，列出各模塊bug等級，與相關人員評估是否影響應用，是否能通過軟件規避，是否滿足IC規格要求，是否需要改版以解決當前bug，并給出相關模塊量產規格，最后整理驗證報告，發出評審。

各模塊bug等級分類參考：A級為致命問題，IC關鍵規格指標不達標，通過應用無法解決不達標問題，導致IC無法批量進行生產；B級為嚴重問題，IC關鍵規格指標不達標，可以通過應用彌補，對產品的功能、性能、良率等造成較大影響；C級為一般問題，IC規格指標不達標，可以通過應用彌補，對產品的功能、性能、良率等造成輕微影響；D級為輕微問題，與設計目標不符，可以通過應用彌補，但對產品的功能、性能、良率等無影響。通過以上等級分類歸類問題，可以很快速地對芯片成品進行分類以及調整修改。

3 芯片回樣驗證的目標要求

回樣驗證的總體要求就是在盡量模擬客戶的實際使用場景中，芯片依然能夠工作正常。而實際使用場景有：煉鋼廠環境下的高溫環境，海上作業的鉆井平臺所處的高濕度、強腐蝕性的環境，煤礦井下作業的強震動、需要防爆防靜電等特殊的場景。不同應用場景中回樣驗證的內容和要求就有所區別，而一般的驗證流程主要包括如何驗證芯片各模塊功能、性能是否滿足預期設計要求。本項目的MCU驗證流程不但驗證芯片各個模塊的功能、性能，而且還驗證在特殊環境中芯片的可靠性，保證芯片驗證和實際應用的一致性和芯片的穩定性。

4 芯片回樣驗證案例參考

為了模擬客戶的實際使用場景，同時為了更加清楚地表述上文中提出的5個回樣驗證的內容，為此，本文從I2C接口驗證案例里面分享芯片回樣驗證的可靠性和安全性相關內容。

I2C總線在物理連接上非常簡單，其在圖2中分別由SDA（串行數據線）和SCL（串行時鐘線）及上拉電阻組成。通信原理是通過對SCL和SDA線高低電平時序的控制，來產生I2C總線協議所需要的信號進行數據傳遞。在總線空閑狀態時，這兩根線一般被上面所接的上拉電阻拉高，保持著高電平。

圖2 I2C總線物理拓撲圖

I2C總線上的每一個設備都可以作為主設備或者從設備，而且每一個設備都會對應一個唯一的地址（可以從I2C器件的數據手冊得知），主從設備之間就通過這個地址來確定與哪個器件進行通信，在通常的應用中，我們把CPU帶I2C總線接口的模塊作為主設備，把掛接在總線上的其他設備都作為從設備。主設備可以向從設備中寫數據，也可從從設備中讀數據，如圖3所示，主設備向從設備中寫數據，然后重啟起始條件，緊接著從從設備中讀取數據；或者是主設備從從設備中讀數據，然后重啟起始條件，緊接著主設備向從設備中寫數據。I2C總線數據傳輸速率在標準模式下可達100 kbps，快速模式下可達400 kbps，高速模式下可達3.4 Mbps。同時I2C總線上的主設備與從設備之間以字節（8位）為單位進行雙向的數據傳輸。

圖3 主從設備讀寫數據圖

I2C功能驗證：在Master模式下啟動I2C，通過I2C對eeprom芯片進行讀寫測試，對比讀寫數據完全一致，表明功能驗證通過。

I2C性能驗證：如表1所示，通過分別設置I2C時鐘頻率為100 kHz和400 kHz，對芯片進行讀寫測試，用示波器抓取讀寫信號進行相關參數測量，測量數據完全符合I2C標準協議及芯片的設計目標。

表1 I2C性能驗證結果

I2C可靠性驗證：可靠性驗證是驗證芯片各模塊在客戶指定不同應用場合的環境溫度條件下，是否能正常工作一定時間，達到驗證各模塊滿足相應級別的可靠性要求如表2所示，本項目MCU芯片在消費級和商業級都符合要求，而在工業級發現了問題，經過對芯片進行優化后再重新進行驗證全都符合要求，實驗表明可靠性驗證能驗出其他驗證方法不易發現的問題，為芯片的量產提供了重要的保障。

表2 I2C可靠性驗證

5 結束語

一款芯片從立項到流片生產需要經過層層自測和驗證，芯片的質量在很大程度上依賴于驗證，驗證環節則是個特殊而重要，貫穿著芯片設計流程的始末。驗證的意義在于不斷地給設計或者實現過程提供迭代的關鍵意見，芯片回樣驗證主要是驗證芯片各模塊功能、性能、可靠性是否滿足預期設計要求，為應用場景提供技術指導；同時還可以通過各種驗證手段找出各模塊bug，協助設計者分析、解決bug問題，提供可靠的數據分析，為芯片的順利量產和上市提供重要的保障。■