【導(dǎo)讀】互連中的信號(hào)完整性損耗對(duì)于數(shù)千兆赫茲高度復(fù)雜的SoC來說是非常關(guān)鍵的問題，因此經(jīng)常在設(shè)計(jì)和測(cè)試中采用一些特殊的方法來解決這樣的問題。本文介紹如何利用片上機(jī)制拓展JTAG標(biāo)準(zhǔn)使其包含互連的信號(hào)完整性測(cè)試，從而利用JTAG邊界掃描架構(gòu)測(cè)試高速系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)的互連上發(fā)生的時(shí)延破壞。
互連中的信號(hào)完整性損耗對(duì)于數(shù)千兆赫茲高度復(fù)雜的SoC來說是非常關(guān)鍵的問題，因此經(jīng)常在設(shè)計(jì)和測(cè)試中采用一些特殊的方法來解決這樣的問題。我們認(rèn)為，完整性損耗(本文有時(shí)也稱為完整性故障)是在電壓失真(噪聲)和時(shí)延破壞(偏移)超過能接受的門限時(shí)發(fā)生的。這樣的門限取決于制造所采用的工藝技術(shù)。這種故障情況的發(fā)生有著許多不可預(yù)料的原因，包括：1. 產(chǎn)生寄生值，例如晶體管尺寸、跨導(dǎo)、門限電壓、寄生電阻/電感/電容值等等的工藝變化，以及傳輸線效應(yīng)，例如串?dāng)_、過沖、反射，電磁干擾等，這些問題都很難分析而且制造過程中會(huì)有變化的互連間耦合效應(yīng)(如耦合電容和互感)。2. SoC中開關(guān)同時(shí)切換引起的地線反彈，通常會(huì)造成噪聲余量的變化。
完整性故障模型
最被廣泛使用的模型是最大入侵方(MA)故障模型，這是許多研究人員用來對(duì)長(zhǎng)距離互連進(jìn)行串?dāng)_分析和測(cè)試的一個(gè)簡(jiǎn)化模型。如圖1所示，該模型假設(shè)在V(受害方)線上傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)受到在另外一條相鄰的A(入侵方)線上的信號(hào)/變化的影響。這種耦合影響可以用一般的耦合元件Z來概 括。一般來說這種影響的后果是噪聲(引起振鈴和功能錯(cuò)誤)和時(shí)延(引起性能降級(jí))。
本文使用了相同的模型。然而我們需要強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)何種模式會(huì)造成最大的完整性損耗仍有爭(zhēng)論。顯然傳統(tǒng)的MA模型只考慮了電容耦(couplingC)，所有的入侵方同時(shí)作相同的跳變，而受害方或保持不變(針對(duì)最大的振鈴)，或作出相反的跳變(針對(duì)最大的時(shí)延)。當(dāng)互感起作用時(shí)，一些研究人員利用其它方式(偽隨機(jī)或恒定)產(chǎn)生測(cè)試模式來形成最大的完整性損耗。雖然我們?nèi)允褂肕A模型，但測(cè)試方法并不取決于測(cè)試模式。在本文中假設(shè)測(cè)試模式已被確定，讀者可以看到它們是如何通過增強(qiáng)的JTAG架構(gòu)高效地饋入互連的。
完整性損耗傳感器(ILS)單元
由于千兆赫茲芯片中的完整性損耗已受到越來越多人的重視，一些研究人員開發(fā)出了系列片上傳感器。許多這樣的完整性損耗傳感器(ILS)的基礎(chǔ)都是放大器電路，它能夠檢查出電壓破壞和時(shí)延門限。采用D觸發(fā)器的BIST(內(nèi)置自檢)結(jié)構(gòu)被推薦用于運(yùn)放傳播時(shí)延偏差的檢測(cè)。在測(cè)試模式期間，待測(cè)試的運(yùn)放或被放置于電壓跟隨器配置中以檢測(cè)斜率偏差，或被置于比較器配置中以檢測(cè)信號(hào)傳播時(shí)延偏差。
采用IDDT和邊界掃描方法是解決總線互連缺陷的一種測(cè)試技術(shù)示。在本例中一個(gè)內(nèi)置傳感器被集成進(jìn)了系統(tǒng)中。該傳感器是一個(gè)片上電流鏡像，可以將散亂的電荷轉(zhuǎn)換成相關(guān)的測(cè)試時(shí)間。噪聲檢測(cè)器(ND)和偏移檢測(cè)器(SD)單元都是基于改進(jìn)的串耦PMOS差分傳感放大器，因此價(jià)格十分便宜。這些單元緊鄰互連的端末，對(duì)實(shí)際信號(hào)和噪聲進(jìn)行取樣。每當(dāng)噪聲或偏移高于可接受的限值時(shí)，這些單元就產(chǎn)生1到0的跳變，并存儲(chǔ)于觸發(fā)器中，以便于進(jìn)一步分析。
有人提供了一個(gè)價(jià)格較高但更精確的電路，可以皮秒級(jí)測(cè)試抖動(dòng)和偏移，這種被稱為EDTC的電路以免打擾方式取樣信號(hào)，并通過低速串行信息發(fā)出測(cè)試信息。當(dāng)成本不成問題時(shí)，精確信號(hào)監(jiān)視概念就能被研究人員所接受，甚至?xí)a(chǎn)生片上示波器的想法。
[page]
ILS單元
雖然任何ILS傳感器都能用于完整性損耗檢測(cè)，但為了簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)和實(shí)驗(yàn)的目的，我們還開發(fā)了自己的ILS單元。下面將簡(jiǎn)要介紹這種單元的電路和功能，但這種單元的詳細(xì)功能不在本文討論范圍。
本例所用的ILS是如圖2所示的時(shí)延破壞傳感器。可接受的時(shí)延范圍(ADR)被定義為觸發(fā)時(shí)鐘沿開始的一段時(shí)間，所有輸出跳變必須在這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生。測(cè)試時(shí)鐘用于創(chuàng)建窗口，以確定可接受的偏移范圍。如果輸入信號(hào)a的跳變發(fā)生在b為邏輯’0’的時(shí)間內(nèi)，那么信號(hào)a就在可接受的時(shí) 延范圍內(nèi)。任何在b為邏輯’1’的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的跳變均經(jīng)過傳輸門傳遞給XNOR門，這是利用動(dòng)態(tài)預(yù)充電邏輯實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)合理的時(shí)延范圍調(diào)整反向器1。在b 為1的時(shí)間內(nèi)有信號(hào)跳變時(shí)輸出c就為1，直到b變?yōu)?，開始下一個(gè)預(yù)充電循環(huán)周期。輸出用來觸發(fā)一個(gè)觸發(fā)器。圖3所示為輸入信號(hào)a有2個(gè)信號(hào)跳變的單元 SPICE仿真，采用0.18μm技術(shù)實(shí)現(xiàn)。第1個(gè)信號(hào)跳變發(fā)生在0.2ns處，當(dāng)時(shí)b為0，輸出保持為0。第2個(gè)信號(hào)跳變發(fā)生在3.5ns處，此時(shí)b為1，由于超出了可接受的時(shí)延周期，輸出c保持為1直到b變?yōu)?。時(shí)延傳感器還能檢測(cè)到由串話引起的跳變錯(cuò)誤。脈沖可以被反饋到觸發(fā)器以存儲(chǔ)時(shí)延發(fā)生事件，供以后進(jìn)一步閱讀/分析。
增強(qiáng)的邊界掃描單元
邊界掃描是一種被廣泛使用的測(cè)試技術(shù)，它要求在輸入或輸出引腳和內(nèi)部?jī)?nèi)核邏輯之間配置邊界掃描單元。邊界掃描測(cè)試技術(shù)能夠高效地測(cè)試內(nèi)核邏輯和互連。圖4給出了傳統(tǒng)帶移位和更新節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)邊界掃描單元(BSC)。Mode_1使單元處于測(cè)試模式。在掃描操作中數(shù)據(jù)通過移位寄存器(Shift-DR狀態(tài))進(jìn)行移位 。通過掃描輸入端口(TDI)被掃描進(jìn)邊界掃描單元的測(cè)試模式在Update-DR狀態(tài)(UpdateDR信號(hào))下得到并行使用。連接于內(nèi)部邏輯和輸出引 腳之間的邊界掃描單元可以并行捕獲電路響應(yīng)，并通過掃描輸出端口(TDO)掃描輸出。利用JTAG標(biāo)準(zhǔn)(IEEE 1149.1)可以測(cè)試互連的粘連、開路和短路等故障情況，這是通過“EXTEST”指令實(shí)現(xiàn)的，在該指令操作下TAP控制器利用BSC從互連中分離出內(nèi) 核邏輯。但這種測(cè)試的目的并不是測(cè)試互連的信號(hào)完整性。為了測(cè)試互連的信號(hào)完整性，需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)作少許的改進(jìn)。
監(jiān)視BSC(OBSC)
建議在互連的接收側(cè)放置一個(gè)新的使用ILS單元的BSC，如圖5所示，這種新的BSC被稱為監(jiān)視BSC(OBSC)。ILS被加在接收側(cè)單元，它們能夠捕獲互連末端上帶噪聲和時(shí)延的信號(hào)。如果它接收到具有完整性問題(如時(shí)延破壞)的信號(hào)，它會(huì)在輸出端輸出一個(gè)脈沖，并將觸發(fā)器置為“1”。OBSC有2種工作模式：
1) 完整性模式(SI=1)：選擇信號(hào)F。在每個(gè)Shift-DR狀態(tài)通過掃描鏈輸出被捕獲的完整性數(shù)據(jù)，并用于最終的評(píng)估。
2) 正常模式(SI=0)：在這種模式中ILS被隔離，每個(gè)OBSC被當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)BSC使用。
在掃描輸出過程中，我們需要捕獲輸出F信號(hào)并送至FF1。在本例中sel應(yīng)置為0，因此SI和ShiftDR應(yīng)分別為1和 0。當(dāng)掃描輸出過程開始后，D1被傳送到Q1，并用作下一個(gè)單元的TDI。信號(hào)完整性信息被捕獲進(jìn)FF1后ILS觸發(fā)器復(fù)位。在將F值送至Q1后，必須格式化掃描鏈。在本例的Shift-DR狀態(tài)期間，TDI輸入必須連接至FF1。因此必須將sel置為1(SI=’1’,ShiftDR=’1’)從而隔離出ILS路徑。如圖5所示，SI和ShiftDR需要進(jìn)行或操作，以選擇和發(fā)送信號(hào)F到D1，并生成掃描輸出用的掃描鏈。
圖6顯示了sel與SI和ShiftDR間的從屬關(guān)系。如圖所示，在Capture-DR狀態(tài)，信號(hào)F被選中，掃描鏈在 Shift-DR狀態(tài)得到格式化，并根據(jù)被測(cè)試的線數(shù)掃描輸出數(shù)據(jù)。表1給出了信號(hào)sel的真值表。只有一個(gè)控制信號(hào)(即SI)是由新指令生成的。執(zhí)行信號(hào)完整性信息的監(jiān)視有三種方法：1)應(yīng)用每個(gè)測(cè)試模式后讀出；2)應(yīng)用測(cè)試模式子集后讀出；3)應(yīng)用整個(gè)測(cè)試模式后一次性讀出。具體選擇哪種方法取決于可接受的時(shí)間開銷。第1種方法非常耗時(shí)，但它可以盡可能詳細(xì)地顯示每個(gè)互連的完整性信息。第3種方法速度非常快，但完整性信息比較少，因?yàn)橹荒艿玫侥膫€(gè)模式或哪個(gè)模式子集引起完整性故障的信息，無(wú)法獲知故障類型。方法2可以幫助用戶在測(cè)試時(shí)間和準(zhǔn)確性之間取得平衡。
[page]
測(cè)試架構(gòu)
圖7給出了針對(duì)小型SoC的整體測(cè)試架構(gòu)，其中的JTAG輸入(TDI、TCK、TMS、TRST和TDO)使用時(shí)沒加任何修改。但定義了一條新的指令，主要用于信號(hào)完整性測(cè)試中讀取測(cè)試結(jié)果。從圖7可以看到，只是每個(gè)互連的接收端單元改成了OBSC。對(duì)于雙向互連，OBSC 單元用于Core j和Core1之間的雙側(cè)。其它單元都是標(biāo)準(zhǔn)BSC，在信號(hào)完整性測(cè)試模式期間出現(xiàn)在掃描鏈中。ILS的作用是獨(dú)立的，不需要特殊的控制電路來控制這類單元的時(shí)序。由F顯示的完整性信息被掃描輸出，用以確定有問題的互連。
1. EX-SITEST指令
針對(duì)新的測(cè)試架構(gòu)，建議在IEEE 1149.1指令集中增加一條新的指令EX-SITEST。這條指令類似于EXTEST指令，但增加了控制信號(hào)SI。在Update-IR狀態(tài)，這條指令被解碼并產(chǎn)生(SI_1)。此時(shí)輸出單元用作標(biāo)準(zhǔn)BSC，而輸入單元用作OBSC。信號(hào)F在Capture-DR狀態(tài)時(shí)被捕獲，并在Shift-DR狀態(tài)期間以每個(gè)時(shí)鐘周期的速度向外移位輸出。本例中TAP控制器狀態(tài)不會(huì)改變，但在指令解碼時(shí)需要一些變化。存在于內(nèi)核之間的EX-SITEST指令的數(shù)據(jù)流如圖8所示。
2. 測(cè)試過程
首先通過EX-SITEST指令裝載TAP控制器IR，然后將所有的測(cè)試模式應(yīng)用到互連上，同時(shí)ILS單元捕獲互連末端的信號(hào)，并檢測(cè)所有可能的故障。在測(cè)試應(yīng)用過程結(jié)束后，必須讀取存儲(chǔ)于ILS單元FF的結(jié)果。監(jiān)視過程可以利用3種方法之一。比如使用方法3，應(yīng)用所有測(cè)試模式，然后一次性讀出完整性信息。
3. 測(cè)試數(shù)據(jù)壓縮
在傳統(tǒng)的邊界掃描架構(gòu)(BSA)中，測(cè)試模式是一個(gè)一個(gè)掃描進(jìn)來并應(yīng)用到互連上。舉例來說，采用最大入侵方(MA)故障模型 的n位互連中，12個(gè)測(cè)試模式被應(yīng)用到每個(gè)受害線，在將測(cè)試模式應(yīng)用到受害線上時(shí)要求12n 時(shí)鐘。在n個(gè)互連間翻轉(zhuǎn)受害線，總的時(shí)鐘數(shù)量(測(cè)試應(yīng)用次數(shù))是12n2。當(dāng)然，MA是一個(gè)簡(jiǎn)化模型。如果采用更復(fù)雜的模型或SoC中具有大量互連時(shí)，測(cè)試模式數(shù)量會(huì)激增，此時(shí)壓縮就顯得很有必要了。本文介紹一種針對(duì)增加邊界掃描架構(gòu)的簡(jiǎn)單有效的壓縮技術(shù)。由于空間有限，本文只能作一簡(jiǎn)要介紹，以此說明增 加型JTAG架構(gòu)的靈活性。
這種壓縮技術(shù)有二個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。首先，我們的方法是一個(gè)簡(jiǎn)捷的無(wú)損壓縮法，通過確定相鄰二個(gè)模式間的最大相似性并覆蓋它們來構(gòu)筑壓縮位流。其次，由于這種壓縮法即無(wú)破壞性也不對(duì)模式重新排序，因此不需要額外的解壓縮硬件。而且僅是利用自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)通過控制JTAG TMS控制輸入端執(zhí)行解壓縮過程。當(dāng)測(cè)試模式產(chǎn)生后，常會(huì)有大量無(wú)關(guān)緊要的模式出現(xiàn)在測(cè)試模式集中。針對(duì)信號(hào)完整性產(chǎn)生的模式也是這樣，特別是在考慮了地區(qū)度量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(限制開發(fā)模式空間)更是如此。在任何情況下我們都假設(shè)測(cè)試集由相同長(zhǎng)度的包含不重要的模式組成。圖9表達(dá)了我們的基本壓縮想法，即充分利用不重要的部分覆蓋盡可能多的位來完成2個(gè)模式Vi和Vj(長(zhǎng)度是1_16)的壓縮。
本文小結(jié)
在本例中，壓縮后的數(shù)據(jù)(Vi,Vj)掃描輸入時(shí)只需要21個(gè)時(shí)鐘，而未壓縮的數(shù)據(jù)需要16+16=32個(gè)時(shí)鐘。需要注意的是，為了解壓縮指定的數(shù)據(jù)流，我們需要一個(gè)模式一個(gè)數(shù)字(如本例中的di和dj)才能構(gòu)造(解壓縮)模式。基于邊界掃描測(cè)試的目的，這些數(shù)量就是更新 BSC單元內(nèi)容前要求的移位(即時(shí)鐘)數(shù)量。我們假設(shè)ATE存儲(chǔ)著解壓縮數(shù)據(jù)(d值如0≤d≤1)，在掃描輸入位流時(shí)，該數(shù)據(jù)會(huì)在d個(gè)時(shí)鐘后激活TMS (測(cè)試模式選擇)信號(hào)。然后TMS信號(hào)促使TAP控制器產(chǎn)生用于信號(hào)完整性測(cè)試的正確控制指令(如EX-SITEST)。因此在我們的架構(gòu)中不需要額外的解壓縮硬件。
