基于复用的SOC测试技术

1 引言

90年代国际上出现的SOC概念，以系统为中心、基于IP模块多层次、高度复用的设计思想受到普遍重视和广泛应用。SOC的高集成度和复杂度使得SOC测试面临挑战，传统的基于整个电路的测试方法不再适用。对于IP模块和SOC而言，在电路设计向可复用这一目标发展的同时，测试中的复用也变得愈加重要，成为解决SOC测试的关键，也成为目前该领域研究的焦点。本文在分析SOC与SOB（system on board）本质区别的基础上，阐明复用对于SOC测试的重要性，对现有主要几类基于复用思想的SOC测试进行分析。

2 SOC的测试

SOC使集成电路设计者分为两个部分：IP模块的设计者和SOC集成者（IP模块的使用者）[2,4,5] 。IP模块是设计者提供的具有特定功能和相关参数描述的模块；而SOC集成者利用它们和用户自定义逻辑（UDL）集成在一起，实现既定的功能。从表面上看，这种设计类似于传统的基于芯片的SOB 设计，但二者存在本质区别。

SOB中的IC是经制造生产和测试后的实体，因此对SOB集成者而言，测试是针对系统中IC之间连接的测试。在SOB的设计集成过程中，IC的制造商和系统的集成者有相对独立的测试开发和实施阶段，如图1所示。从描述的层次而言，SOC中的IP模块可以分为软核、固核以及硬核。每一个核又可以是若干更小的模块共同构成,但无论什么模块，相对于SOB中的芯片而言是虚拟器件，在进行SOC集成设计时都未经物理实现。IP模块提供者对所设计的虚拟模块进行测试开发，却不能对IP模块进行实际的物理测试。因此IP模块设计者和SOC集成者的测试开发和实施将不再是彼此独立和分割的两个阶段。SOC集成者要完成包括IP模块在内的整个芯片的测试方案[2]。因此，SOC测试较传统的SOB测试而言，更加复杂，也更具挑战性。

图1 SOB与SOC测试的比较

3 复用技术与SOC测试

随着技术的发展和市场的需要，IP模块和SOC 的设计正逐渐以分布和并行的方式进行。来源于不同的各种IP模块的多层次复用是SOC的基础。IP 模块是对功能和实现方式的描述，是未经物理实现的虚拟器件，不同类型的IP模块有不同的模型和测试方法，IP模块的提供者虽然无法对模块进行物理测试，但必须向SOC集成者提供模块的测试信息，其中包括模块的测试方法、可测性结构、测试产生方法及测试集等 [2,4,6]。如果不以这些模块的测试信息为基础，SOC集成者就无法对高达千万门级的芯片进行测试，而复用则是SOC测试的关键。因此，国际上IEEE P1500工作组和VSIA（virtual socket in ter face alliance）联盟正在制定相关的国际标准[6,7] ，研究焦点集中于规范IP模块设计者和SOC集成者之间的软硬件接口，如模块测试语言（CTL，）和可扩展结构，以实现SOC测试中IP模块测试信息的即插即用。但标准并不进行复用方法和测试集成及优化的研究，有许多问题尚未解决。因此采用何种方式复用，如何解决复用中遇到的问题成为目前 SOC测试研究的焦点之一。从复用的角度，现有的SOC测试解决方案大致分为两类：直接复用和间接复用。

3.1 直接复用

该方法的基本思路是自顶向下，直接在芯片级使用已有的模块测试信息，通过实现对每个IP模块的测试访问从而解决整个芯片的测试[8]。核心是通过构建测试通路实现对各IP模块的测试访问，前提是各IP模块都具有良好的可测性和完整的测试信息。这类方法的有效性关键在于两个方面，即各模块原有测试信息的质量和在SOC中各模块测试访问的实现。具体的方案如下。

① 测试总线。ARM公司发布的32位AMBA（advanced microcontroller bus architecture）总线结构，通过解决每个IP模块的测试访问问题来最终完成整个SOC的测试，但其兼容性、测试费用及测试时间上有其局限性 [9]。Duel Technologies公司也作了类似的工作，提出了“测试总线”，连接每个IP模块，虽然优化了测试所占用的芯片面积，但无法同时将多个IP模块连到总线上进行测试。

② 端口访问。Intel公司提出将每个IP模块的接口端通过多路选择器接到芯片的引脚上直接进行访问[10]。但当IP模块增加时，对多路选择器的控制就会过于复杂，且该方法对IP的端口数有明确的限制。

③ 模块的透明模型。文献[11]提出一种基于IP模块透明模型的方法，它要求每个IP模块都有一种工作模式——透明模式。当对SOC中某一个IP模块进行测试时，其它模块均处于透明模式，从而为该模块提供测试访问通路。这种方案较前两种方案减少了硬件开销，但对IP模块的设计有特殊要求，且数据传输通道多位串行会导致测试时间过长。

④ 边界扫描。Texas Instrument公司利用IEEE 1149.1标准中的边界扫描测试（BST）技术，通过标准的扫描链串行访问IP模块，该方案是将用于解决SOB的测试技术移植到了SOC上。该方案的硬件开销会随着电路集成度提高而加大，测试时间也会随着SOC规模的增加变得无法接受[12]。

3.2 间接复用

这类方法的基本思路是自底向上，利用每个模块级的测试信息，通过综合转换形成该模块在芯片级可以实施的测试信息，直至形成整个芯片的测试。核心是以系统为出发点，利用各IP模块的测试信息，综合SOC的结构或功能特点，形成SOC 对各IP模块的测试数据和方案。具体的方案如下。

① 宏测试。从设计出发，在自IP模块向系统集成的过程中不断将模块的测试信息进行扩展，直至芯片级。其中较为典型的是Philips公司将解决IC测试的Macro Test技术用于SOC测试[13]。其基本思路是将每个IP模块的测试信息以测试协议描述，结合整个系统的设计，识别合适的访问路径扩展到芯片级，再通过芯片级的测试协议调度每个模块的测试顺序，最终通过单独测试每个IP的方法来完成SOC测试。该方法对SOC中的IP模块及其测试信息有严格的规定。