基于SRAM的FPGA连线资源的一种可测性设计
FPGA的出现大大缩短了集成电路设计的周期，使产品上市的时间大大缩短，并减少了设计成本。FPGA的应用越来越广泛，并且其市场份额也越来越大。但是逐渐扩大的芯片规模和更加复杂的芯片结构，给测试带来了越来越大的困难，测试成本大大增加，如何降低测试成本是很多商家和研究者共同面对的一个问题。有关FPGA测试的研究有很多。
FPGA主要由可编程逻辑资源，可编程连线资源，可编程输入输出资源组成。其中连线资源占芯片面积的60%以上，并且随着器件规模增大，连线也越来越复杂，其出现故障的可能性很大，所以连线资源测试在FPGA测试中扮演了一个很重要的角色。芯片测试包括故障检测、故障诊断和故障冗余。故障检测只检测芯片中有没有故障，如果芯片中有故障就把此芯片扔掉；故障诊断不仅要检测芯片中是否有故障，还要确定故障的位置和类型；而故障冗余是指，对于有故障的芯片采取一定的方法使得芯片可以继续使用，而不至于浪费。可以看到，故障检测是故障诊断的基础，而故障冗余又以故障诊断为前提，在本文的设计中，故障检测及故障诊断都可以支持，只要设计好需要的测试配置就可以了。
对于连线资源测试，出现了很多种方法，大致分为三类：(1)非内建自测试方法(Non―BIST)，利用专有的测试仪器对芯片进行配置并加测试向量对芯片进行测试；(2)利用芯片内部可编程逻辑资源对连线资源进行测试，这是内建自测试方法(BIST)，在芯片内部通过配置可编程逻辑资源自动产生测试向量，并且对测试结果进行判断。以上两种方法都是利用FPGA的可编程特性对芯片进行测试的；(3)利用可测试设计方便芯片进行测试，通过一定的硬件消耗，在芯片内部加上一定的辅助电路，使得测试比较方便、快速。本文提出的方法属于第三类方法。
与ASIC测试不同，FPGA测试需要将测试需要的配置下载到芯片中，然后加测试向量对芯片进行测试，其测试时间主要由编程下载的时间来决定，所以编程下载时间决定了测试的成本，很多研究者通过减少测试配置数目来减少测试时间，从而降低测试成本。
本文的出发点不是通过减少测试配置数目来减少测试时问，而是从另外一个角度对测试开关盒连线资源时间的减少进行了研究。通过一定的硬件消耗大大减少了编程下载的时间，降低了测试成本。
2 基于SRAM的FPGA结构简介
FPGA通常有三个基本的组成部分，即可编程逻辑单元((Sonfigurable Logic Block，以下简称CLB)、可编程输入输出单元(Input and Output Block，以下简称IOB)及可编程连线资源。通常CLB包含组合逻辑部分和时序逻辑部分，组合逻辑一般包括查询表(Look―up Table)和相关的多路选择器(Multiplexer)。而时序逻辑部分包含触发器(DFF)和一些相关的多路选择器。IOB则提供了FPGA内部和外部的一个接口，连线资源则提供CLB与IOB之间以及各CLB之间的通讯。
FPGA芯片的基本结构如图l所示，现在的FPGA芯片结构越来越复杂，但都包含这些基本的组成部分。开关盒(Switch Box，以下简称SB)将水平和竖直连线资源进行切换。连接盒(Connection Box，以下简称CB)连接CLB的输入输出到连线资源中。在FPGA芯片中，由于连线资源比较复杂，所以测试花费时间会很长。其中把开关盒抽出来可以构造开关盒资源图，其中包括开关盒内部的可编程开关以及开关盒之间的连接线段，如图2(a)所示。
FPGA开关盒资源模型包括m×m个SB以及相邻的SB之间连接开关盒的k条连接线段，其中SB内部的连接关系如图2(b)所示。其中粗线代表一个NMOS管作为传输管，用来控制线段的连接，传输管的开和闭由编程信息来控制，编程信息存储在SRAM单元中。SB内部有很多传输管，其中两条线段之间有传输管相连的，称为可连接线段，没有传输管的，称为不可连接线段。图2(c)是抽象的开关盒连接关系，其中四个方向分别为T，B，L，R，黑点表示此方向的连接线段的集合，每条连接线段可以另外三条连接线段连接，这三条连接线段分别位于其他三个方向，其中的数字表示传输管的编号。比如3，表示左边的连接线段连接上边的连接线段。
在FPGA连线资源中，主要包含连接线段，传输管和CB中的连线资源。连接盒一般和逻辑资源放在一起进行测试，本文着重于开关盒连线资源的测试。
3 测试所需要的配置
3．1 测试采用的故障模型
1)线段开路故障，线段在制造过程中中间断开，不能正常传输信号，输出端的状态固定；
2)线段的固定O故障，不管输入信号是0还是l，线段总固定在0状态；
3)线段的固定l故障，不管输入信号是0还是1，线段总固定在1状态；
4)传输管的固定0故障，也就是常开故障，SRAM编程信息不能改变此开关的状态；
5)传输管的固定l故障，也就是常闭故障，SRAM编程信息不能改变此开关的状态；
6)线段的桥接故障，两条线段之间短路，当分别在桥接的两条金属线上加相反的信号时，因为桥接两线的输出信号是相同的。
3．2 测试所需配置
在测试之前，需要将配置信息下载到FPGA芯片中，然后施加测试矢量进行测试。本文以[3]中的配置为例说明此可测性设计，在此采用Wilton开关盒结构，配置原理与[3]一样。测试配置如图3所示。
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