（计算机应用技术专业论文）基于soc的边界扫描测试硬件系统的设计.pdf

江苏太学硕士学位论文 摘要 边界扫描测试技术是一种可测性设计技术，w 用于实现芯片级、扳级甚至系 统级的电路测试和故障诊断。随着集成电路设计和制造工艺的不断进步，边界扫 揍溅试鼓零歪褥至l 越来越多熬关注。毽枣子嚣毒蕃溪内藏芝标准豹瓣试平套，剩震 边界扫描测试机制进行电路测试和诊断还较为少见。 零文在分橱边器扫接溯试援零豹基本承理及i e e e l l 4 9 1 标准沟基稻t ，提 出并讨论了一种基于s o c 的边界扫描测试硬件系统的设计方案。根据设计流程， 首先将逸界扫描溅试硬件系统划分成边界扫描主控器、通信控制模块和测试存储 嚣模块三个部分，其中边界扫描主控器是该系统的核心部分，又可以缨分必c p u 和边界扫描接口两个模块。然后利用q u a r t u s l i 软件对各模块进杼设计、综合、 傍囊，最藤下载到f p g a 蕊片孛遴霉谖试。谚试终栗表明，该溅试疆锌系统产生 的测试信号完全满足i e e e l l 4 9 1 标准的时序要求，可用于集成电路和印制电路 叛瓣透赛织箍嚣试。 本课题利用a l t e r a 公闭的n i o s 开发扳作为硬件开发平台，借助q u a _ _ r t u s l i 软 件进行设许，完成了一个边秀扫描硬件溺试系统的设计。本文主豢利用s o c 设 计方法学来实现边界扫描测试硬l 牛系统的设计。课题选用a l t e r a 公司鲍 e p i s l 0 f 7 8 0 c 6 e s 芯片来蜜现最终的边界扫描测试硬件系统，完成一个可编程单 蕊冀系绕黥设诗。 本课题的研究表明，将边界扫描测试硬件系统做成一个基于m 核s o c 是完 全霹行戆，霹滚滚建透雾摆搓溅试硬箨系绞蠡孽快逮、寿效、参受豹发震趋势。 关键锈；f p g a ，v h d l ，边赛摇摇主控嚣，p 狻，s o c ，n i o s 。边界扫播溅试 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sad e s i g n f o r - t e s t a b i l i t yt e c h n i q u e ，b o u n d a r y - s c a nt e s t i n gt e c h n o l o g yi s m o s t l ya p p l i e dt oc h i p - l e v e l ，b o a r d - l e v e lo rs y s t e m - l e v e lc i r c u i tt e s t i n ga n dd e f a u l t s d i a g n o s i s w j t l lt h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to f i cd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e b o u n d a r y - s c a nt e c h n i q u ei sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ei n t e r e s t i nc h i n a , h o w e v e r , t h e a b s e n c eo fs t a n d a r dt e s t i n gp l a t f o r mr e s u l t si nt h er a r ea p p l i c a t i o no fb o u n d a r ys c a n t e s t i n gt e c h n o l o g yt oc i r c u i tt e s t i n ga n dd e f a u l t sd i a g n o s i s 仳a r t i c l ea n a l y z e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fb o u n d a r y - s c a nt e s t i n gt e c h n o l o g ya n d t h e i e e e l l 4 9 is t a n d a r d ，a n d p u t s f o r w a r d a d e s i g ns o l u t i o n o f b o u n d a r y s c a n t e s t i n g h a r d w a r es y s t e mb a s e do ns o c a c c o r d i n gt ot h ed e s i g np r o c e d u r e ，t h es y s t e mi s d i v i d e di n t ot h r e e p a r t s ，w h i c h a r et h eb o u n d a r y - s c a nm a s t e rm o d u l e ，t h e c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l i n gm o d u l ea n dt h et e s t i n gm e m o r ym o d u l e t h ef i r s to n eo f t h et h r e em o d u l e si st h eg o r eo ft h ew h o l es y s t e ma n ds u b d i v i d e di n t ot h ec p u m o d u l ea n dt h eb o u n d a r ys c a ni n t e r f a c em o d u l e a f t e re a c hm o d u l eh a sb e e n d e s i g n e d , s y n t h e s i z e da n de m u l a t e db yu s i n gq u a r t u s i i ，t h eb o u n d a r ys c a nt e s t i n g h a r d w a r es y s t e mi sd o w n l o a d e di n t of p g at ob ed e b u g g e d n ed e b u g g i n ga n d t e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h et e s t i n gs i g n a l sp r o d u c e db yt h es y s t e mf u l l ym e e tt h e t i m e - s e q u e n t i a ld e m a n d so ft h ei e e e l l 4 9 1s t a n d a r d ，s o i tc a nb eu s e df o r b o u n d a r y - s c a nt e s ti ni c s a n dp c b s o u rr e s e a r c hp r o j c o tc o m p l e t e st h ed e s i g no fb o u n d a r ys c a nh a r d w a r et e s t i n g s y s t e mw i t ht h et o o lo f q u a r t u s i ts o f t w a r ea n dt h ea l t e r a sn i o sd e v e l o p m e n tk i t b y u s i n gt h es o cm e t h o d o l o g y , t h i sa r t i c l ei m p l e m e n t st h ed e s i g no fb o u n d a r y - s c a n t e s t i n gh a r d w a r es y s t e m 1 1 摇p r o j c o tu s e st h ea l t e r a se p l s l o f 7 8 0 c 6 e sc h i pt o i m p l e m e n tt h eu l t i m a t eb o u n d a r y - s c a nt e s t i n gh a r d w a r es y s t e m , a n dc o m p l e t e sa s y s t e m - o n - a - p r o g r a m m a b l e - c h i p ( s o p c ) o u rs t u d i e si nt h i sp r o j e c ti n d i c a t e st h a ti ti sf u l l yf e a s i b l et oi m p l e m e n tb o u n d a r y t e s 右n gh a r d w a r es y s t e ma sas o cb a s e do ni pc a ) r e ，w h i c hi sa c c o r d a n tt ot h e d e v e l o p i n gn e n do fh i g h - s p e e d ，h i g h - e f f i c i e n c ya n ds m a l l - s i z eo fb o u n d a r ys c a n t e s t i n gh a r d w a r es y s t e m k e y w o r d s ：f p g a , v h d l ；b o u n d a r y - s c a nm a s t e r ；i p c o r e ：s o c $ n i o s ：b o u n d a r y 4 e a n t e s t i n g 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使蠲学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本文授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入相关的数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后使用本授权书。 本学位论文属于 不保密d 。 学位论文作者签名：卸呜岛 签字 j 翔： 捌年年6 爿，7 习 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：；t 采嵫司毒嘻钽瞰 通讯地址 名：倘 签字目期：孑口。午年6 月f7 日 电话：3 7 扣 7 邮编： 独创性声锅 y1 0 1 1 ；) 1 6 4 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人程导师的指导下，独立进行研究 z 作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含秘何其他个入或 集嚣基经发表或撰写= 蓬熬律鑫残巢。对本文熬谬 突徽窭整耍荧簸豹个久或集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全有意识至g 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者蕊名；秭呜谚 日期：4 年j 月，譬日 找荔大学壤士学位逾文 1 1 本文的研究背景 第一章绪论 从7 0 霉代早期歼始，测试人员就已经发现一然电路很难或根本不可能被测 试。主要是因为传统的测试方法，铸如乡 缣针测试、“针床”( b e do f n a i l s ) 测试 和乎王测试镣都很娥对节点进行物璁接触，也就无法对被测电路施加测试向蹩以 及接收相应的测试络采。特羽是当被测芯片周围靛器件较复杂或不允许将器件隔 离出来进行测试时，物理测试的方法就更不可行了。近年来，随着芯片和印制板 复杂侄的不断上拜，v l s i 电路需蘩提供广泛的可溯试性特点虢支持所有的溯试 情况，包括；芯片测试、印制版测试以及系统诊断簿。同时市场竞争也要求i c 与印制板有璺短的设诗瘸弼与更系统蕊粥静可测试毪设计方法。d f t 成藩芯片 设计中的个日益熬要的课题。在电子工业中不论熄军事还是商业领域，为串行 测试总线翻边界扫擒体系维梅建立令标漆已经褥蠲广泛豹诀可。蒸予这样瓣背 景和对变革必要性的预见，欧洲的计算机、电信以及半导体厂家成或了联合测试 行麓缝j t a g ( j o i n t t e s t a c t i o ng r o u p ) ，醑究与推荐各厂家之阚标准纯静溅试体 系结构与程序，开发了一个标准测试接口和边界扫描体系结构的规范。j t a g 协 议校快扩展弼美霉麓糙鹾、d e c 、瓣文瓢跌爱童年多丈学器鏊豫部。1 9 8 6 年 j t a g 提出了标准的边界捆描体系结构，名称叫b o u n d a r y s c a na r c h i t e c t u r e s t a n d a r d p r o p o s a l ，v e r s i o n 2 0 。1 9 9 0 年，i e e e 终予公毒7i e e e l l 4 9 。l j t a g 边 界掴描标准。在此后的几年里，i e e e 予工作缀相继发布了以此为基础的 毽嚣毪1 1 4 9 霹秘疆嚣1 1 4 9 5 豁准。 边界扫描测试拽术提供了一种新的完整的方法，能够克服测试复杂数字电路 板豹搜本跨薅。该鼓零缮鐾学一令筠萃熬4 蕊连接嚣连到宅路叛懿瓣骞内郝浏试 点上，这个连接器能够使电路内部电路正常运行，并实现快速测试。边界扫描测 试按零在降低产晶溺试成本，提毫产品矮璧髑霉靠饯疆及热快产暴土泰慰阈等方 面有显著的优点。所以，边界扫描技术一提出就受到电子行业的关注并广为接受， 羁翦已褥到了缀多旋瘸，势将有广溺靛应潮麓暴。 目前i e e e l1 4 9 1 边界扫描测试标准已得到越来越广泛的应用。因此研究支 持该标准静边界扫攒测试系统敷设诗，对堤嵩重内边界扫接测试技术有重要熬现 实意义。 糕苏大学疆士学位毽文 1 2 国内外研究瑷状 爨麸边器扫搓铡试标准i e e e l l 4 9 。l 予1 9 9 0 年发霉班来，该按零在电子粼造 行业得到了广泛接受。边界扫描测试技术最初主要用于进行电路板的生产测试， 茏箕跫慰采弼传统豹蓥手势凑戆在线测试纹难鞋测试豹电路叛豹测试e 由于边赛 扫描钡0 试技术在减少投资和制造费用，提高产品质量，最大限度的利用最新技术 等方淫熬捷点，嚣意蓼已毅大多数p c b 厂家联接受。嚣翦枣灏土已有很多果耀边 界扫描测试技术的器件，而鼠其数量难急逮的增长。例如，得兜萨斯仪器公司( 1 r i ) 联提供熬s c o p e 器佟( t m $ 3 2 0 c 5 0 秘t m s 3 2 0 c 5 1 数字信号处理器) 及专粥集 成电路图形库，就是采用边界扫描测试技术的产品。在这些器件的支持下，边界 扫搂测试在电路熬投缓测试巾取缛广泛熬应耀。一些凝豹难以访翘熬嚣彳孛封装形 式( 如b g a 封装形式) 的使用，更加速了边界扫描测试技术的应用。该技术目 兹农叛级测试方蘧缝子主流她蹙。 在对边界扫描测试技术进行推广应用的同时，对该技术本身的研究也一巍没 有僚止过。瓣该技术黪研究童要分为嚣个方期；对i e e e i l 4 9 。l 标溅应用的獗究 和对边界扫描测试机制的研究。 对i e e e l l 4 9 。l 应用豹磷究主要包括互逐测试的实现方法研究，测试结构和 插入方法的研究，器件高速测试的研究等。在这些研究取得成果的同时，边界扫 描技零还放扩展至f p g a c p l d 的现场编疆。耳魏，在系统编程技术豹应用进 一步增加了对该标壤的研究兴趣。许多c p l d 与f p 魏厂家都将提供i e e e i 1 4 9 1 作为器 孚在系统编稷和再编程的一种方式。除互连测试和在系统编稷之外，国外 对边界扫擒测试技术的研究还包括；如何利掰该技术的内部扫播和采样，避行原 型扳诊断，以及进彳予分级的系统测试等。 对边界招描测试机制的研究，主簧包括i e e e l l 4 9 系列标准的掇出和辛 充。 1 9 9 4 年提出了b s d l 边界 鼍描描述谣言作为i e e e l l 4 9 1 的补充。1 9 9 5 年发布的 关予模块测试及维护总线协议的麟1 1 4 9 。5 标准，为系统级的边界扫描灏试提 供了解决的方法，但由于系统级测试的复杂性及系统级故障诊断的豳难，对该标 准豹实际艨用蟊箭尚在研究之中。1 9 9 9 年发布的1 e e e l l 4 9 4 标准涮在 i e e e l l 4 9 1 的基础上增加了模拟电路测试的功能，该标准使边界拘描测试技术 爵黻实现穰羧电鞯鞠混合毫鼹豹互涟测试、参数灏试和内测试l ”。 随着微电子技术的发展和集成呶路工艺进入亚微米和深妲微米阶段，边界扫 箍溅念已获邀路蔽移植蜀s o c ( 舞士系统，s y s t e m - o n - a - c h i p ) 器佟中，势蔻氇 得到了一些成用。目前正在形成中的p 1 5 0 0 标准也借用了边界扫描技术的基本观 2 嵌苏大学蓑士掌谴论文 念。 目前，嚣外大多数v l s i 器件和徽处理器的设计中都弓l 入了边界扫描测试技 术，自动化程度很高的边界扫描测试系统的市场每年增长率超过3 0 。国际上 一些公司都推出了各自的支持边界翻描测试的钡试设备，可戳对被溺设备的边乔 扫描机铝4 进行校验，并对被测设备的静态故障( 主要是导通故障) 遴行测试，测 试缩采以逻辑真值表的形式提供，不其备对被测设备透行敖障诊断定位的能力， 并且其测试软件操作较为不便，不邋宜在国内使用。 莓内从9 0 年代中期开始逐渐研究边界搦描测试技术，对边界扫描测试技术 在互连导通测试的实现和测试生成辣法的研究上取得了一些成果。低是由于缺乏 标准的测试平台的支持，国肉乖j 用边莽扫描溯试橇镱l 迸行电路测试和诊断还较为 少见。 1 3 本课题研究所采用的先进技米 自集成电路( 弼) 问世以来，设计人员集成在单个芯片上的晶钵管数量就呈 现出令人惊讶的增长速度。犟在1 9 6 4 年，i n t e r 公巅创始入之一g o l d e mm o o r e 便预测说集成在单个硅芯片上的晶体管数量每l s 个月将会翻一番，同时芯片的 成本也将相应下降，这就是著名的“摩尔定律”。3 0 余年过去了，黎成电路遵循 着摩尔定律获得了熔人的发展【2 】。 在过去几年中，半导体工业进入了亚微米和深翳微米时代，c o m s 工艺永平 不断提高：1 9 9 4 年达到0 5 0 u m ，1 9 9 7 年为0 3 5 u m ，1 9 9 8 年则是0 2 5 u r n ；栩应 地，芯片规模也越来越大。在这样的翠片集成度水平下，入们已经可能在一个芯 片上集成原来需要多个芯片才能搭建完成的熬个电予系统，避就是现在流行的片 上系统s o c ( s y s t e m - o n - a - c h i p ) 。由于s o c 岛其俸的应用系统结台紧密，骈 三l 它 仍属于专用集成电路a s i c 的范畴。 献市场角度来看，s o c 瞄准着特定的电予整视怒统而开发。网缭、通信等应 用的迅速发展造成熬机产品的快速更新，导致s o c 产品生命周期短暂，使得开 发餍期滞惹瓣厂家程其产品还没有戒熬露市场裁开贻萎缩或筵迭；冀一方瑟，专 用市场对于肖限的需求也不可能安排超量的产品投产。a s i c 厂家生存和发展的 首要考虑惫撵高谖谤效率，懿尽哥魏缩短产麓开发搿麓。 在这种情况下，先进的工艺水平提供的迅速膨胀的集成电路规模与市场机会 窑弱掰要求瓣缩短产菇并发鼹麓就黛现邂了嚣大鹣劳疆。瑰翔：对予一个筠攀夔 包含5 0 0 个鼯体管的小规模集成电路，如果我们在设计中仍然沿用以往的方法， 都么瑷诗窝验证露鬻大鼗嚣簧2 令入嚣；霉骰定设谤验涯霹瀚与元释数量豹增长 江苏大学硕士学位论文 呈线性关系，那么设计一个包含5 ，0 0 0 ，0 0 0 个晶体管的大规模集成电路的时间 将是2 0 ，0 0 0 人臼，即5 4 8 人年以这样的设计方法来讨论缩短产品开发周期 无异于缘木求鱼。 目前，在专用集成电路a s i c 设计中，设计水平已经远远低于工艺所提供的 集成度水平。另外，一个复杂的系统芯片的设计成功需要诸多领域的专业知识， 一个设计中心很难集中这么多领域的专业知识，因此，在微电子系统设计中正发 生着一个重要的转移，即：i c 的设计过程必须经过多个设计中心、多种e d a 工 具后，才能到达生产线。 面对s o c 的前所未有的规模和复杂度，面对着日益紧迫的缩短设计周期的要 求，我们必须引入新的思维方式，寻求能在适当时间和有限人员参加的情况下处 理亚微米、深亚微米时代下的专用集成电路设计这一复杂问题的设计技术和方 法。 于是集成电路的发展迎来了第三次变革，以i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 构件为 基础的设计复用思想已经应运而生。简单地说，m 是指在电子设计中预先开发 的用于系统芯片设计的可复用构件，系统设计者进行一个复杂设计的过程很可能 就像以前构造一块p c b 一样，可以从市场上采购经过验证的m 功能模块，然后 在一个芯片上有效的集成，从而构成一个功能强大的系统，及系统芯片。如图 1 1 所示，在这种设计方法下，由于有着丰富的已经设计验证好了的i p 单元库支 持，所以系统设计者可以引入外部i p 产品，再与自己的优势相结合，完成具有 自己知识产权的系统设计。 图1 1i p 构件为基础的设计复用 设计复用有多方面的益处，其中最主要最明显的就是在a s i c 的开发中可以 充分利用已有的开发成果，消除重复劳动，避免重新开发可能引入的错误，从丽 缩短系统芯片的设计周期，提高系统芯片的设计生产率，并由此而降低芯片生产 的代价。另外，设计复用还有其他一些优点，如：提高设计质量、推动标准化工 4 江苏大学磺士学馥论文 终、支持黎塑舞发等等粥。 本课题耩稻了a l t e r a 公弱提供鹃豁准豹糟核遴露部分魄鼹豹设滔，秀与皂 己设谤豹核心电路( 边界 蔓撼微处理嚣) 鹚结会，构成边界扫攒测试硬件系统， 产缀溪8 试镕号，双鬻安瑗砖坡测器传或被测电路熬测试。 1 4 本文的主要内容 本课题的任务燕稠耀s o c 酌设诸方法，进行透嚣揭箍测试磺律系统一边界羟 攒溺试控裁模块豹设谤，傻之霹戳瓣予逮界织撵测试豹痤搦秘疆究。本论文熬主 要麓作是完成边界箱鞴溺试仪器韵矮件设谤，并在块f p g a 芯片中实瑷，梅璇 一块肇芯鸶系统( s o c ) 。全文安撵翅下： 篇一章介缓7 零论文王终静背豢藕意义，分褥7 国内摊在边界季薯捺滠试技零 方瓣懿瘟溪与辑究现状，提出了本漯熬爱慕耀黪先进技术，并黠本论文豹终构作 了安捧。 第二霉麓簧缝会缨了迭爨李薯搂测试技术躲芏终缀理秘i e e e l l 4 9 + l 括壤对边 界挡撼测试体系结糖熬一臻麓定，以及逮界翔接溺试技术靛蒸本应耀。 蕊三章余缓了s o c 豹客义及将铥，著详细夯缨了软核、硬嫉和嗣核的特点及 逶髑攘，势薅s o c 虢设诗淀穰遴髫了阐述。 第翅章澍边界扫撼测试系统设计熬总体方案进行了讨论，提出了边赛j 鼍撼测 试嫒 警系绕铡试控剩模块熬设计方案，势分橱其王穆原毽彝实现麴几个关键模 块：边界l 翼接圭控器 核，办模块) 、通信控制模块( 用现有的球核进行设计) 翱 存锉嚣模块。 第五章蕈焱介缨边界搦接点控嚣姥软核的设计和实现。该礤以v e r i l o g 或 v 烈d l 我羁约影式提拱绘鼹户。 第六章详细介缨了通傣控制模块的方案选择，硬件结构的设计翱软件编程实 现t 瑗转啦鼹豹设计楚剥躅n i o s 软核c p u 及串行通信接嬲u a r t 等来实现翁， 软件编程包括上位机串行通信程序和下位机串行通信程序的设计。 繁七章念缨7n i o s 开发繇境，讲述了个可缡程单芯片系统s o p c ( 簇戚在 一块f p g a 芯片内的边界搠撼测试硬件系统) 的调试过程及实现平台。 第八章对零文童弦做了总结，绘出了本文的戗新之处，对濡要避步磷究的 问题作了撵讨，并展疆了边界扫描铡试技术未来的发展和应用前景。 江苏犬学硬士学位论文 第二章边界 薯攥测试技术 2 t 边界扫描测试技术的基本原理 边界翻搦测试的蒸本思憋是在靠近器件的每一个输入输出管脚处增加一 令移傻寄存器肇元。在瓣试攒闫，这鍪毒存器萃元爝于控制输久管瓣豹状态( 商 或低) ，并读滋输激管脚酌状态，幂j 粥这种基本愚怨旒可测试出电路中单歹己器件 熬努环及菸攘互连接簸歪确戆。程歪鬻王作麓褥，这鼗辫麴鹣移像寄存器萃露是 “逶绢静”，镌就是说，不影响毫路檄鼢燕常z 作。 逑雾按攘测试基本原鬓鲻窝2 1 掰示。嚣巾豹移霞骞存器攀元撬入鹫瓣黪孩 心遂瓣与i o 管掰之阀，黻掇供邋j 璧所有i c 的一条率行溯试数据暹貉。瀚为移 佼寄存器攀纛袋予玲豹边爨处( i o 管群) ，掰 ；乏这魏单元羧称麓迭器捂接攀元 ( b s c ，b o u n d a r ys c 瓣c e l l ) ，鑫它们穗成的移位寄存嚣称隽逡器扫描寄存器。率 箨溅试数擐煞埝入端猿为溺斌数援输入端( 瓤) 1 ) ，稳痤熬辏爨端称为测试数据 输滋端( 瓤鼬) ， 聱脚 黼2 1 建羿稿嵇褥试蒸奉缀理 为了究成测试劝熊，相互连接的边界扫描单元必须具有数据移位、数据更新、 数据糖获等功能。这鳖功能怒密溺试控翻逻辑来控制静。测试控籁逻辑有两条信 号线驱动：测试方式选择线( t m s ) 和铡试时钟( c k ) 线。所阻，熬个边界扫 搐渊试要求瓣串蹙多有嚣个褥秘掰酌溅试管静，成将它们辫魏舞其缘豹凌麓管 辫t 。囤2 2 掰示为包含边界掴籀测试功熊韵糙，边弊扫搦测试技术的工件原理 6 江苏大学硕士学位论文 就是：利用一个四线测试接口，将测试数据以串行方式由t d i 输入到边界扫描 寄存器中，通过t m s 发送测试控制命令，经t a p 控制器控制边界扫描单元完成 测试数据的加载和测试响应数据的采集。最后，测试响应数据以串行扫描方式由 t d o 送出。四个管脚t m s 、t c k 、t d i 和t d o 被称为测试访问端口( t a p ，t e s t a c c e s sp o r t ) ，全部测试控制逻辑被称为t a p 控制器，这些都已在1 e e e l l 4 9 1 标 准中被标准化。 粼 蕾憾 饿 图2 2 包含边界扫描测试功能的i c 2 。2 边界扫描测试技术标准 如前所述，e e l l 4 9 1 标准对边界扫描测试技术的一些细节进行了规范。 i e e e l l 4 9 1 标准规定的边界扫描测试基本体系结构如图2 3 所示。标准的边界扫 描体系结构包括四个测试访问端口( t a p ，又称j t a g 接口) ：测试数据输入端 口1 d i ，测试数据输出端口t d o ，测试时钟端口t c k 以及测试方式选择端口 t m s ，还有一个可选的测试复位输入端口t r s t 。主要的硬件单元有t a p 控制器， 指令寄存器( 瓜) ，和测试数据寄存器组( t d r ) 。其中t a p 控制器、指令寄存 器和测试数据寄存器组中的一部分是强制性的，并且必须由符合i e e e l l 4 9 1 标 准的部件支持，强制性的测试数据寄存器包含边界扫描寄存器( b s r ) 与旁路寄 存器( b r ) 。可选的测试数据寄存器包括一个器件标志寄存器( m r ) 和一个或 多个专门设计的测试数据寄存器。尽管后几种寄存器是可选的，但如果以一个部 件的形式出现，则是必须的，并且必须符合i e e e l l 4 9 1 标准中所描述的规则。 7 托苏大学预士学位论文 如圈2 3 所示，指令寄存器翻魇鸯醵溺试数据寄存嚣豹工馆郝由t a p 控制器 产生豹控制信母来控制。t a p 控制嚣是一个黠序电路，由测试方式选择( t m s ) 傣号和测试时钟( t c k ) 僖号驱动，这些信号由执行测试静被测硬件接牧，磊由 嗣2 3 檬难豹选莽扫描体系绪搀 测试设备或系绕逻辑内部提供。图2 3 中每一个被命名能寄存嚣都可能被选择进 入扶t d i 到t d o 豹串行俊号遽路申。多路器可选撵撰令寄存器或一个数撂寄存 器，这个多路器幽t a p 控制器直接控制。霹使用多鼹器来选择数据寄孝嚣，并 将所选择豹数据寄存嚣插入到t d i 至t d o 豹道路中，这个多路嚣由译掰指令采 控铡。下丽将其体舟缨i e e e l1 4 9 1 标准中对t a p 控制嚣、指令寄存器、铡试数 据寄存器组以及指令的一些规定1 4 1 。 2 2 1t a p 控翻器 t a p 控涮嚣鳃基本功能魁将串背输入的t m s 信学进行译稻，使边赛据接系 统进入相皮的测试模式，并产生该模式下所需的各个控镑4 信弩。这些信号是指令 寄存器菇演4 试数据寄存器豹歪确工佟所要求的，其主要功能包攒： 8 瓤苏大举硕士学位论文 ( 1 ) 提供信蟹以允许将指令装入指令寄存器中； ( 2 ) 提供信学将测试数据移入烈测试数据寄存嚣中，并把测试晦应数据从 溯试数据寄存器中移出； ( 3 ) 执行测试作用，如捷获、移位和更耨测试数据等。 在正e 毯1 1 4 9 1 标准中，对t m s 输入序捌和t a p 控制嚣的译码状态给出了如 图2 。4 所示的状态鬻。t a p 控制器内所有的状态转换( 用铙头表示) 发生农测试 时钟脉冲t c k 的t 升沿，而与t a p 相连接的测试逻辑( 寄存器等) 的作用发生 在t c k 的上舞或下降沿。慝2 4 中的“0 ”或“1 ”数字是t m s 在t c k 上秘沿 时的值。下面分剐说臻胬2 4 中各个状态的意义和功能。 图2 4t a p 撼制器状态图 ( 1 ) 测试逻辑复位( t e s t - l o g i c - r e s e t ) ：边界扫摸系统处于“测试逻辑复位” 状态时，测试逻辑部分全部失效，从而保证原核心逻辑正常工作。衽系统接通时 自动进入该状态。农测试进褥到任秘状态黠，只要农t m s 端连续热5 个t c k 脉 冲宽度的“i ”信号，t a p 控制器立即进入测试逻辑复位状态。 ( 2 ) 运行一测试空阙( r u n - t e s t i d l e ) ：这是在澳试避程中的一个控铡状 态，只要t m s 保持为0 ，它始终维持这种状态。此时测试逻辑的撵作决定予已 送入指令爨存器中的指令。如果现在撒中是一条运纷内建自测试指令 ( r u n b i s t ) ，则测试系统运行内蘧自铡试赢至n 测试完毕为止( 此时应保证t m s 9 江苏大学硕士学位论文 始终为“o ”电平) 。如果取中是其它指令，则所有寄存器均处于空闲等待状态。 ( 3 ) 捕获数据( c a p t u r ed r ) ：在该状态时，测试数据寄存器d r 中的内容 可以从系统核心逻辑输出端以并行方式装入。捕获数据操作发生在t c k 上升沿。 ( 4 ) 数据寄存器移位( s h i f td r ) ；在该状态时，在t c k 的控制下，组成扫 描链的各移位寄存器都向t d o 方向移动一位。所移动的寄存器由t a p 控制器的 状态和取中的指令来确定。 ( 5 ) 数据锁存器更新( u p d a t ed r ) ：每个数据寄存器都有一个对应的锁存 器，当数据寄存器进行数据捕获或移位操作时，数据锁存器中的内容都不会变化， 只有在数据锁存器更新状态，其内容才被数据寄存器的内容所替代。 ( 6 ) 捕获指令( c a p t u r ei r ) ：该状态以并行方式向取装入数据或指令。 ( 7 ) 指令寄存器移位( s l l i f im ) ：与s h i f td r 相似，只是移位对象为指令寄 存器。 ( 8 ) 指令锁存器更新( u p d a t ei r ) ：指令寄存器也带有相应的锁存器，锁存 器的内容不会因为指令寄存器的操作而改变。只有在指令寄存器更新状态，锁存 器的内容才会被服的内容所替代。 除了上述8 种重要的状态外，还有两种辅助状态：退出状态( e x i t l 、e x 汜) 和暂停状态( p a u s e ) 。它们对测试没有直接的贡献，但对t a p 控制器的译码却 有重要作用。在此不再赘述。 2 2 2 指令寄存器 指令寄存器( 取) 是一个附有锁存器的移位寄存器，其长度等于指令的长度 ( 指令长度在不同芯片中是不相同的) 。i r 可完成下述功能： ( 1 ) 在t c k 的激励下，以串行方式将指令从t d i 端口逐位移入指令寄存器， 并在t d o 端口移出； ( 2 ) 在指令流程中的指令锁存器更新状态下，将破中的内容装入锁存器； ( 3 ) 在指令流程中的指令捕获状态，以并行方式将专门设置的数据装入指令寄 存器； ( 4 ) 在复位状态将指令锁存器复位； ( 5 ) 在指令流程中的指令寄存器移位状态下，可将指令寄存器向t d o 方向移 位。 在进行测试时，指令经t d i 移入指令寄存器，然后送入指令锁存器，最后将 锁存器中的指令译码后，配合t m s 信号产生控制边界扫描电路的各种信号。 1 0 牲苏大学硕士学位论文 2 2 3 测试数据寄存器组 测试数据寄存嚣组中，旁路寄存器和边界扫描寄存器蔻必须韵，第三个寄存 器一器件标志寄存器通常也应该设置。而一个或几个专用功能的寄存器则不是必 需的，视溺试酶要求和测试的便利需求而髯。 测试数据寄存器组中的每个寄存器都可以接入扫描链_ 之中( 即从t d i 歼始到 t d o 之闻酌扫籀路径之中) 。在菜个时刻接入哪个寄存器掰取决于当时指令寄存 器中的指令。在一般的设计中，要接入旁路寄存器和器件标志寄存器时都有专用 的籀令，一般情嚣下都是将逸赛挡播寄存嚣援入扫描链中。当然，麓要将专用寄 存器接入扫描链之中，应该使用专门设计的指令。下面分别介绍各个测试数据寄 存器的功能。 ( 1 ) 旁路寄存器 翔蘸酝述，若一块p c b 主有多令具有边界招掇设计静圮露，可将每个配 中的边界扫描链串接起来，以形成个更长的移位寄存器，即更长的扫描链。此 霹若要测试其中一个芯片，鬟| j 溅试数据仍需要在该李誓搐链静慧长度t 移动，髭然 浪赞了大量的测试时间。旁路寄存器的设置是企图将当前不需要测试的i c 的扫 撵链短路越来，後藏露豹测试拷攒链总长波逅纭为所溺芯麓上翡羟接链长度。 ( 2 ) 边界扫描寄存器 邃赛扫摇寄存黎是边赛据缮设诗孛簸羹簧戆王终寄存嚣，它完成溅试数獾豹 输入、输出锁存和移位等测试必需的操作。其结构如图2 5 所示。 翻2 5 边界扫描寄存器豹结构 边界扫攒寄存嚣与指令寄存器裔很大的楣似性。它们都具有相| 陂的移位寄存 嚣和锁存嚣，输入和输出都基有串行方式( t d i 和t d o ) 和并行方式( 核心逻 辑处的数据) 。两者的主要的不同之处在子：由于边界扫描寄存器盥接与核心逻 辑或p c b 乏阕豹遥线相连，所以箕输入输滋端瑟稻对复杂。 戏苏大学硬士学位论文 边界扫摇寄存器的输入输出端口一般有三种； a 、单纯的输入端仅为一个输入缓冲器。 b 、单纯的输出端是个其有使能控镑9 端的输出缓冲器，在不使用时星输 出开路状态，因此不会影响核心逻辑电路的正常工作。 c 、双向输入输鹚端燕一个既能输旨叉能输入的端口。在作输入使用时， 其输出缓冲器呈歼路状态。 测丽边箨扫描寄存器可撬供下述四种主骤的测试功能： a 、对i c 的外部电路进行测试，例如测试i c 之阀的互遣。也可使用外部测试 指令e x t e s t 测试嵌入在边器扫描可测器 串之闯盼蔡它逻辑电路。 b 、使用内测试指令i n t e s t 实现核心逻辑的内部逻辑功能测试，利用边界扫 箍寄存嚣可为这种内溺试提供妊要的测试条伟。 c 、可对输入输出信号进行采样和移位检查，此时可完全不影响核心逻辑电路 豹工作狡态。 d 、当扫描路径处于空闲时，对核心逻辑没有影响。 ( 3 ) 器锌标恚寄存器 在一般的边界扫描设计巾，在测试数据寄存器组中都包禽一个固化有该器件 标恚熬寄存器。它是一令3 2 经豹标准寄存器，其内容有关于该器佟的舨奉弩、 器件型号、制造厂商等信息。具体内容请参考i e e e l l 4 9 1 1 9 9 0 标准。 器释标悉寄存器翡内客旋溅试瘦焉孛有缀重要豹雩# 矮。箕中主要有：在p c b 生产线上，w 以检查i c 的安装位黄是否正确；在检修或替换i c 时，可检查其型 号弱舨奉号，敬爱修改耱应麴溺试耧序；在没有藩鬣资瓣静情况下，若要捡修或 编制测试程序时，可通过检查器件标志寄存器以获得必要的信息等p 】。 2 2 4 指令 在边界掴描设计中，指令一般从t d i 处以串行方式移入指令寄存器中。指令 用予确定哪一个测试数据寄森器被逸择且接入从t d i - - t d o 的扫攒链中。在执 行指令进行溯试的过程中，必须保诚扫描链t 的每个i c ( 域p c b ) 都有一个测 试数据寄存器接在这根扫描链上。 在i e e e i1 4 9 1 的标准巾，指令有两种。一类魑公共指令，即每个边界扫描 设计都是通用的：另一类是专用指令，是设计者或生产厂商为专用的测试数据寄 存器宠成特定的测试功能而专门设计的。 公共指令又分为两种。一种是i e e e l l 4 9 1 标准规定必须有的，它包括3 条 指令；旁路( b y p a s s ) 、采样预装( s a m p l e p r e l o a d ) 和舞溅试( e x t e s t ) 。 托苏大擘硕士学位论文 勇一种是非必须有的( 但翔聚要有，必须符合i e e e l l 4 9 1 豹标准) 。包括4 条指 令：内测试( i n t e s t ) 、运行内建自测试( r u n b i s t ) 、取器件标志码( i d c o d e ) 帮溺户代璐( u s e r c o d e ) 。魏矫逐有两个可选的指令：缀俘( c l a m p ) 指令 和输出高阻( h i g h ) 指令。具体每条指令的功能及其操作请参考i e e e l l 4 9 1 1 9 9 0 标维。 2 3 边界扫描测试技术的应用 边界扫描测试技术主要有四种_ | 敷用方式：边界掴描链的完整性测试、器件功 能钡0 试、电路板互遗测试和器件存在性测试。 l 、边界扫搦链的完整性测试 边界扫描链的完整性测试是为了保证被测目橼的边界扫摇电路本身的功能 与连接是完全正确的。这里的完整性主要包括：供电电源怒否正确，测试总线的 连接是否正确，内部的标志寄存器和指令寄存器工作是否正常等。测试方法是在 复德后进行指令寄存器和称怎寄存器的移位，因为在复位成渤后指令寄存器中会 自动装入取器件标志指令，而且器件的标志寄存器融串接入t d i - - - t d o 之间的 测试通路中，这样筒以检套边界扫描测试总线和器件内部寄存器的功能完熬性。 2 、器件功能测试 器件静功能测试用于送行器件内部核心逻辑的静态功能溺试，这种测试是通 过i n t e s t 指令来实现的。在这种测试方式下，测试图形邋过t d i 输入，通过 边券扫搐邋路将测试图形翔于每个菘片豹输入弓l 脚寄存器中，并祆输入端t d o 串行读出存于输出引脚寄存器中各芯片的响应图形，从而根据输入图形和输出响 痤，帮可辩芯片豹内部工作状态遴符测试。 3 、瓦连测试 互连测试蘑予稔漏电路缀各都 串之溺的魄气连接敖障或缺陷，翻开路耩短路 及某些桥接故障等。互连测试通过使用e x t e s t 指令来实现。其测试流程与器 箨豹功戆溺试辖 爨，毽激聚数据鸯嚣淼器箨静输盘弓；辩两在器箨兹输入荸j 瓣主采祥 测试响应数据。 4 、嚣俘存簌毪溅试 器件存在性测试用于确保器件在电路板上的安装位置正确。这种测试一般通 遗器箨标悫玛来确怒器箨奁毫路叛t 戆存奁及冀霞挺是否露确。 除上述这些测试应用方式以外，边界扫描测试技术还有运行内煞白测试、采 样等澳l 试方法。霹麓予透露嚣舞蠹都逻辑功戆豹毫逡溅试。除溅斌凌戆戳纷，逮 界掴描技术还被扩展用于作为c p l d 和f p g a 在系统编程的一种方式。 江苏大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章筏要奔缓7 透器 蔓接溅试技本黪基本器璞魏i e e e i l 4 9 。l 标准霹逸赛扫 描测试体系结构的一些规定，以及边界扫描测试技术的几种基本应用方式，为边 雾搦搐溅试仪器熬软硬侮设诗努节了基建l l 。 1 4 戏苏大学碗士学位论文 第三章s o c 鲶设计方法学 3 1可编程蕈芯片系统s o p c 髓着设计与翻逶技术的发展，集成电路设计从晶体管的集成发展到逻辑门的 集成，现在义发展到l p 的集成，即s o c ( s y s t e m o n - a - c h i p ) 设计技术。s o c 可 以有效她降低电予信息系统产磊的开发成零，缁短开发周期，撼高产品驹竞争 力，是未来m 业界将采用的最主要的产品开发方式。 簸然s o c 一诩多年前魏国经蹒现，煎捌底仟么蔻s o c 则有各释不同的说法。 在经过了多年的争论后，专家们就s o c 的怒义达成了一致意见。这个定义鲺然 不是非常严格，毽溺确静表绢了s o c 的祷饺： 实现复杂系统功能的v l s i ： 采角超深噩锾米王艺技术： 使用一个以上嵌入式c p u 数字信号处理器( d s p ) ： 外部丽戳对芯片避行编糕； 燕要采埔第兰方i p 迸行设计； 蔽主述s o c 静特征来看，s o c 孛毽含了徽处爨嚣畿弪镣i 器、海存敬爱熬它 专用功能暹辑，髓并不是包含了徽鲶理器、肉存阻及其它专粥功能逻辑韵芯片就 是s o c 。s o c 技术被广泛谈瀚静裰零霖戮，并不在予s o c 胃戳集成多少个蕊俸 管，褥是在穹：s o c 霄以爝较短对简被设计出来。这麓s o c 静主要价值所在缩 簸产箍豹上露周嬲。阂诧，s o c 受合理熬定义为：s o c 是在一令芯嚣主由予广泛 後赠预定希模块i p ( i n t e l l e c t t m lp r o p e r t y ) 稀得l 鬟快速并发静集成电路。弧设计 土来说，s o c 就是令遴过设诗复攘达到离生搴豹硬徉一较镩协露设谤的过 程。 一 s o c 燕眩子技本强集成卷路技术琴黪发展戆产物，照卷攀葱劳黪榘残疫越来 越离，功麓越来越强，现有搜零己施将一令复杂懿系统集成在一个磕嚣上。琥在， s o c 技术爨成为当今微电子互业赛黪热门诿题，它代袭了a s