（微电子学与固体电子学专业论文）边界扫描技术研究.pdf

摘要通过对近几十年边界扫描技术文献的总结，本文首先阐述了该技术产生的背景以及发展现状。随着大规模集成电路的发展，纳米级制造工艺的使用，集成电路的封装变得越来越小。这些改变在给电子电路设计带来便利的同时也带来了一些困扰：一方面芯片或功能模块内部结点变得无法探测，给电路调试工作带来一定困难；另一方面芯片封装的减小使器件引脚越来越密，单位p c b 电路板上的器件密度大幅度提高，这就导致了芯片互连可靠性降低和互连测试难度的增加。伴随着传统探针测试无法解决问题的增多，可测性设计( d f t ) 的出现成为解决上述问题的有效手段。d f t 是通过在电路设计阶段就考虑整个系统可测试性，以增加少量电路来提高整体电路系统可测试性的一种设计方法。边界扫描技术就是在d f t 基础上发展起来的一种测试技术，该技术以在芯片内部功能电路的周围增加部分寄存器单元和t a p控制器电路为基础，通过对个蹦引脚的逻辑控制完成对芯片内部的功能测试或是外部互连测试。针对边界扫描测试技术的迅速发展，i e e e于1 9 9 0 年制定i e e e l l 4 9 1 标准，将边界扫描测试端口及各项指令标准化。目前各大公司生产的超大规模集成电路芯片基本全部具有边界扫描结构，支持边界扫描测试。本文接着讨论了芯片内部的边界扫描测试结构以及边界扫描测试方法在p c b 测试中的工作原理，通过对基本理论的理解引出扫描测试过程中扫描测试矢量的处理，并从测试链路结构上阐述测试矢量优化方法。通过一定的理论研究，将可测性设计应用到实际电路当中，实现对边界扫描 贝l l 试理论的验证。根据对边界扫描测试理论研究和试验的结果，本文进一步提出了边界扫描测试控制系统的设计方案，并将设计重点放在扫描测试控制系统的核心器件一一扫描测试主控器的逻辑设计实现上。通过对主控器的逻辑功能分析，将功能模块进一步分割，采用自顶向下的设计方法，通过硬件描述语言( v h d l ) 完成对主控器的描述，并给出仿真结果。关键词：边界扫描测试主控器互连测试a b s t r a c tb ys u m m a r i z i n gs o m el i t e r a t u r e sa b o u tb o u n d a r ys c a nt e s t ( b s t ) ，t h eb a c k g r o u n da n dp r e s e n tc o n d i t i o n sa r ef i r s td i s c u s s e di nt h i st h e s i s w i t ht h ed e v e l o p i n go fv e r yl a r g e - s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i ta n dt h ea p p l y i n go fn a n o m e t e rt e c h n o l o g y ，p a c k a g e so f i ch a v eb e c o m es i n a i l e ra n ds m a l l e r t h e s ec h a n g e sb r o u g h tn o to n l yc o n v e n i e n c ei nc i r c u i td e s i g n ，b u ta l s od i f f i c u l t y o n es i d e ，al a r g ea m o u n to fn o d e st h a ti n1 co rf u n c t i o nb l o c k sc a n tb ed e t e c t e d ，a n dt h i sm a d ec i r c u i td e b u gd i f f i c u l tt h a nb e f o r e ；o nt h eo t h e rs i d e ，a st h er e s u l to fp a c k a g es i z er e d u c i n g ，m o r ea n dm o r ec o m p o n e n t sa r ea s s e m b l e do nt h ep r i n t e dc i r c u i t sb o a r d s ( p c bs ) ，t h er e l i a b i l i t yo fi n t e r l i n k a g eb e t w e e ni cc h i p sh a sd e c r e a s e d ，a n dt h ei n t e r c o n n e c tt e s td i f f i c u l t yh a si n c r e a s e d w i t hm o r ep i o b l e m st h a tc o u l dn o tb er e s o l v e db yp r o b ea p p e a r a n c e ，d e s i g n f o r - t e s t a b i l i t y ( d f t ) p r o p o s e di nr e c e n ty e a r si sa ne f f i c i e n tw a yt oo v e r c o m ei ct e s td i f f i c u l t y d f tt e c h n i q u er e q u i r e st h ei n t e r p o s a lo ft e s tp r o b l e ma tt h eb e g i n n i n go fe l e c t r o n i cs y s t e md e s i g n ，a n di t sat e s tm e t h o dt h a tc a ni m p r o v et e s ta b i l i t yb ye x t r ac i r c u i t b s ti sat e s tt e c h n o l o g yt h a td e v e l o p e db a s e do nd f t ，b ya d d i n gr e g i s t e r sa n dt a pc o n t r o l l e rc i r c u i t ，c h i p sf u n c t i o nt e s to ri n t e r c o n n e c tt e s tc a nb ee x e c u t e de a s i e r w i t ht h er a p i dp r o g r e s si nb s t ，i e e e1 1 4 9 1i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di sm a d et op r e s c r i b et h et e s tp o r t sa n di n s t r u c t i o n s n o w ，m a n yc o r p o r a t i o n s i cc h i p sh a v eb s ts t r u c t u r e ，s u p p o r t i n gb s t ，b s ts t r u c t u r ea n db s tt h e o r ya r es e c o n dd i s c u s s e di nt h i sp a p e r ，b yu n d e r s t a n d i n gb a s a lt h e o r y ，b r i n gf o r w a r dt h et e s tv e c t o r s d i s p o s a l ，a n ds i m p l i f yt e s tv e c t o r sf r o mt e s t - l i n ks t r u c t u r e t h r o u g ht h e o r yr e s e a r c h i n g ，u s i n gd f ti nc i r c u i td e s i g na n dv a l i d a t et h et e s tm e t h o d b s tc o n t r o ls y s t e md e s i g ni sb r i n go u tb a s e do nb s tr e s e a r c hi nt h e s i sa n dt h ed e s i g ne m p h a s isiso nt h el o g i co fb o u n d a r ys c a nm a s t e r ( b s m ) ，w h i c hi st h ec o r ed e v i c eo ft h i sc o n t r o ls y s t e m b yt h ea n a l y s i so fc o n t r o lf u n c t i o n ，d i v i d et h es y s t e mi n t os e v e r a lp a r t s ，u s i n gt o p t o - d o w nt e c h n i q u e ，r e a l i z e dt h el o g i cd e s i g ni nv h d l k e yw o r d s ：b o u n d a r ys c a nt e s t ；b o u n d a r ys c a nm a s t e r ；i n t e r c o n n e c tt e s ti i独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：勉壶鼙日期：山咕年月垮日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电予科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：盘未遂导师签日期：电子科技大学硕士学位论文1 1 课题的背景【l l 【2第一章引言随着电路技术进入超大规模集成( v l s i ) 时代，v l s i 电路的高复杂性以及多层印制板、表面贴装( s m t ) 、圆片规模集成( w s i ) 和多芯片组件( m c m ) 技术在电路系统中的应用，使得集成电路引脚越来越密( 如图卜1 ) ，电路节点的物理可访问性正在逐步减弱以至于消失，电路和系统的可测试性急剧下降，常规的探针已逐渐无法使用。测试开销在电路和系统总开销中所占的比例不断上升，常规的测试方法正面临着曰趋严重的困难。测试算法的研究和测试实践证明了个基本事实：要对一个不具备可测试性的电路进行测试是徒劳的，只有提高电路的可测试性，才能使电路的测试问题得到简化并最终得到解决。对于可测试性技术的研究始于6 0 年代初期，通过3 0 多年的研制与实践，进入8 0 年代后这一技术逐步趋于完善和成熟。图1 - 1 、电路节点的物理可访问性逐步减弱以至消失，电路可测性急剧下降在6 0 年代初期，由于芯片集成度的限制，在电路设计中引入可测性设计往往会带来较大的电路开销，这就使得有关的可测性设计方案具有较大的局限性。最早实现的可测性设计是针对印制板级的测试，如扩展访问功能的印制板测试e c a c t ( e x t e n d e da c c e ssc a r dt e s t i n g ) ，芯片的现场测试c i p t ( c h i p1 1 1p l a c et e s t ) ，多路选通逻辑和可选择性控制功能( s e le c t i v ec o n t r o l l a b i t y ) 等，他们都是针对在测试固定装置上进行的印制板测试技术，提出了关于印制板电路上节点的可观察性、可控性或可隔离性设计。此后，在关于i b ms y s t e m 3 6 0 系统及测试的文献中，首次提出了根据电路内部逻辑测试的扫描设计方案，并在n e c 公司的n e a cs e r ie s - 2 2 0 0 m o d e 一7 0 0 计算机的测试中运用了基于扫描设计的扫描移位测试法，后来这种设计方法更多的被称为扫描移位触发器设计。另一种在7 0 年代得到工业界广泛认同和推广的设计方案是i b m 公司提出的l s s d ( l e v e ls e n s n i v e口口口口口口口0口口疆口第一章引言s c a nd e s i g n ) 方案【3 】，它将l s a 设计和电平灵敏设计( l e v e 卜s e n s i t iv ed e s i g n ) 有机的结合起来。为了提高测试效率，并支持电路的带速度测试( a t - s p e e dt e s t ) ，在7 0 年代还提出了在电路内部利用硬件产生测试激励向量并对测试相应进行处理的可测性设计思想。最常用的是伪随机码测试p r p t ( p s e u d o r a n d o m p a t t e r nt e s t ) 设计，有时也称之为内部自测试b i s t ( b u i l t i n s e l f t e s t ) 设计。p r p t 方法在8 0年代得到了广泛的应用。进入了8 0 年代，为了在印制板和系统环境中实现对其中单一芯片的测试，提出了芯片电路的现场测试e c i p t( g l e c t r o n i cc h i p i n p 1 a c et e s t ) 方法，芯片分割c p a ( c h i dp o r t i o n i n ga i d ) 设计等，它们都是在芯片的i 0 单元电路上实现了隔离功能。为了满足应用于航天、航空等领域的电子系统的高可靠性、商可维护性的要求，除了芯片级的可测试性以外，更高层次的可测试性也得到了较为深入的研究。为了保证不同厂家的器件装配到系统中后，这些器件不仅能完成系统的功能，而且还能提供预期的测试功能，以及在印制板级和系统级测试中，可以实现子系统测试资源的共享和分配，提出了标准化测试接口这一设计思想，以及相关的测试信号协议和测试总线方案。研究工作和测试实践从不同的侧面对可测性设计技术进行了有益的探索。1 9 8 5 年，由i b m 、a t & t 、t e x a si n s t r u m e n ts 、p h i p se le c t r o n i c sn v 、s ie m e i i s 、a 1c a t e l 和g r i c s s o n 等公司成立的j e t a g( j o i n te u r o d e a nt e s ta c t i o l lg r o u d ) 提出了边界扫描技术，它通过存在于器件输入输出管脚与内核电路之间的b s c ( b o u n d a r ys c a i lc e l l ) 对器件及其外围电路进行测试，从而提高器件的可控性和可观察性。1 9 8 6 年由于其它地区一些公司的加入，j e t a g 改名为j t a g 。1 9 8 8年j t a 6 提出了标准的边界扫描体系结构，名称叫b o u n d a r y s c a l la r c h it e c t u r es t a n d a r dp r o p o s a l ，v e r s i o i l2 0 ，最后目标是应用到芯片、印制板和完整系统上的一套完善的标准化技术。1 9 9 0 年，i e e e正式承认了这个j t a 6 标准，经过补充和修订以后，命名为i e e e l l4 9 卜9 0 。同年又提出了b s d l ( b o u n d a r ys c a nd e s c r i p t i or )l a n g u a g e ，边界扫描语言) ，后来成为i e e e l l 4 9 卜9 3 的一部分。i e e e l l 4 9 1 标准大大的推动了边界扫描技术的发展和广泛应用。1 2 国内外发展现状从工程背景看。边界扫描技术在19 9 0 年被i e e e 接纳并形成了2电子科技大学硕士学位论文i e e e l l 4 9 1 工业标准，得到了世界上大多数集成电路制造商和测试商的支持，如i n t e l 8 0 4 8 6 以上、i o t o r o l a 6 8 0 4 0 、x i l i n x 的x c 3 0 0 0 以上系列的f p g a 等芯片都具有边界扫描结构。在e d a 软件方面，国外大型e d a 软件商例如m e n t o rg r a p h ic s 、c a d e n c e 等都已在其产品中引入相应的边界扫描自动设计模块可供使用者调用，所以在i c 设计时，只要作相应的处理就可以获得i c 的边界扫描结构。在测试系统方面，国外边界扫描测试系统和测试软件的开发也取得了非常大的进展，目前已有很多产品投入市场，如t e r a d y n e 的边界扫描测试软件v ic t o r y ，p h i l i l o s 公司的p m 3 7 2 0 边界扫描测试机，a c c u l o g i c 公司的b s c # , np c + 边界扫描测试卡等。当前i e e e l l 4 9 1 标准已经成为国际上工业界对电路和系统，包括先进的c p u 芯片到卫星系统，进行生产故障检测和产品功能测试的基本方法。在国内，电子科技大学自动化工程学院c a t 室、国防科技大学自动化系、桂林电子工业学院及西安微电子技术研究所在2 0 世纪9 0 年代开始关注边界扫描技术。1 9 9 4 年，我国参照i e e e1 1 4 9 1 标准制定了中国电子行业标准“标准可测试性总线”第一部分“标准测试存取接口与边界扫描结构”。尽管国内测试界专家以及一些电子设备生产厂家都已认识到边界技术的重要性，但由于缺乏扫描测试工具以及相关技术，目前国内边界扫描技术的应用还相当有限。1 3 课题的任务和意义1 3 1 课题的任务本课题的研究重点主要放在边界扫描测试矢量的处理和边界扫描主控器的基本设计方案。在测试矢量方面主要是在学习边界扫描器件内嵌扫描结构的基础上，进一步分析t a p 控制器的控制状态以及p c b 扫描测试工作原理，并且以此为基础，从模型算法的角度阐述对扫描链中部分不具备边界扫描结构器件的处理方案，从而能够解决关键路径被“破坏”不能完成扫描测试的部分情况。在边界扫描主控器设计部分，设计用以连接被测电路板和控制计算机的c o m p a c tp c i 接口边界扫描控制系统。基本工作原理是通过系统内的主控器进行数据处理，把控制计算机发出的并行测试矢量转换第一章引言成被测电路板上器件能够接收的串行矢量序列发送给被测电路板，并接收电路板上返回的结果，处理后传递给控制计算机进行测试结果的分析。工作的重点是完成控制系统的核心器件一一主控器的逻辑实现。1 3 2 课题的意义当今，电子产品复杂性日益增加，同时对产品质量的要求也越来越高，希望产品能够达到零故障，达到这一目标的唯一方法就是加强产品本身的质量控制，因此测试的任务就是在改善产品的合格率的同时又保持测试的成本不至于太高。边界扫描技术提出了一种新的完整的测试方法，它能够克服复杂数字电路板的技术障碍，在实际测试电路板时，不需要再借助复杂和昂贵的装置，提供了一种独立于电路板技术的测试方法。该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方面迈出了重要的步1 5 。第二章b s t 技术及应用作。从t d i 输入数据在t c k 的上升沿进行，从t d 0 输出数据在t c k 的下降沿进行。t m s 端接收逻辑信号o 和1 ，由t a p 控制器解释并用以控制测试操作。在t c k 上升沿对t m s 进行采样，当t m s 不被驱动时必须保持为逻辑“l ”。t d i 端串行输入的数据进入指令寄存器还是数据寄存器是由t a p控制器的控制状态决定。当测试数据输入端没有被驱动时，加载逻辑“1 ”。t d o 端在t c k 时钟脉冲的下降沿将数据寄存器或指令寄存器的数据移出。当没有数据通过单元移出时，t d o 设置为不作用状态，通常为高阻态。t r s t 低电平有效，使测试逻辑强制性异步复位而与t c k 和t m s 无关。由于t r s t 是可选择的，对于没有t r s t 端口的器件在任何情况下，测试逻辑需要设计成在t m s 和t c k 控制下能够被复位。2 ) t a p 控制器对于边界扫描测试结构，其核心控制部分就是t a p 控制器。t a p控制器是由t m s 在t c k 上升沿控制的有限状态机。它的主要功能是：a ) 提供信号以允许指令装入寄存器中；b ) 提供信号将测试数据移入移位寄存器，并把测试数据结果从移位寄存器移出；c ) 执行测试作用，如捕获、移位和更新测试数据等。t a p 控制器状态机原理如下：图2 - 2 、t a p 控制器状态机由图中可以看出，t a p 控制器只有六个稳定状态：测试逻辑复位、测试闲置、测试数据寄存器移位、测试数据寄存器暂停、测试指令寄存器6电子科技大学硕士学位论文移位、测试指令寄存器暂停。对于测试人员，只需要根据t a p 控制器的状态机，设计并发送特定的控制逻辑就可以完成对芯片的控制测试。由图2 2 可知，无论t a p 控制器处于哪个状态，只要t m s 保持逻辑l ，最多5 个测试时钟脉冲周期就会使控制器自动恢复到它的测试逻辑复位状态。3 ) 指令寄存器指令寄存器在测试中可以对数据寄存器进行控制，以提供地址信号和控制信号的方式来选择特定的数据寄存器；同时也可以直接通过指令寄存器执行测试功能，控制芯片引脚的状态。指令寄存器至少包含两个能保存指令数据的移位寄存器基本单元，这两个强制单元位于距离串行输出端最近的位置，即它们是最低的有效位( l s b ) 。两位最低有效位的值固定为0 和l ( 1 是最低位) ，这个固定值用于确定p c b电路上各i c 串行通路中故障的位置。4 ) 测试数据寄存器测试数据寄存器里面又包含有旁路寄存器( b r ) 、边界扫描寄存器( b s r ) 、器件标志寄存器( i d c o d e ) 等多个寄存器。其中旁路寄存器和边界扫描寄存器是必须的，其它为可选寄存器，也可以增加一个或多个专门设计的测试数据寄存器，通过对结构化测试指令集增加测试代码可完成对附加的专用寄存器进行读取。测试数据寄存器的长度是由集成电路设计者固定的，与测试指令无关。旁路寄存器是只有一位的寄存器，它使得在t d i 和t d o 之间获得一个最短路径，旁路寄存器的作用是为了对不需要进行扫描的芯片进行旁通，以缩短扫描路径。旁路寄存器在t c k 测试时钟的上升沿，t a p控制器处于它的捕获数据寄存状态且设置为逻辑0 时，该寄存器被选中。边界扫描寄存器首尾相连，构成边界扫描路径中的移位寄存器链，它具有如下特征：a ) 可对器件电路实现外部测试：b ) 可实现核心逻辑的内测试指令，同时也提供核心逻辑的边界限制条件：c ) 可对输入输出信号进行采样和检查而不影响核心逻辑工作。i d c o d e 寄存器有3 2 位，它存储芯片的i d 码。芯片i d 码是识别芯片的内建器件标识码，通过检测芯片i d 码可以识别该芯片，判断芯片装配正确与否，并可进一步判断芯片的型号、生产厂家及版本号与其标识是否相符，辨别芯片的真伪。当t a p 进入t e s t l o g ic r e s e t 状态时，若标志寄存器存在，则被强制接入t d i 与t d o 之间，寄存器l s b7第二章b s t 技术及应用的值为l ，否则，旁路寄存器被接入t d i 与t d o 之间，寄存器的值为o 。所以，在检测芯片标志寄存器的值时，可以由复位状态直接进入移位数据状态，输出t d 0 的值，并判断其第一位是否为1 ，若是，则此芯片有标准寄存器存在，可继续移出其他3 1 位，并进行判断与显示。2 1 2 边界扫描工作方式边界扫描基本上存在四种工作方式：1 内部测试方式内部测试方式用于测试电路板上各集成电路芯片内部的故障。在这种测试方式下，测试图形通过t d i 输入，通过边界扫描通路将测试图形加于每个芯片的输入引脚寄存器中，从输出t d 0 串行读出存于输出引脚寄存器中的芯片的响应图形。根据输入输出的响应，即可对电路板上各芯片内部工作状态以及工作逻辑做出测试。2 外部测试方式外部测试方式用于电路板上各集成电路芯片之间连线故障的测试。测试图形从第一个芯片的t d i 输入，经边界扫描通路加载到每个芯片的输入引脚寄存器，每个芯片输出引脚寄存器接收响应图形，最后通过输出信号与正确信号相比就可以诊断出电路板上存在的故障。3 采样测试方式采样测试方式用于实时诊断一个正在工作的系统，扫描寄存器实时监控电路板上个芯片的输入和输出引脚的数据流。4 电路板正常工作方式在电路板正常工作方式，边界扫描寄存器不影响电路板正常工作，电路板处于正常工作状态。本论文的工作重点是在电路板的互连故障测试上，所以其工作方式主要为外部测试方式，以下将主要对该工作方式和在该工作方式下的故障诊断作详细介绍。2 1 3 外部测试原理边界扫描外部测试是完成对电路板上的互连故障进行测试诊断，基本思想是在靠近器件的输入输出管脚处增加一个移位寄存器单元。在测试期间，这些寄存器单元用于控制输入管脚的状态( 高或低) ，并读输出管脚的状态，利用这种基本思想可以测试出电路板中器件互连的正确性。在正常工作期间，这些附加的移位寄存器单元是“透明”电子科技大学硕士学位论文的，不影响电路板的正常工作。互连测试主要有以下四个步骤：1 ) t d i 经过各移位寄存器与各i c 管脚相关的单元连接，移位激励数据；2 ) 更新输出单元上的数据，对? c b 电路板上的连线施加激励：3 ) 在各接收i c 的输入管脚捕获p c b 电路板上连线的状态：4 ) 检查经过边界扫描寄存器向t d o 移出的最后结果。图2 3 表明了简单的测试过程：设置外部测试模式后，通过t d i施加测试激励0 ：上述测试步骤中第二步和第三步执行实际测试，把测试数据施加到i c 连线之间，并捕获这些连线的状态；第一步和第四步只产生测试数据的移位，它们的移位状态是相同的，均对测试结果并不做贡献。鹾鞠醐a 、数据移向输出单元b 、施加测试数据及捕获c 、将捕获结果输出图2 - 3 、扫描测试过程测试过程中的所有功能都是由时钟来触发的。在更新数据寄存器阶段，一个时钟信号施加于p c b 电路板的连线上，这个信号实质上是在同一时刻到达一个适当的i c 的接收端。捕获寄存器功能也是由时钟脉冲触发，在脉冲的下降沿触发更新数据寄存器功能，在上升沿触发捕获寄存器功能。2 1 4 互连测试工作模式由互连测试工作原理可知测试过程就是利用j t a g 接口的四条( 或五条) 数据线对电路板上扫描链路进行数据扫入和扫出的过程，整个过程通常针对数字电路部分，但是在实际电路中往往存在数模混合或是非常复杂的电路结构，因此为了优化测试程序缩短测试时间，根据实际电路板复杂程度的不同，测试工作又有四种基本的工作模式：1 )串行链工作串行链式是最简单、应用最广泛的工作方式。电路板上所有可扫描器件公用t c k 、t m s 信号，器件之间用t d i 、t d o 相连，即第一个芯片的输入接t d i ，输出接第二个芯片的输入以此类推，最后一个芯片的第二章b s t 技术及应用t d o 接总输出的t 1 3 0 。2 ) 并行链工作对于串行链而言，其工作方式的缺陷在于如果电路板上的器件有所更改，则整条扫描链都将不可使用，而且对于多器件构成的单扫描链会用较长的扫描时间。并行链工作方式则弥补了串行链的不足。并行链工作是将电路板上可扫描器件分成几部分，每一部分单独成链，但是各独立链路之间共用t c k 信号和t d o 信号只有t d i 和t m s 信号是各自独立的，完成对不同扫描链可以加载不同测试矢量，因此各扫描链可实现独立控制。而且，当一条扫描链受到影响时，其它链路可以正常运行，而且相对缩短了扫描测试时间。魏画盟盟a 、并行工作方式b 、多输出工作c 、旁路工作方式图2 4 、测试工作模式3 ) 多输出工作多输出工作模式是对串行工作模式的一种改进。在同一条扫描链上t m s 和t c k 信号是共用的，有一个t d i 输入端，但是却有多个t d o输出端。t d o 输出是链上的每个芯片或是芯片组的t d o 的输出集合。采用这种多输出的方式可以实现更精确的故障定位。4 ) 旁路工作在正常测试流程中每经过一个t c k 脉冲，测试数据在边界扫描寄存器中移动一位，这样对不需要进行测试的元件而言则浪费了大量的时间。对于i e e e l l 4 9 1 标准，它规定旁路寄存器是必须的。在旁路方式下扫描链上通过旁路寄存器直接将不需要进行扫描元件的t d i 和t d o 直接相连，可以加快测试速度。根据实际电路情况选择不同的测试工作模式就可以使p c b 电路板上所有“实际”节点具有可观察和可控制性。在电路板存在故障的情况下，根据节点测试数据输出结果对应的故障类型就可以对电路板故障进行定位，故障的类型与所检测到的数据的对应关系需要通过对各种故障模型的响应来分析，具体的故障模型将在下一节中讨论。2 2 故障及故障模型1 0电子科技大学硕士学位论文在电路板生产过程中，由于工艺、装配等原因，经常会出现开路和短路故障。对于p c b 生产，除了对故障进行诊断，还要进行诊断修复，因此对p c b 电路要建立能够包含故障诊断结果的故障模型嘲。2 2 1 基本概念网络：网络是由通过导线连接的一系列输入、输出节点构成的，记为n ，j = l ，2 ，n 。边界扫描测试的主要任务实质上就是测试这些网络是否正常。并行测试向量p t v ( p a r a l le 1t e s tv e c t o r ) ：在一次边界扫描测试循环中，加载到各网络上的测试代码构成的向量，记为v ? ，j = 1 ，2 ，p 。采用某个p t v 进行测试所得到的测试响应向量称为并行响应向量p r v ( p a r a l l e lr e $ p 0 1 s ev e c t o r ) ，记为，? ，j = 1 ，2 ，p 。对于某个固定的电路板而言，它的p t v 维数是确定的，等于网络的总数n 。测试向量集及测试矩阵：由并行测试向量构成的集合称为测试向量集，由p t v 为列向量构成的布尔矩阵称为测试矩阵，记为t 。相应地，可以定义由测试响应向量构成的响应向量集和响应矩阵，记为r 。贯序测试向量( s e q u e n t i a lt e s tv e c t o r ) ：在测试矩阵中，对应于在多次边界扫描测试循环中施加到同一网络的测试代码的行向量，记为v ? ，j = l ，2 ，n 。显然，s t v 的数目等于网络的总数n ，其维数p 等于边界扫描测试循环的次数( 或p t v 的数目) 。相应地，网络在输入一定的s t v 后的输出响应向量为贯序测试响应向量s r v ( s e q u e n t i a lr e s p o n s ev e c t o r ) ，记为，i = l ，2 ，n 。显然，当网络无故障时，s r v 与输入的s t v相同。当某个网络存在故障时，表征故障的s r v 称为故障征兆，记为夥。表2 1 测试矩阵示例并行测试矢量p t v贯序测试网络v fv ：v ?矢量s t v月1000v 产n2001v h30l0v 宇nd0l1v pn51oov ”6l0lv ?”l10v pnslllv f混叠症候( a l i a s i n gs y n d r o m e ) ：对测试矢量集，电路中某个网络或某些网络的故障响应和正常响应相同时，将无法确定这( 些) 网络是第二章b s t 技术及应用否有故障，这种现象称为混叠症候。混淆症候( c o n f o u n d i n gs y n d r o m e ) ：对测试矢量集，相同的故障响应存在多种故障与之对应，这种现象称为混淆症候。将具有同样测试结果的所潜在的独立故障的最大数目定义为混淆度f 。2 2 2 故障及模型电路板上的故障从物理上可以划分为开路故障和短路故障，从逻辑上可划分为s a 一1 故障( s t u c ka ti ，节点值固定为“l ”) 、s a 一0故障( s t u c ka t0 ，节点值固定为0 ) 和桥接短路故障。首先讨论物理上的开路故障。对开路故障，从逻辑上表征为s a 一1 、s a 一0 故障。开路故障根据短路工艺的不同( t t l 、c m o s 、e c l 等) 在逻辑现象上可以等效为s a 一0 或s a l ，因为在t t l 工艺中，假设驱动节点的值为x ，输出为y ，对应的逻辑算子为f ，则正常情况下有：y = f 伍) 。在出现开路故障时无论x 为何值，均有y ；1 ：而在c m o s 和e c l 工艺中有y s 0 。但是开路故障并不完全等效于s a l 或s a 一0 故障，因为s a 型故障可以影响于该节点相连的所有节点，而开路故障只影响与其相连的部分节点。为了对故障进行进一步的分析建模，将与开路故障相连的所有节点分为两部分，选取1 个子节点作为原始节点的一部分，剩余的节点作为一组，并处于静止状态。假设存在一个由尸个i c 组成的故障网络，除去作为原始节点的子节点，剩下的静态节点，的范围为p 一1 ，因此最多j 的可能组合为：c ；2 p 兰南( f ea ，2 一，p 一1 其中尸为整数) ( 2 - 1 )因为把p 分为a ，b 两组和分成b ，a 两组的结果是一样的，所以j的值应该是式( 2 1 ) 的一半，所以最终的组合数为：，p 一1i 1 厶一- e ，i = 2 9 一1( 2 2 )li = l对于实际电路中一对一的节点，其组合数为1 。对于多的节点网络，可以通过分离出一个节点作为驱动，检测其它节点的方法对组合数进行简化，这样可以减化组合数至p 一- ，进而减少对测试矢量的需求。如图2 5 ，对一个4 节点网络，理论组合数为7 ，而简化后为3 。电子科技大学硕士学位论文a t 一ci 卜ab l 一dbcd图2 - 5 、网络等效简化下面讨论短路情况。对电源和地之间的短路不做考虑，因为其一电源设计中没有采用b s t 技术，其二b s t 是带电测试，测试前就要求电路板处于正常的带电状态。所以电源和地短路的故障只能通过其他方法测试。信号线之间的短路对于不同的状况又分为以下三种类型：1 线与短路：节点上的驱动能力是逻辑“0 ”占支配地位，最终节点表现出来的逻辑值体现为各节点的“与”逻辑。2 线或短路：节点上的驱动能力是逻辑“1 ”占支配地位，最终节点表现出来的逻辑值体现为各节点的“或”逻辑。3 弱短路：无法确定节点上最终得值，但位于“0 1 ”之间。信号线与电源或地之间的短路诊断比较容易。由于电源和地的阻抗非常低，所以对电源短路会使信号固定为电源电平，对地短路使信号固定零电平，即对电源和地短路可以转换成s a 一1 故障和s a 一0 故障。对一个短路故障的发生，至少存在于两个节点之间。对于一个存在7 个节点的网络，假设在j 个节点之间发生短路故障，那么可能发生的故障总数就是从1 7 中取j 的组合，即：c ：型( 2 i n )( 2 3 )伽一f ) ! f f对于两节点的短路则有：c ：杰：i 1n 1 7 , n 一2 )( 2 4 )。n2 硒2 j n 叫jl p 4 对于多节点短路有：c 卜2 “一n l( 2 5 )表2 2 列出了两节点和多节点故障的对比：表2 - 2 两节点和多节点短路的对比节点数二节点短路多节点短路1 2 n ( n 一1 ) 】2 ”一 一l第二章b s t 技术及应用51 01 52 05 0t 04 51 0 51 9 01 2 2 5由表中可以看出对于多节点短路其可能短路数目随着节点数目的增加呈指数上升，测试效率很低，而两节点短路故障的数目是比较合理的。而且多节点短路实际上可以看作是两节点短路的集合，因此可以采用考虑两节点之问的短路来代替多节点短路的情况以提高测试效率。2 3边界扫描测试数学模型边界扫描测试是将由一定数量测试向量构成的测试矩阵t 输入电路板a ，依据响应矩阵r 进行诊断。测试矩阵中的每个p t v 向量维数为n ，它对应于n 个网络布尔输入，而r 矩阵中的每个p r v 向量的维数也为n ，它对应于n 个网络的布尔输出。因此，实质上我们可以将被测电路板看作一个n 输入n 输出的系统，其输入和输出均为布尔向量。7 = n ，v ；la图2 - 6 、n 输入n 输出系统对于。个一般的n 输入n 输出静态系统( 输出、输出为实数向量) ，在不考虑噪声的理想情况下，上述过程可以通过个简单线性方程表达：y = d x( 2 - 6 )其中，x 和y 分别代表输入和输出矩阵，d 为系统特征矩阵。对n 输入n 输出系统的故障诊断问题转化为已知y 和x 矩阵求d 的辨识问题，这实质上可以归结为矩阵求逆过程。对于边界扫描测试，可以建立起同式( 2 - 6 ) 相类似的模型。显然，所需建立的边界扫描过程描述模型应具备如式( 2 7 ) 的形式，其中，r 和t 矩阵分别为测试矩阵和响应矩阵，而a矩阵为表征电路板故障特征的矩阵。r = c ，t )( 2 7 )要使式( 2 7 ) 成立，首先必须合理地构造短路故障特征矩阵a ，使它同电路板的短路故障之间具备一一映射的关系。然后还必须构造一种合理的算子c ，建立a ，t 矩阵同r 矩阵之间的映射关系。急焉电子科技大学硕士学位论文对于s a l 或s - a - 0 故障，其故障特征矩阵表现为在n n 阶矩阵中a i d 对f 网络中任意输入的v ? 其结果都固定为1 或o 。对于线或短路故障，可以建立具备如下形式的n x n 阶短路故障特征矩阵：第第第i 行第j 行鳓飘1o00ooloooo一00_0oo00l对线或故障电路板上第i 个网络和第j 个网络短路，则故障征兆矩阵中的元素a j 和口，为1 ，矩阵中其余的无故障特征的元素均为0 。此外该矩阵中对角线上的元素为1 ，表示任意一个网络同其本身都是短路的。短路故障特征矩阵为对称布尔矩阵。当没有短路故障发生时。故障特征矩阵退化为单位布尔矩阵i ，即无故障特征矩阵为单位矩阵( 单位布尔矩阵定义为矩阵 4 ， ，其中巧，= 1 ，若i - - - j ：毒，= o ，若i j ) 。显然，故障特征矩阵能准确地描述各网络之间是否存在短路，它同短路故障之间存在一一对应的关系。在建立了上述短路故障特征矩阵后，下一步的工作是寻找一个合理的算子建立r 与a 和t 矩阵之间的映射。对线或故障，利用布尔矩阵乘法可将该式转化为如下形式：s j = u ”，v o j上式中，向量i o0 1 l o i 同短路故障特征矩阵a 的行向量具备同样的形式。因此，我们可以利用布尔矩阵乘法构造边界扫描测试的布尔矩阵模型：r = 爿 t( 2 - 9 )符号 代表布尔矩阵乘法运算。布尔矩阵是建立在布尔代数基础上的矩阵理论，布尔矩阵的加法和乘法操作同实数矩阵相类似，区别在于螺曙碍。一曲，+唧够一陋牡小+一嵋+中ooh r第二章b s t 技术及应用所进行的操作为布尔运算。布尔矩阵的转置、对称性等概念与实数矩阵相同。式( 2 9 ) 的含义为，边界扫描测试的响应矩阵r 为短路故障特征矩阵a 同测试矩阵t 的布尔积。此时，边界扫描测试诊断过程可以对应于已知r 和t 矩阵求a 矩阵的识别问题。2 4测试算法及故障诊断边界扫描测试中考虑的因素主要有两个：一个是测试所需要的时间，它体现测试的总体代价和费用；另一个是故障的覆盖率以及故障定位的精度，它体现出测试的效用。在边界扫描测试过程中，测试时间取决于边界扫描测试向量的数量，即测试向量集的大小( 紧凑性指标) ；而边界扫描测试的故障覆盖率和故障定位精度则取决于测试向量集的故障诊断能力( 完备性指标) 。本节就互连测试算法以及对故障的诊断定位作一定讨论。2 4 ，1 算法h k a u t z 于1 9 7 4 发表在1 e e e 计算机学报上的文章首次提出了线网中故障测试的方法，称二进制计数( c s a ) 算法。给出了检测网络短路的充分条件是v o ( i = l ，2 n ) 必须唯，可以得出检测n 个网络互连故障的最优p t v 矢量数为( 1 0 9 ，) ”】。c s a 算法是在无源测试中提出的，适于可接触网络的脱机测试，可用于稀疏p c b 互连测试中。该方法如果用于边界扫描测试，这种检测算法对呆滞型故障存在混叠症候。1 9 8 2 年p g o e l 和m t i c m a h o n 针对芯片在位测试对c s a 算法进行修改，增加全0 和全ls t v ，使其具有检测呆滞型故障的能力。这样测试矢量p t v 增加为( 1 0 9 ，( + 2 ) ) m ，称为改进的二进制计数算法( m c s a ) 。1 9 8 7 年p t w a g n e r 就g o e l 和b c m a h o n 算法在故障诊断上的局限，增加互补的测试矢量集，提出了p t v 为( 2 l o g ，( n + 2 ) ) o0 1 的算法，增加了故障区分的能力。1 9 9 2 年w u t u n gc h e n g 等人在不降低诊断能力的条件下，对测试矢量进行了压缩，系统地提出了三种优化的测试矢量生成算法 i u 。表2 - 3 是以上几种算法针对8 网络生成的测试矢量集，表2 - 4 列出了一定数量的p t v 所能测试的网络数。表2 - 3 几神经典算法针对8 网络生成的测试矢量集网c s aw a g n e rw u t u n gc h e n gm c s a络检测检测诊断法1法2法36电子科技大学硕士学位论文1 3j0 0 00 0 0 10 0 0 l1 1 1 00 0 l l l0 0 0 00 0 01 11 32o o l0 0 1 00 0 1 01 1 0 l0 1 1 1 01 0 0 00 0 11 00 1 00 0 1 l0 0 1 11 1 0 00 1 1 0 10 1 0 00 1 01 0n40 l l0 1