基于ATE的FPGA測試方法

1 引言

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)器件的應(yīng)用越來越廣泛，其測試技術(shù)也得到了廣泛重視和研究。FPGA的測試可分為面向制造的測試過程(MTP)和面向應(yīng)用的測試過程(ATP)兩類。MTP主要是從制造商的角度來測試，測試成本主要體現(xiàn)在測試向量集長度所決定的測試時間的費用上。MTP主要針對可編程邏輯塊(CLB)、輸入輸出單元(10B)、可編程連線(PI)及編程用的SRAM等進行測試。ATP是在應(yīng)用級上的測試，也就是把FPGA配置為特定的功能進行測試，具有很強的針對性，測試過程相對簡單。國內(nèi)的研究大多集中在MTP，且主要用于自主搭建的測試系統(tǒng)，可移植性差。本研究基于J750測試系統(tǒng)用Xilinx 4010為研究對象，使用兩種簡單的電路，即可完成對LUT、進位邏輯、D觸發(fā)器的測試，而且修改方便，可移植性好，為FPGA的通用測試提供了一種方法切實可行的有效方法。

2可編程邏輯資源測試

2．1 可編程邏輯資源(CLB)

可編程邏輯功能塊實現(xiàn)FPGA中的邏輯功能，是FPGA的主要部件，Xilinx 4010 CLB的基本邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看出，CLB主要是由兩個查找表(LUT)，一個進位邏輯，兩個D觸發(fā)器及一些多路選擇開關(guān)組成。




2．2單個CLB邏輯資源的覆蓋
由于CLB能實現(xiàn)的邏輯功能較多，通過對CLB的一次編程來完全覆蓋其功能是不可能的，但窮盡每一種邏輯來驗證CLB的功能也是不可能的，因此我們根據(jù)CLB的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計幾種測試配置，能夠覆蓋CLB的大部分功能。對于4010來說，CLB的測試需覆蓋F函數(shù)G函數(shù)的RAM模式、LUT模式、進位邏輯功能及D觸發(fā)器，至于多路選擇器，將其配制在這幾個模式里即可。因此，實現(xiàn)對CLB的測試．將CLB分別配置成RAM模式和計數(shù)器模式，可基本覆蓋CLB的邏輯資源，如圖2、圖3所示。其中紅線為配置后的電路，綠線為沒有配置到的部分。





從圖2可以看出，將CLB配置成RAM模式，實現(xiàn)了F函數(shù)、G函數(shù)的RAM功能(由于ROM模式包含在RAM模式中，因此不用再單獨測試ROM模式)，覆蓋了除進位邏輯和D觸發(fā)器外的其他邏輯單元。

從圖3可以看出，將CLB配置成計數(shù)器模式，實現(xiàn)了F函數(shù)和G函數(shù)的LUT功能，覆蓋進位邏輯和D觸發(fā)器。

綜上所述，用這兩種電路，可以覆蓋CLB中除多路選擇器外的所有邏輯資源，基本覆蓋CLB的輸入輸出。因此，用這兩種電路可以實現(xiàn)對CLB的測試。

2．3 CIB陣列的測試配置

由于FPGA中CLB都是規(guī)則排列的，4010為20*20個CLB。為了提高測試效率，減少對CLB的編程次數(shù)，需要合理配置CLB。由于IOB資源的限制，不可能一次覆蓋所有的CLB單元，需要進行多次配置，直至測完所有的CLB。由于每一次測試CLB的數(shù)目受限于CLB的配置和IOB的數(shù)目，因此CLB測試的重點就集中在CLB的配置，即如何合理配置CLB電路，達到既能覆蓋電路的大部分功能，又減少了編程次數(shù)。這里，通過將FPGA配置成總線緩沖器，一次即可覆蓋390個CLB，如圖4所示。從下圖可以看出，只需2次配置即可完成CLB陣列RAM功能的測試，第二次配置時，在第一次配置的基礎(chǔ)上手工修改布局后自動布線即可。圖中黃方塊即為配置到的CLB模塊，白塊為沒有配置到的CLB模塊。

將FPGA配置成計數(shù)器，其測試速度取決于計數(shù)器的位數(shù)，位數(shù)越高，占用的CLB資源越多，配置次數(shù)就會越少，但測試時間會呈指數(shù)增長，因此，需要在測試時間和計數(shù)器位數(shù)上進行合理選擇。經(jīng)過計算，我們選擇用22位計數(shù)器來配置CLB陣列，其布局布線后的結(jié)果如圖5所示。從該圖可以看出，這種配置方式僅僅占用16個CLB，25個IOB，為了提高測試速度．可以將n個計數(shù)器放置在一個FPGA中，進行并行測試，這樣測試速度可以提高n倍。圖5所示的就是4個22位計數(shù)器配置在一個FPGA中布局布線后的結(jié)果。

按照圖5所示，共需要10次配置就可完成對CLB進位邏輯、D觸發(fā)器及LUT功能的測試。在測試時只要給完整的測試碼，故障覆蓋率即可達到98％以上。





3基于ATE的FPGA測試

目前測試FPGA一般有兩種手段：一種是自主研制測試系統(tǒng)，功能應(yīng)包括配置FPGA、加載測試向量、讀取測試響應(yīng)等。該方法往往投資大，耗時長，測試精度難以保證，而且研制出來的測試平臺可移植性差，只能用于研究和驗證。另一種手段是用ATE來測試FPGA，先對]FPGA進行配置，然后對配置成的電路進行測試。這樣可以在同一個操作流程中完成FPGA芯片的多次配置一測試過程，減少操作環(huán)節(jié)，提高FPGA芯片的測試效率，能夠?qū)崿F(xiàn)FPGA芯片的產(chǎn)業(yè)化測試。目前商用ATE的性能不斷提高，本文以Teradyne應(yīng)用最為廣泛的J750為測試平臺，該機測試管腳數(shù)可達1024個，測試向量的存儲空間大，測試頻率可以達到100MHz，完全能夠滿足市場上多數(shù)FPGA的測試要求。要快速有效的開發(fā)FPGA的測試程序，就要解決的難題是如何利用ATE對FPGA進行配置，將FPGA的配置文件轉(zhuǎn)換成測試系統(tǒng)可執(zhí)行的測試向量。

3．1 FPGA的配置過程

FPGA的配置是加載設(shè)計規(guī)定的編程數(shù)據(jù)到一個或多個器件的運行過程，以定義器件內(nèi)部功能塊和其互連的功能。Xilinx 4010器件的加電配置過程有四個主要的步驟：清除配置存儲器、初始化、配置和啟動。用ATE對FPGA進行在線配置主要采用從串模式，其配置過程的時序要求如下：芯片供電穩(wěn)定后，進入配置前的準備狀態(tài)，INIT端口輸出低電平，時間為Tpor；INIT管腳變高再經(jīng)過Tlcck后，可以對芯片進行配置，對CCLK和DIN管腳提供配置時鐘和配置數(shù)據(jù)信號，配置時鐘周期為TcclK，配置數(shù)據(jù)在CCIK的下降到來時給出。當所有配置數(shù)據(jù)被FPGA成功接受并且配置正確后，芯片開始進入Stan-uP進程，輸出管腳DONE由低變?yōu)楦?，還應(yīng)為CCLK提供至少六個周期的時鐘信號，并對DIN提供高電平信號。Start-up進程結(jié)束后，不需再對CCLK和DIN提供信號，芯片的配置過程
完成。

3．2生成對FPGA進行配置的測試向量

由FPGA的設(shè)計開發(fā)工具生成的被測FPGA器件的配置文件為位流文件。位流文件的數(shù)據(jù)由起始碼和程序數(shù)據(jù)組成。起始碼包含起始序列位和被配置器件需要的配置數(shù)據(jù)位數(shù)的長度計數(shù)，程序數(shù)據(jù)包含被配置器件的配置信息。從配置文件中提取配置信息，并進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，就得到DIN管腳的配置數(shù)據(jù)信號。根據(jù)FPGA配置要求，設(shè)置FPGA的CCIK、INIT、DONE等控制管腳的邏輯狀態(tài)。根據(jù)FPGA器件的配置過程對各管腳的時序要求，設(shè)置各個管腳的時序信息，得到配置過程的測試向量。這樣FPGA的配置過程就可以作為一項功能測試由ATE執(zhí)行。

3．3測試配置實現(xiàn)的電路

完成配置過程的FPGA芯片具有一定的功能，其測試方法與其他數(shù)字集成電路的測試方法類似，可以進行直流參數(shù)測試和功能測試。在J750上測試FPGA時，把配置也作為一個測試項，可以實現(xiàn)FP-GA的高速在線配置。配置完成后，對配置好的電路施加測試向量，完成測試過程。

4結(jié)論

本文以Xilinx 4010為例，用兩種電路實現(xiàn)了對CLB的測試，并在Teradyne商用ATE上成功實現(xiàn)快速有效的配置一測試。該測試方法和配置測試過程可移植性好、通用性強，對于實現(xiàn)FPGA的產(chǎn)業(yè)化測試具有重要的意義。