焦 芳，張 玥，嚴韞瑤，嚴 偉
（北京大學 軟件與微電子學院，北京100871)
摘 要： 采用了IEEE1149中TAP控制器的概念與IEEE1500 wrapper的概念相結合，設計出一款基于IEEE1500測試標準同時兼容IEEE1149測試標準的測試控制器，并設計了滿足不同時鐘域同時并行配置通用寄存器的功能,可以節省多個時鐘域串行配置寄存器的時間,提高了測試效率。結果中的verdi仿真圖表明文章所設計的測試結構達到了預期。
關鍵詞： IEEE1500標準；IEEE1149標準；TAP；wrapper；測試
中圖分類號： TP368.1文獻標識碼： ADOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.007
中文引用格式： 焦芳，張玥，嚴韞瑤，等. 多時鐘域并行測試控制器的設計[J].電子技術應用，2016，42(9)：29-31，35.
英文引用格式： Jiao Fang，Zhang Yue，Yan Yunyao，et al. Design of parallel test controller applied to multiple clock domains[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：29-31，35.
0 引言
隨著集成電路產業的發展,設計、制造、測試已成為電路中十分關鍵的技術。測試成本伴隨著集成電路規模的增大,已經占到整個生產制造成本的三成以上，并且還有向上增長的趨勢[1]。如圖1[2]顯示了近幾年測試數據量的增加。
從上圖可以看出，測試數據量正在逐年增加，對測試的要求也會越來越高，因此，是否可以提高測試效率日趨成為集成電路產業的關鍵。
JTAG(聯合測試行動小組)希望可以找到一個通用的解決方案來處理測試問題。該機構推出了IEEE 1149.1這個標準，是IEEE推出用來進行芯片測試的一個標準，現在又發展更新出了IEEE1500及IEEE1687，而業內多使用IEEE1149及IEEE1500作為測試標準[3]。
陳壽宏[4]等通過IEEE1500搭建SOC測試平臺對電路進行測試，雖然可以正確地實現測試任務，但若對大規模電路進行測試則會消耗很多的測試時間，增加測試成本。談恩民等[5]通過使用IEEE1500 wrapper的相關概念設計出可以支持sram故障測試的測試控制器。Elvira K[6]等也認為基于IEEE1500標準可以提高測試質量。本設計中同樣采用了IEEE1149、IEEE1500的相關概念，并加入了不同時鐘域并行配置通用寄存器的概念，在超大規模集成電路中可以提高測試效率，節省測試時間。
1 TAP控制器的設計[7]
引言提到的IEEE 1149.1標準里，有兩類非常重要的寄存器：數據寄存器和指令寄存器。TAP的主要功能就是用來訪問芯片的所有數據寄存器和指令寄存器。TAP結構的TMS信號用來控制狀態機的轉換，TDI、TDO分別為數據的輸入和輸出。TCK和TRST分別為時鐘信號和復位信號。
TAP的狀態機如圖2所示，狀態機的轉換是由TMS所控制的，整個TAP Controller 在TCK的驅動下，通過TMS=0，1會分別指向不同的次狀態。
本設計采用IEEE1149中TAP的相關概念來進行數據寄存器和指令寄存器的配置以此搭建測試平臺。
2 IEEE1500 wrapper的設計[8]
IEEE工作組提出了一種稱為外殼(wrapper)的結構，它是IEEE1500標準對比IEEE1149標準的重大創新和突破。
wrapper標準測試殼結構包括旁路寄存器(WBY)、指令寄存器(WIR)、邊界寄存器(WBR)等。該結構殼的特點在于可以增強內部不可見節點的可觀察性，提高測試質量。wrapper的結構圖如圖3所示[9]。
該外殼在正常工作模式情況下,由于測試功能未被啟動，完全不會影響到芯片的正常邏輯功能。具體的實現是通過相應的bypass功能。外殼wrapper通過bypass寄存器單純將外部電路與內部的function IP正常連接。正常模式下，輸入被打入外殼后被輸入到bypass寄存器1拍后隨后從輸出端口輸出。只有在測試模式下才會將輸入輸出連接入相應的掃描鏈。
3 并行配置通用寄存器的研究
通過在不同時鐘域設計并行總線，來滿足同時并行配置通用寄存器的要求。每個時鐘域同時含有總線WPI，一旦輸入相應的并行配置指令，WPI同時作為所有時鐘域通用寄存器的輸入，對通用寄存器進行配置，對其做如下設計的主要目的是可以提高測試效率，滿足同時對通用寄存器配置的需要。其結構簡圖如圖4所示。
4 結果分析
下面將從IEEE1149中tap的實現，IEEE1500中wrapper的實現，以及多時鐘域并行配置通用寄存器的實現這3個方面分析結果。
4.1 IR、DR的訪問實現
TAP控制器對IR、DR的訪問實現verdi波形圖如圖5所示。
觀察該波形圖可知，該波形圖依次體現了TAP對指令寄存器的訪問和對數據寄存器訪問的實現，完成了如圖2所示TAP狀態機的轉換，成功實現了IEEE1149 TAP的相關功能。
4.2 IEEE1500 wrapper的仿真實現
IEEE1500 wrapper實現的仿真電路圖如圖6所示。
上面一系列仿真圖是帶有wrapper的基于IEEE1500標準測試器的仿真實現。與IEEE1149相比它增加了一個SelectWIR signal，從而只用一個CAPTUTURE_DR即可實現CAPUTURE_IR及CAPTURE_DR的功能。SHIFT_DR、UPDATE_DR同理。其中所有測試信號均包上了一層wrapper。
上述仿真圖實現了完整的指令寄存器及數據寄存器的訪問實現。
4.3 并行配置通用寄存器的仿真實現
實現并行配置通用寄存器的仿真圖如圖7所示。
所配置的寄存器是5個clock domain均有的通用寄存器，首先不采用并行配置的方法，即各個時鐘域以串行的方式配置其值均為’h26e,完成5個時鐘域通用寄存器的配置共耗時間0.15 ns；而當采用多個時鐘域并行配置通用寄存器的方法，并行配置通用寄存器值為’h34d，則可同時完成5個時鐘域的配置，節省掉串行配置寄存器所耗時間，可以提高測試效率。
上圖僅以5個時鐘域舉例，然而在現階段的大規模集成電路設計中，所用到時鐘域往往有幾十個，可以推測出此種配置通用寄存器的方法可以大大地節省測試時間。
4.4 測試時間
表1為普通的測試控制器配置通用寄存器消耗的仿真時間隨時鐘域數目增加的變化（所有時鐘域串行配置）。普通的基于IEEE1500標準的測試控制器配置通用寄存器時，所需要消耗的時間會隨著clock domain的增加而增加，會消耗大量的測試時間，在大規模集成電路中，所需要配置通用寄存器的時鐘域會非常多，通用寄存器數同樣也很多，會消耗大量的資源。
表2為增加了不同時鐘域并行配置通用寄存器結構的測試控制器配置通用寄存器消耗的仿真時間隨時鐘域數目增加的變化。
如上表我們可以清楚地看到，對比表1大量節省了配置通用寄存器的時間，并且節省的測試時間會隨著寄存器數目、時鐘域數目的增加而增加，可以極大地提高測試效率。
5 結論
本文詳細介紹了IEEE1149中TAP及TAP controller，以及IEEE 1500 wrapper的相關概念，并成功實現了基于以上標準的測試控制器的設計，IEEE1500的wrapper的設計實現增強了測試的可控制性和可觀測性。同時提出了一種針對多時鐘域并行配置寄存器的方法來提高測試效率，縮短測試時間，該方法節省的測試時間會隨寄存器數、時鐘域數目的增加而增加。
參考文獻
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[5] 談恩民，馬江波，秦昌明.SoC的存儲器Wrapper設計及故障測試[J].微電子學與計算機，2011(6)：122-125.
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[7] IEEE Standard Test Access Port and Boundary-Scan Archi-tecture.IEEE Std 1149.1-2001.2001
[8] IEEE 1500Group.IEEE Standard Testability Method forEmbed-ded Core Based Integrated Circuits.2005
[9] 韓貴博.基于測試控制器的SOC低功耗優化設計方法的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2012