基于BIST的FPGA逻辑单元测试方法

　　摘　要：给出了一种基于内建自测(BIST)的测试现场可编程门阵列(FPGA)逻辑单元的方法，讨论了测试的配置结构、故障覆盖率和测试中出现的问题及解决办法。实验表明，该测试方法具有所需测试向量少、故障覆盖率高、简便适用等优点。

　　关键词：现场可编程门阵列；内建自测；响应检验电路；测试

      引    言

　　现场可编程门阵列FPGA(Field ProgrammableGate Array)是一种新型器件，它将门阵列的通用结构与现场可编程的特性结合于一体，因而受到广泛关注。FPGA 测试中，测试激励的多种测试生成方法，都有其一定局限性，不能求出所有故障，而且随着集成电路规模的迅速膨胀，电路结构也越来越复杂，大量的故障变得不可测。所以，人们把视线转向了电路系统的设计过程。如果设计的电路容易测试，容易找到测试码，对测试和测试码的生成问题就大大简化，这就是可测性设计问题。可测性设计问题的一个主要解决方法就是内建自测法BIST(Built-in self-Test)。

　　利用FPGA可重复编程的特性，通过脱机配置，建立BIST逻辑，即使由于线路被操作系统的重新配置而令BIST结构消失，可测性也可实现。本文给出一种基于BIST利用ORCA(Optimized Reconfigurable Cell Array)结构测试FPGA逻辑单元PLB(Programmable Logic Block)的方法，该方法对逻辑单元PLB 进行了分类、分阶段的测试，同时进行电路模拟实验。

BIST测试结构

      这种基于BIST的测试方法是一系列测试阶段顺序进行的结果，每一阶段都包括以下几步：1)对电路进行配置；2)测试初始化；3)生成测试图形；4)对响应进行分析；5)读出测试结果。

      图1 给出了利用ORCA测试方法过程中FPGA的配置结构。在用于完全测试BUT (Block Under Test)的绝大部分配置中，TPG以二进制计数器的模式工作，为BUT的m个输入端提供随机的测试模式。由于PLB的输入要多于输出，所以需要将一些PLB通过编程构造成m位的计数器，在存储器的操作模式中，存储器被配置为随机存储器。TPG作为p字节(p<m)的状态机产生标准的RAM测试序列。

        图1 　测试FPGA的ORCA结构

　　不同的TPG一定要满足BUT的需求，BUT的输出要与ORA相符合，因此，TPG的数目要求为c，c同时也是与一个ORA相符合的PLB的输出管脚数。ORA由一个LUT和一个触发器组成，其中LUT用于从c 组BUT 相应的输出作比较，触发器记录第一次不匹配的情况。从触发器输出到LUT 输入的反馈信息会在ORA第一次错误记录之后进一步做比较。通常，一些ORA会在同一个PLB中实施，这依赖于PLB中相互独立的LUT的个数。这里，如果LUT的输入序列至少与一个PLB 是分离的，则认为此LUT是独立的。每一个TPG驱动一组共n个BUT，每个BUT有m个输入和k个输出，则BUT中共有c*n*k个输出与k 组n个ORA作比较，每个ORA监控c个输出，ORA的第i组接收n个BUT的第i个输出。

　　例如，在ORCA结构的PLB中，存在2个独立的LUT，每个LUT 有5个输入，由于反馈的存在，需令c=4。又由于每个PLB有18个输入，TPG生成随机测试向量所要求的触发器的数量也是18。因为一个PLB中有f=4个触发器，所以需要5个PLB来构成随机TPG，其中只有4个PLB是用于产生RAM模式测试进而构成TPG状态机的。最后，每个必须与ORA作比较的PLB中有k=5个输出。表1对以上数据进行了概括，并将Xilinx 4000与Altera Flex 8000系列中的FPGA各项参数进行了对比，对FPGA这些结构参数、TPG输出信号计数n以及BIST所需步骤的数目进行了分析。多数商业用途的FPGA进行完全测试需两个测试步骤，而一些其他规模的FPGA则需要三个步骤。

测试实施

　　在测试实施阶段利用故障模拟来评价不同BIST步骤中的故障覆盖率。为ORCA结构的PLB建立了一个完全的门级电路模型，包括代表基本输入值的PLB配置，那些输入值在每一阶段是“固定”的。允许模拟影响配置位的stuck-at故障。LUT、FF和Output Mux三个模组中每一个的随机测试用于检测无法探查的故障(LUT中为3个故障，FF中为4 个故障)，这些故障从故障目录表中被移除。PLB中共2224个stuck-at门级故障，其中1538个在LUT中，440个在FF 中，224个在输出MUX中，完全测试每个PLB共需9次这样的配置结构。对3个模组中每一阶段所检测出的新故障数目、检测故障累积的总数及故障覆盖率等故障模拟结果见表2。

        表1 　FPGA结构参数对比

        表2 　PLB故障模拟测试结果

　　从表2中可以看出，第一阶段为LUT提供了一个完全的测试，而接着的5个阶段检测了FF中所有的故障，对输出MUX所有的故障检测需要9步。这9次配置结构可以根据为三个模组中每一个而设定的模式来描述。一个ORCA输出利用9*1 MUX来选择4个LUT输出中的任一个，或者4个FF输出的任一个，也就是LUT在以快速加法器操作方式进行工作。这9*1MUX证实了完全测试输出MUX 块的配置数量。

　　ORCA结构的LUT有4个不同的操作模式：RAM、fast adder 、5 变量的LUT-based逻辑功能、4变量的LUT-based逻辑功能。它们在PLBBIST前4步中进行测试，如表3所示。在RAM模式中，TPG被配置为产生标准RAM 测试序列，而在其他步骤中被配置为二进制计数器。一旦LUT已经在RAM模式下测试，余下的BIST步骤中，依靠LUT中的棋盘模式来确定LUT输出的所有可能模式。FF有以下操作模式供选择：1)FF/Latch；2)Set/Reset；3)falling edge/rising edge ofclock等，与这些选择相关的数据太大，不易考虑。因此，可根据对PLB 门级电路模型的故障模拟来选择。5 次配置对完全测试FF 模组是足够的。

        表3 　PLB BIST配置

　　从表3的后半部分可知FF 模组各种操作模式的不同选择情况。在这9次BIST配置中，ORCA的典型应用包括54%的连线资源可编程线段以及87%的PLB和LUT。尽管多数ORCA只需要2个测试阶段，还需18次的配置结构来测试所有的PLB。这18次配置结构与通常应用ORCA结构测试的32次配置相比，结果比较令人满意。

测试中遇到的问题

路线资源的限制
　　作为伪随机测试，PLB的测试包括PLB大多数的I/0管脚，但IC系列ORCA路由于资源有限，不能支持所有TPG输出到BUT以及所有的BUT输出到ORA。为解决这个问题，基于伪随机测试的准则允许对每一次配置有一点“偏差”，只对在该阶段确实用到的输入采用随机测试，并观察其输出。表3给出了每一步BIST所用到的PLB管脚数目，路线资源可以满足系统要求。

缺少详细的配置控制
　　在一般的应用中，用户只需要将FF的输出与PLB的输出相连，而不管是具体哪个输出，这是特定的布线算法和路由算法决定的。在本方法中，为了得到完全的测试，必须保证每一个输出矩阵依次与它的9个输入(4个FF输出，4个LUT输出，1个加法器进位)相连，因此有一种与这9次配置都不同的选择。但是CAD工具不允许用户控制输出的多路复用器(用户模式下没有输出多路开关)，因此，解决方法是修改中间的设计文件或者配置位流，来控制输出的多路输出选择。

结    语

　　本文方法的最大优点是不需专用测试仪器，只需要观察测试响应检验电路ORA的输出即可，因此所需输入、输出单元少，故障覆盖率高，不可测故障较其他方法大大降低。实验数据表明，本方法的测试结果令人满意。