林曉會(huì)，解維坤，宋國(guó)棟

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array,FPGA）被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子、人工智能、網(wǎng)絡(luò)通信等諸多領(lǐng)域，其復(fù)雜的可編程特性幾乎成為“萬(wàn)能”芯片[1?3]。由于FPGA 內(nèi)部可編程資源復(fù)雜，僅僅依靠可測(cè)性設(shè)計(jì)手段難以實(shí)現(xiàn)100%資源覆蓋測(cè)試，因此，還需結(jié)合與應(yīng)用無(wú)關(guān)的功能測(cè)試保證覆蓋率[4?6]。

查找表（Look Up Table,LUT）作為FPGA 最重要的資源，能夠?qū)崿F(xiàn)極其復(fù)雜的存儲(chǔ)和邏輯功能。針對(duì)LUT的覆蓋率測(cè)試，文獻(xiàn)[7]提出了以劃分陣列的方式實(shí)現(xiàn)LUT 測(cè)試，需要4 次即可完成100%覆蓋率測(cè)試，但劃分和約束過(guò)程較為復(fù)雜繁瑣；文獻(xiàn)[8]提出一種基于異或門(mén)級(jí)聯(lián)的LUT 測(cè)試方法，并通過(guò)窮舉LUT 的輸入完成覆蓋率測(cè)試，但需要較多配置次數(shù)和復(fù)雜的窮舉輸入。文獻(xiàn)[9?11]巧妙地提出一種基于內(nèi)建自測(cè)試（Built?In?Self?Test,BIST）的資源覆蓋測(cè)試方法，通過(guò)在FPGA 內(nèi)部構(gòu)建BIST 電路實(shí)現(xiàn)被測(cè)模塊的覆蓋測(cè)試，但未深入研究基于BIST 的LUT 測(cè)試方法，且其提出的BIST 測(cè)試方案有待進(jìn)一步完善和改進(jìn)。因此，本文重點(diǎn)研究基于BIST 的LUT 測(cè)試方法。

1 BIST 的LUT 測(cè)試方案

1.1 典型BIST 結(jié)構(gòu)

典型的BIST[12?15]結(jié)構(gòu)由測(cè)試圖形生成器（Test Pattern Generation,TPG）、被測(cè)模塊（Block Under Test,BUT）和輸出響應(yīng)分析器（Output Response Analyzer,ORA）三部分組成，如圖1 所示。其中：TPG 用于產(chǎn)生測(cè)試向量，為BUT 提供測(cè)試圖形輸入，如計(jì)數(shù)器、線性移位寄存器等均能提供順序或偽隨機(jī)的測(cè)試圖形；ORA用于分析比較BUT 的輸出是否正常，如多輸入移位寄存器、奇偶校驗(yàn)器等。

圖1 典型的BIST 測(cè)試結(jié)構(gòu)

1.2 可配置邏輯塊中的查找表

以AMD 公司的Ultrascale+系列FPGA XCKU5 PFFVB676I 為例，每個(gè)可配置邏輯塊（CLB）內(nèi)包含8 個(gè)查找表（LUT），該型號(hào)FPGA 全部資源共含有216 960 個(gè)LUT，每個(gè)LUT 包含6 個(gè)輸入、2 個(gè)輸出的邏輯函數(shù)發(fā)生器，可實(shí)現(xiàn)任意1～6 變量輸入、1～2 輸出的邏輯表達(dá)式?；贔PGA 實(shí)現(xiàn)的眾多功能中，幾乎沒(méi)有不涉及使用LUT 模塊的，因此，為保證用戶在使用FPGA 內(nèi)部LUT資源時(shí)的高穩(wěn)定性和高可靠性，針對(duì)FPGA 中LUT 的覆蓋率測(cè)試至關(guān)重要。Ultrascale+系列FPGA 內(nèi)部LUT 結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 Ultrascale+系列FPGA內(nèi)部LUT 結(jié)構(gòu)

1.3 新型BIST 結(jié)構(gòu)

本文提出一種新型BIST 結(jié)構(gòu)，用于測(cè)試FPGA 內(nèi)部的LUT 資源覆蓋率。該結(jié)構(gòu)主要由測(cè)試圖形生成器、被測(cè)模塊、黃金模塊（Golden Block,GB）、比較模塊（Comparator Block,CB）四個(gè)部分組成，測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，黃金模塊與被測(cè)模塊同結(jié)構(gòu)、同功能，其測(cè)試原理為：通過(guò)TPG 產(chǎn)生測(cè)試向量，同時(shí)輸出到被測(cè)模塊和黃金模塊，利用比較模塊對(duì)比BUT 和GB 的輸出，如果兩者輸出一致，則證明被測(cè)模塊功能正常，反之功能異常。

圖3 新型BIST 測(cè)試結(jié)構(gòu)

1.4 新型BIST 的LUT 測(cè)試方案

新型BIST 的結(jié)構(gòu)在用于LUT 覆蓋率測(cè)試時(shí)，TPG為改進(jìn)的線性反饋移位寄存器（Linear Feedback Shift Register,LFSR），用于全地址的偽隨機(jī)測(cè)試向量生成，作為BUT 和GB 的輸入；BUT 為6 輸入、1 輸出異或功能的LUT，GB 同樣為6 輸入、1 輸出異或功能的LUT；CB 為2 輸入、1 輸出的比較器，用于比較BUT 和CB 的LUT 輸出，如果兩者的異或功能輸出結(jié)果一致，則判定被測(cè)的LUT 模塊功能正常，否則功能異常。LUT 測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 新型BIST 的LUT 測(cè)試結(jié)構(gòu)

在實(shí)際測(cè)試時(shí)，利用pBlock 功能，將FPGA 內(nèi)部的LUT 資源分為上下兩部分。第一次測(cè)試設(shè)計(jì)時(shí)，其中一部分用于TPG、GB 和CB 模塊資源的例化，另一部分用于BUT 資源例化；第二次測(cè)試設(shè)計(jì)將兩部分位置調(diào)換。這樣，通過(guò)兩次測(cè)試配置，即可完成所有LUT 的覆蓋測(cè)試。經(jīng)pBlock 約束后，一次布局布線后的LUT 測(cè)試圖形如圖5 所示。

圖5 布局布線后的LUT 測(cè)試圖形

2 測(cè)試硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（Automatic Test Equipment,ATE）作為L(zhǎng)UT 覆蓋率的測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)，具備電源供應(yīng)、任意波形發(fā)生、系統(tǒng)時(shí)鐘、精密測(cè)量單元（包括加壓測(cè)流、加流測(cè)壓等）、向量存儲(chǔ)等多種功能，因此無(wú)需外接其他測(cè)試測(cè)量設(shè)備即可完成驗(yàn)證評(píng)價(jià)和量產(chǎn)測(cè)試。測(cè)試硬件的設(shè)計(jì)主要針對(duì)ATE 的測(cè)試負(fù)載板。

XCKU5PFFVB676I 為一款億門(mén)級(jí)FPGA，具有豐富的邏輯資源和各類IP 核，支持多種配置方式，包括但不限于Slave SelectMAP、JTAG 等，同時(shí)電源的種類也較多，設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)包括測(cè)試配置通道和電源供電，如圖6所示為測(cè)試負(fù)載板設(shè)計(jì)方案。

圖6 FPGA 測(cè)試負(fù)載板設(shè)計(jì)方案

圖中：pogo pin 為ATE 與測(cè)試負(fù)載板通信連接的橋梁，為被測(cè)FPGA提供輸入信號(hào)和接收輸出信號(hào)；power B為被測(cè)FPGA 的內(nèi)核電源VCCINT 提供大電流電源，保證FPGA 配置時(shí)的瞬態(tài)脈沖大電流滿足啟動(dòng)要求；power S 為被測(cè)FPGA 的其他電源供電。

JTAG 接口主要用于實(shí)裝測(cè)試時(shí)的配置比特流下載，通過(guò)TDI 一位一位地將比特?cái)?shù)據(jù)加載到FPGA 的配置存儲(chǔ)器中，下載速度較慢。在實(shí)際ATE 量產(chǎn)測(cè)試中，通過(guò)pogo pin，基于Slave SelectMAP 方式完成測(cè)試配置，這種方式將待配置的測(cè)試向量先存儲(chǔ)到ATE 的向量存儲(chǔ)模塊，測(cè)試時(shí)直接調(diào)用所需的向量名稱即可，可同時(shí)并行下載32 位比特?cái)?shù)據(jù)并加載到FPGA 內(nèi)，配置速率大幅提升，適用于大規(guī)模的量產(chǎn)測(cè)試需求。

3 仿真與測(cè)試驗(yàn)證

3.1 改進(jìn)的LFSR 與仿真

傳統(tǒng)的測(cè)試向量發(fā)生器一般用LFSR 實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生的向量具備一定的偽隨機(jī)性，但無(wú)法遍歷全0 地址。改進(jìn)的LFSR 在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，不僅具備偽隨機(jī)，而且能夠覆蓋到全0 地址，其結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 改進(jìn)的LFSR 結(jié)構(gòu)

經(jīng)編寫(xiě)Verilog 代碼，通過(guò)Vivado 2018.3 編譯仿真環(huán)境得到改進(jìn)的LFSR 時(shí)序仿真結(jié)果，如圖8 所示。其中：clk 為輸入時(shí)鐘；rst_n 為復(fù)位信號(hào)；lfsr_dout 為產(chǎn)生的全地址向量。

圖8 改進(jìn)的LSFR 仿真結(jié)果

3.2 新型BIST 的LUT 測(cè)試仿真

在BIST 電路結(jié)構(gòu)中，改進(jìn)的LFSR 產(chǎn)生全地址的偽隨機(jī)測(cè)試向量，同時(shí)輸出到被測(cè)模塊LUT 和黃金模塊LUT，通過(guò)比較兩者輸出否是一致，判斷被測(cè)LUT 是否存在故障。其中，LUT 是基于Xilinx 原理實(shí)現(xiàn)6 輸入、1 輸出的異或門(mén)。測(cè)試仿真結(jié)果如圖9 所示。圖中，error 為輸出判斷結(jié)果，除復(fù)位狀態(tài)時(shí)error 輸出為高電平外，其他狀態(tài)若輸出高電平，則判定被測(cè)LUT 存在故障；反之說(shuō)明被測(cè)LUT 功能正常，無(wú)故障。

圖9 新型BIST 的LUT 測(cè)試仿真結(jié)果

3.3 測(cè)試配置與驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)Vivado 軟件編譯綜合生成比特流，利用Slave SelectMAP 模式，基于ATE 將比特流配置向量下載到FPGA 內(nèi)，并施加相應(yīng)的響應(yīng)測(cè)試激勵(lì)，完成FPGA 內(nèi)LUT 資源覆蓋率測(cè)試。配置通信原理如圖10 所示[16]。

圖10 基于Slave SelectMAP 配置原理

圖中：M[2:0]為模式選擇輸入，M[2:0]=3’b110 表示選擇Slave SelectMAP 模式；DATA[31:00]為比特流數(shù)據(jù)，配置的比特文件通過(guò)該端口下載至FPGA；CCLK 為專用配置時(shí)鐘；PROGRAM_B 為專用配置信號(hào)，拉低時(shí)表示清除配置和初始化；RDWR_B 和CSI_B 均為專用配置信號(hào)，RDWR_B 拉低表示測(cè)試系統(tǒng)向FPGA 寫(xiě)數(shù)據(jù)，CSI_B 拉低表示激活Slave SelectMAP 模式；INIT_B 為配置過(guò)程指示信號(hào)，當(dāng)PROGRAM_B 拉低清除配置時(shí)，INIT_B 輸出為低，配置數(shù)據(jù)開(kāi)始到結(jié)束，INIT_B 一直輸出為高；DONE 為配置完成指示信號(hào)，當(dāng)配置數(shù)據(jù)全部加載完畢，等待幾個(gè)時(shí)鐘周期后，DONE 輸出高即表示配置完成。此時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)與FPGA 完成握手通信，F(xiàn)PGA 被配置成特定功能的ASIC。

測(cè)試系統(tǒng)中，LUT 測(cè)試的比特流配置向量和功能向量如圖11 和圖12 所示。圖中，CCLK 和clk 信號(hào)為歸零碼格式，一直發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，其他信號(hào)均為非歸零碼格式。比特流配置向量是將FPGA 配置成特定功能，功能向量是完成特定功能驗(yàn)證，測(cè)試中rst_n 只有在復(fù)位狀態(tài)時(shí)，error 才輸出高電平。如圖13 所示，實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果完全一致。

圖11 比特流配置向量

圖12 功能向量

圖13 基于BIST 的LUT 測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果

3.4 LUT 的故障注入與診斷

為了進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)試方案的準(zhǔn)確性和可靠性，設(shè)計(jì)一種模擬單粒子翻轉(zhuǎn)的故障注入電路[17?18]，其結(jié)構(gòu)如圖14 所示。

圖14 LUT 的故障注入電路

圖中的LFSR[5:1]為線性反饋移位寄存器的輸出，F(xiàn)IS 為故障注入使能。故障注入的原理為：通過(guò)在LUT的任意輸入，如I0 端口增加一個(gè)故障注入電路，如果使能FIS，則I0 的輸入為L(zhǎng)FSR[0]輸出值取反，實(shí)現(xiàn)故障注入；如果不使能FIS，則I0 的輸入即為L(zhǎng)FSR[0]正常輸出值。利用這種方式可以有效地控制故障注入的執(zhí)行與否，最后基于BIST 測(cè)試電路，驗(yàn)證測(cè)試方法的準(zhǔn)確性。

仿真及驗(yàn)證結(jié)果如圖15、圖16 所示。圖中：起始階段rst_n 復(fù)位時(shí)，error 輸出高；rst_n 拉高后，生成的偽隨機(jī)測(cè)試向量輸出到被測(cè)LUT 和黃金模塊的LUT 中。從圖中可以明顯看出，當(dāng)FIS=0 時(shí)，被測(cè)LUT 未注入故障，功能與黃金模塊功能一致，error 輸出為低；當(dāng)FIS=1 時(shí)，被測(cè)LUT 故障注入成功，功能與黃金模塊功能不一致，error 輸出為高。同樣，經(jīng)ATE 的測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

圖15 LUT 故障注入及診斷仿真結(jié)果

圖16 LUT 故障注入及診斷驗(yàn)證結(jié)果

綜上所述，從仿真到驗(yàn)證，證明了所設(shè)計(jì)的新型BIST 測(cè)試電路對(duì)LUT 功能檢測(cè)的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用新型BIST 電路完成了FPGA 內(nèi)部LUT 資源的可測(cè)性設(shè)計(jì)，通過(guò)2 次配置設(shè)計(jì)就能實(shí)現(xiàn)LUT 的100%覆蓋測(cè)試，并基于Xilinx 的一款億門(mén)級(jí)FPGA 完成了測(cè)試驗(yàn)證。結(jié)果表明新型BIST 電路具有良好的測(cè)試效益。本文創(chuàng)造性地提出了黃金模塊比對(duì)思想，只需構(gòu)造出與被測(cè)模塊等同的電路，對(duì)兩者輸出進(jìn)行比較判斷即可。此外，優(yōu)化改進(jìn)的LFSR 電路結(jié)構(gòu)能夠輸出全地址的偽隨機(jī)測(cè)試向量，保證了被測(cè)LUT 測(cè)試圖形的全覆蓋。相較于其他文獻(xiàn)的BIST 可測(cè)性設(shè)計(jì)思路，本文提出的測(cè)試方法具有更好的移植性和操作性，可推廣應(yīng)用于FPGA 其他資源的覆蓋率測(cè)試。