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测试矢量 (Test Vector)

 

也叫测试向量,或者测试模式 ( Test Pattern ); 是提供给被测器件 ( Device under Test, DUT) 以测试该器件的一组输入或激励; 它是能检测集成电路中某个故障的输入激励矢量,叫做该故障的测试矢量。对于组合电路,一个测试矢量只是原始输入信号的一种赋值组合。

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图1     一组测试向量

 

对被测电路施加已知的测试矢量,观察其输出结果,并与已知正确输出结果进行比较而判断芯片功能、性能、结构好坏的过程。图2说明了测试原理,就其概念而言,测试包含了三方面的内容:已知的测试矢量、确定的电路结构和已知正确的输出结果。

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图2    测试测试矢量在测试系统的位置

 

根据测试方式的不同,测试矢量也可以分为3类:

(1)穷举测试矢量(Exhaustive Vector)

穷举测试矢量是指所有可能的输入矢量。该测试矢量的特点是覆盖率高,可以达到100%,但是其数目惊人,对于具有n个输入端口的芯片来说,需要2n个测试矢量来覆盖其所有的可能出现的状态。例如,如果要测试74181ALU,其有14个输入端口,就需要214=16384个测试矢量,对于一个有38个输入端口的16位的ALU来说,以10 MHz的速度运行完所有的测试矢量需要7.64个小时,显然,这样的测试对于量产的芯片是不可取的。

(2)功能测试矢量 (Functional Vector)

功能测试矢量主要应用于验证测试中,目的是验证各个器件的功能是否正确。其需要的矢量数目大大低于穷举测试,以74181ALU为例,只需要448个测试矢量,但是目前没有算法去计算矢量是否覆盖了芯片的所有功能。

(3)结构测试矢量 (Structural Vector)

这是一种基于故障模型的测试矢量,它的最大好处是可以利用电子设计自动化(EDA)工具自动对电路产生测试向量,并且能够有效地评估测试效果。74181ALU只需要47个测试矢量。这类测试矢量的缺点是有时候工具无法检测所有的故障类型。

 

可控制性和可观测性

可控制性(Controllability)和可观测性(Observability)是可测性设计中的重要概念。可控制性表示通过电路初始化输入端控制电路内部节点逻辑状态的难易程度,如果电路内部节点可被驱动为任何值,则称该节点是可控的。可观察性表示通过控制输入变量,将电路内部节点的故障传播到输出端以便对其进行观察的难易程度。如果电路内部节点的取值可以传播到电路的输出端,且其值是预知的,则称该节点是可观察的。

所谓集成电路的可控制性可以理解为将该信号设置成0或者1的难度。如图3所示,对于与门G3输入端口A的固定为逻辑值1的故障,可以通过在外围端口B、C、D、E施加矢量0011来检测,因此认为该节点是可控制的。

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图3     可控制性举例

 

测试矢量生成

寻找若干输入矢量使被测故障激活,并且能将故障的效应传播到原始输出端测量出来,就是当将其施加到被测电路时,测试者能区分正常电路和故障电路

自动测试矢量生成(ATPG,Automation Test Pattern Generation)

ATPG采用故障模型,通过分析芯片的结构生成测试矢量或测试模式,进行结构测试,筛选出不合格的芯片。通常ATPG工具和扫描测试工具配合使用,可以同时完成测试矢量的生成和故障仿真。

首先是故障类型的选择。ATPG可以处理的故障类型不仅是阻塞型故障,还有延时故障和路径延时故障等,一旦所有需要检测的故障类型被列举,ATPG将对这些故障进行合理的排序,可能是按字母顺序、按层次结构或者随机排序。

在确定了故障类型后,ATPG将决定如何对这类故障进行检测,并且需要考虑施加激励向量测试点,需要计算所有会影响目标节点的可控制点。此类算法包括D算法等。

最后是寻找传输路径,可以说这是向量生成中最困难的,需要花很多时间去寻找故障的观测点的传播。因为通常一个故障拥有很多的可观测点,一些工具一般会找到最近的那一个。不同目标节点的传输路径可能会造成重叠和冲突,当然这在扫描结构中是不会出现的。支持产生ATPG的工具有Mentor的Fastscan和Synopsys的TetraMAX。

存储器或逻辑电路内建自测试(Memory Built-in-self-test / Logic Built-in-self-test)

内建自测试是当前广泛应用的存储器可测性设计方法,它的基本思想是电路自己生成测试向量,而不是要求外部施加测试向量,它依靠自身来决定所得到的测试结果是否正确。因此,内建自测必须附加额外的电路,包括向量生成器、BIST控制器和响应分析器,如图4所示。BIST的方法可以用于RAM、ROM和Flash等存储设备和逻辑电路,主要用于RAM中。大量关于存储器的测试算法都是基于故障模型的。常用的算法有棋盘式图形算法和March算法。

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图 4    BIST的基本结构

 

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