автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка подсистемы САПР тестопригодного проектирования СБИС и МЭА

Э ^ ^ На правах рукописи

РЫБАКОВ Василий Владимирович

РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ САПР -ТЕСТОПРИГОДНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВИС И МЭА

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Московском государственном институте электронной техники (Техническом университете)

Научный руководитель : кандидат технических наук, доцент

Кривошапко В.М.

Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор

Баринов В.В.

начальник отдела АО «Ангстрем», кандидат технических наук Бутов A.C.

Ведущая организация : Институт проблем управления РАН

Защита состоится «_»_на заседании

диссертационного совета Д 053.02.01 Московского Государственного Института Электронной Техники (технического университета) (Москва, 103498)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ.

Автореферат разослан «_»_ 199 г.

Ученый секретарь J i i

диссертационного совета / Jf Н.В.Воробьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, РАБОТЫ----------------------

Актуальность темы

Современное развитие микроэлектроники характеризуется двумя тенденциями : постоянным уменьшением геометрических размеров изделий и ростом их сложности. Это приводит к резкому усложнению процесса диагностирования микроэлектронной аппаратуры (МЭА). Традиционный подход к осуществлению диагностирования, базирующийся на концепции создания преимущественно внешней по отношению к объекту подсистемы диагностирования, испытывает все возрастающие трудности, становясь в ряде случаев принципиально неприменимым. В этих условиях возрастает актуальность разработки и использования новых методов решения задачи диагностирования МЭА, основанных на методах обеспечения тестопригодности и самотестируемости СБИС и МЭА. Эффективное решение в этой области должно обеспечивать масштабируемость системы диагностирования при переходе с уровня компонентов (СБИС) на уровень систем (МЭА), стандартизацию способов доступа к разнородным средствам обеспечения диагностируемости, а также выравнивание технического уровня системной логики МЭА и средств, используемых для ее диагностики. Всем этим требованиям отвечает методология обеспечения тестопригодности, предлагаемая системой международных стандартов IEEE 1149.x.

Современный период развития отечественной микроэлектроники характеризуется расширением применения зарубежных СБИС и ультра-СБИС. Это означает, что в отечественной МЭА возникают потребности и возможности совместного использования отечественной и импортной элементной базы. При этом возможности эффективного построения надежной МЭА в значительной степени определяются совместимостью отечественных и импортных СБИС, в том числе по критериям и правилам тестопригодности, что обуславливает актуальность темы диссертации.

Техническая актуальность разработки отечественной версии комплекса средств поддержки обеспечения тестопригодности определяется несколькими моментами :

- отсутствием отечественного аналога разработанной системы;

- высокой стоимостью и отсутствием методической поддержки зарубежных программно-аппаратных комплексов, решающих схожие задачи ;

- значительными техническими проблемами и высокой стоимостью реализации тестирования современной МЭА в условиях применения только традиционных методов, основанных на обеспечении прямого физического доступа к тестовым точкам.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является исследование методов построения тестопригодных микроэлектронных систем и разработка подсистемы САПР тестопригодного проектирования СБИС и МЭА.

В ходе выполнения работы ставились и решались следующие задачи :

1. Совместный анализ структуры современной МЭА и задач ее тестирования.

2. Анализ существующих методов к стандартов обеспечения тестопригодности.

3. Разработка алгоритмического обеспечения синтеза тестов тестопригодных ТЭЗов МЭА.

4. Разработка функциональной и структурной моделей подсистемы САПР обеспечения тестопригодности (ПСОТ) СБИС и МЭА.

5. Разработка программно-аппаратного комплекса средств ПСОТ.

6. Разработка проекта системы обеспечения тестирования и мониторинга ТЭЗов МЭА на основе методологии ОТАв.

Методы исследования

В ходе выполнения работы использовались методы технической диагностики, теория множеств, теория графов, методы структурного программирования.

Научная новизна результатов работы

- Применительно,к решению задачи-синтеза'тестов разработана методика перехода от традиционной схемотехнической модели тестопригодного ТЭЗа МЭА, имеющей квадратичную сложность от его размера, к специализированной модели, сложность которой растет линейно от размера ТЭЗа.

- Разработан алгоритм тестирования межсоединений JTAG-тестопригодных ТЭЗов МЭА, обеспечивающий минимальную по сравнению с известными аналогами длину теста при сохранении его диагностических способностей.

- Показана возможность и разработан метод построения полного теста обрывов межсоединений полностью JTAG-тестопригодного ТЭЗа МЭА при отсутствии информации о структуре его рабочих межсоединений (известны лишь типономиналы установленных JTAG-СБИС и порядок их объединения в структуру граничного сканирования ТЭЗа).

Разработаны функциональная и структурная модели подсистемы САПР обеспечения тестопригодности (ПСОТ) СБИС и МЭА в соответствии с требованиями международного стандарта IEEE 1149.1 (JTAG).

Практическая значимость и результаты внедрения работы

Практическая значимость работы состоит в том, что в ходе ее выполнения впервые разработана отечественная версия комплекса средств ПСОТ, ориентированного на обеспечение тестопригодности СБИС и МЭА. В его состав входят :

- программа экспресс-оценки различных конструктивных решений встроенных в СБИС средств обеспечения тестопригодности, с использованием которой была показана целесообразность применения JTAG-средств обеспечения тестопригодности в современных отечественных БМК ;

- специализированный тестер ТЭЗов МЭА, осуществляющий автоматическое построение полного теста и диагностику неисправностей межсоединений структурно описанного JTAG-тестопригодного ТЭЗа ;

- оригинальная система методического обеспечения тестопри-годного проектирования и тестирования МЭА.

Помимо этого в процессе выполнения диссертационной работы был предложен проект системы обеспечения тестирования и мониторинга ТЭЗов МЭА ответственного применения, основанной на использовании разработанной автором в среде стандартного САПР Cadence библиотеки макроблоков. Библиотека ориентирована на поддержку методологии JTAG и включает спецконтроллер, а также систему многофункциональных регистров, интегрируемых на уровне ТЭЗа и/или на уровне СБИС.

Результаты диссертационной работы применялись :

- при создании и тестировании печатных плат цифровой аппаратуры передачи данных (НИИ «Такт», г.Пермь);

- при разработке систем медицинской диагностики на базе персональных компьютеров (малое предприятие «Аист», г.Москва);

- при разработке проекта отраслевого стандарта «Микросхемы интегральные. Обеспечение качества в процессе разработки. Требования к системе качества разработки и порядку ее аттестации» (ЦНИИ-22 МО РФ, г.Мытищи).

Средства созданной подсистемы САПР использовались :

- при оценке целесообразности применения средств обеспечения тестопригодности в БМК, разрабатываемых и производимых АО «Ангстрем» (г.Зеленоград);

- в учебном процессе МГИЭТ (ТУ) (г.Зеленоград).

На защиту выносятся:

- Впервые разработанная отечественная подсистема САПР, обеспечивающая создание тестопригодной МЭА, соответствующей требованиям стандарта IEEE 1149.1 (JTAG).

- Алгоритм построения полного теста и диагностирования неисправностей межсоединений JTAG-тестопригодного ТЭЗа, формирующий тест минимальной по сравнению с известными аналогами длины при сохранении диагностических способностей теста.

- Впервые предложенный метод построения полного теста

обрывов межсоединений ¿"ТАв-тестопригодного ТЭЗа при отсутствии информации— о — с тру к ту ре—его — р а б о чих "межсоединений и диагностическая процедура, позволяющая локализовать эти обрывы с точностью до вывода ЛТАО-СБИС ТЭЗа.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа содержит введение, три главы, заключение, список литературы (87 наименований) и приложение. Полный объем работы - 168 страницы, в том числе 15 таблиц и 53 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко рассматривается современное положение в области диагностирования МЭА и формулируется цель работы.

Первая глава посвящена постановке задач работы и решению части этих задач, связанной с анализом объектов исследования

и методов их диагностирования. При этом анализ проводится по следующим направлениям :

- обоснование выбора объекта исследования;

- совместный анализ объектов и задач тестирования в рамках

МЭА;

- обобщение информации о существующих методах и стандартах обеспечения тестопригодности МЭА.

По результатам анализа в качестве основного объекта

дальнейшего исследования выбран типовой элемент замены (ТЭЗ) цифровой МЭА, а в качестве базового метода обеспечения его тестопригодности - метод, рекомендуемый стандартом ЛТАС. Этот метод предполагает замену прямого физического доступа к тестовым точкам на косвенный последовательный доступ посредством структуры граничного сканирования. Высокая эффективность применения такого подхода подтверждена проведенным анализом опыта ведущих мировых производителей МЭА и тестового оборудования.

На основе анализа рынка средств поддержки тестопригодности МЭА показана необходимость разработки соответствующих отечественных средств. Эта необходимость обуславливается достаточно высокой стоимостью имеющихся зарубежных аналогов

(главным образом за счет дорогого программного обеспечения) и отсутствием в их структуре средств методической поддержки, необходимых отечественным пользователям.

Вяорая глава посвящена разработке эффективного алгоритмического обеспечения тестирования СГТАС-тестопригодных ТЭЗов цифровой МЭА. При этом рассматриваются :

- новая специализированная модель СГТАС-тестопригодного ТЭЗа для задач тестирования и методика перехода к ней от обычно используемой более сложной схемотехнической модели ;

- модели межсоединений ТЭЗа и их неисправностей ;

- структура разработанного алгоритма тестирования межсоединений <7ТАС-тестопригодных ТЭЗов и диагностическая способность применяемых тестов ;

- новый метод построения теста обрывов межсоединений СГТАС-тестопригодного ТЭЗа МЭА, выполненного по технологии поверхностного монтажа, в условиях отсутствия информации об структуре его рабочих межсоединений ;

- возможные маршруты СГТАО-тестирования ТЭЗов МЭА.

Новая специализированная модель тестопригодного ТЭЗа МЭА. Высокая сложность традиционных схемотехнических моделей МЭА и ее компонентов обуславливает актуальность перехода к специализированным моделям меньшей сложности, обеспечивающим приемлемую адекватность при решении конкретных типов задач в процессе создания и эксплуатации МЭА. В частности, при решении задач ДТАС-тестирования ТЭЗа МЭА может быть осуществлен переход к предложенной и развиваемой автором специализированной модели, основными компонентами которой являются :

- совокупная системная логика использованных при построении ТЭЗа СГТАС - СБИС;

- сгруппированные по критерию принадлежности к конкретному регистру граничного сканирования 0"ТАС-выводы СБИС ТЭЗа ;

- совокупность портов тестового доступа СБИС ТЭЗа ;

- множества ячеек, включенных в организованные в рамках ТЭЗа каналы граничного сканирования ;

- потоки тестовых данных ;

- структуры данных, характеризующие отдельные компоненты системы тестирования.

Для каждого^ множества_ ячеек,._образугащих- конкретный -канал---------

граничного сканирования, в модели предполагается наличие структур!;; данных в виде массива, содержащего слова состояний ячеек. При формировании полного перечня возможных полей слова состояния ячейки учитывались особенности построения тестовой логики.

Помимо описания структуры регистров граничного сканирования в модели присутствует структура данных, содержащая информацию о взаимосвязанности JTAG-выводов через внешние межсоединения СБИС ТЭЗа в виде набора списков связности выходных выводов СБИС. Каждая запись (строка) такого списка содержит указание на один из входных выводов, с которым связан рассматриваемый выходной вывод.

В структуре модели присутствуют также несколько потоков данных, которые обеспечивают взаимодействие отдельных компонентов модели и, вместе с тем, отображают реально существующие в аппаратуре информационные потоки.

Формальный переход к предлагаемой модели от обычно используемой схемотехнической осуществляется на основе декомпозиции последней. При этом в структуре ТЭЗа выделяется три подсистемы (табл.1), для каждой из которых существует своя форма представления в рамках специализированной модели. Первой подсистемой является совокупность использованных при построении ТЭЗа СБИС. Эти СБИС могут быть трех типов :

- JTAG - СБИС ( (SJTP с SIO_C) => (С е SJC) , где SIO_C - множество выводов СБИС С, SJTP = {ТСК,TMS,TDI,TDO}, SJC = {JC.} — множество JTAG-СБИС);

- JTAG-нетестопригодные СБИС типа 1 (NJC_1), не преобразующие информацию (RAM, регистры, и т.п.) ;

- JTAG-нетестопригодные СБИС типа 2 (NJC_2), преобразующие информацию (Standard Logic, ASIC, и т.п.).

Второй выделяемой подсистемой является совокупность портов тестового доступа JTAG-СБИС, третьей - совокупность цепей граничного сканирования ТЭЗа. При этом функциональный тип ячейки граничного сканирования определяется перечнем выполняемых ячейкой JTAG- функций.

Таблица 1. Декомпозиция модели ЛТАС-тестопригодного ТЭЗа МЭА.

Е1 - описание внешнего системного интерфейса СБИС; В13Т1 - описание интерфейса самотестирования СБИС; ТИС - описание временных параметров внешнего интерфейса СБИС.

Подсистемы аппаратурных средств в структуре ТЭЗа Исходная модель Специализированная модель

Системная логика СБИС, ВХОДЯЩИХ Б состав ТЭЗа Полная логическая или электрическая принципиальная схема (FC) ЛДВ-СБИС 0 or EI or BISTI СБИС MJl TWC and EI СБИС HJ2 [TWC and El! or FC

Порты тестового доступа 0"ТАб-СБИС ТЭЗа - Модель JTAG-контроллера в форме SD_F3M. - Длина "JTAG-регистров

Цепи граничного сканирования в составе ТЭЗа Описание Функциональных типов используемых ячеек граничного сканирования и порядка их следования.-

Помимо снижения на порядок сложности используемой модели, предлагаемый подход обеспечивает проведение эффективной декомпозиции объекта тестирования и выделение подсистемы аппаратных средств, участвующей в реализации конкретной тестовой процедуры без потери целостного представления об объекте. Он также позволяет определить необходимый и достаточный объем информации об объекте, требующийся для реализации отдельных тестовых процедур, и упрощает построение эффективных тестовых последовательностей.

Модели межсоединений и их неисправностей. При тестировании ТЭЗов важно определиться с моделью межсоединения. Под межсоединением в работе понимается эквипотенциальная сеть соединенных проводников, имеющая ряд входов (драйверов, определяющих состояние сети) и выходов. При этом вход сети может быть представлен либо выходным выводом СБИС либо входным выводом внешнего разъема ТЭЗа. Выходу сети может соответствовать входной вывод СБИС или выходной вывод внешнего разъема ТЭЗа.

В общем случае состояние межсоединения может определяться несколькими независимыми входами (драйверами), принадлежащими

различным микросхемам. Учитывающие этот факт модели сетей межсоединенйи"с~~нёсколькими формирователями состояния позволяют описать встречающиеся в реальных ТЭЗах монтажные объединения нескольких логических сигналов. Вместе с тем, применение JTAG-средств позволяет логически декомпозировать такие сложные межсоединения в процессе тестирования на ряд межсоединений, каждое из которых имеет один формирователь. Кроме того, в основной массе случаев в процессе нормального функционирования платы одновременная активизация более одного драйвера, связанного с конкретным межсоединением, запрещена во избежание возникновения конфликтов. Поэтому разработка алгоритмического обеспечения JTAG-тестирования проводилась с использованием модели межсоединения с одним формирователем.

Что касается неисправностей межсоединений, то в работе рассматриваются лишь те из них, которые возникают исключительно

в процессе установки на подложку платы кристаллов ИС (обрывы и короткие замыкания). От этих неисправностей следует отличать неисправности с неопределенным генезисом, например, сверхбольшие взаимные емкости в разводке металлизации, которые могут быть обусловлены ошибками проектирования.

Алгоритм построения полного теста и диагностирования межсоединений JTAG-тестопригодного ТЭЗа. В рамках ТЭЗа общем случае должны быть решены задачи тестирования установленных СБИС и связывающих их межсоединений. Высокая сложность современных СБИС затрудняет их внешнее тестирование в составе ТЭЗа. В этих условиях основное внимание следует сосредоточить на поддержке самотестирования СБИС и тестировании межсоединений. Именно для решения этих задач в начале 90-х годов под эгидой IEEE бьш разработан стандарт JTAG. В ходе обсуждения и использования стандарта было предложено множество конкретных алгоритмов и методик, направленных на их решение. В частности, в ряде зарубежных источников был проведен сравнительный анализ различных решений и выделено подмножество методик JTAG-тестирования межсоединений, дающих наилучшее соотношение "длина теста - проверяющая способность". Вместе с тем, не был явно сформулирован алгоритм построения полного JTAG-теста

межсоединений. Проведенное в ходе выполнения работы исследование показало возможность формулирования такого алгоритма и позволило улучшить сделанные ранее предельные оценки длины выполняемых в ходе его реализации тестов.

Оценка длины ЛАй-теста межсоединений ТЭЗа, получаемого в результате применения разработанного алгоритма, проводилась относительно случая полностью ЛАС-тестопригодного ТЭЗа, который формально может быть определен следующим образом :

(( ЭЭТР с Б10_Р ) & (ЭС_Р с БСГС)) => (Р е Бав),

где ЗЛР - {ТСК,ТМЗ,ТБ1,ТП0},

310_Р - множество выводов разъемов ТЭЗа Р,

БС_Р - множество СБИС, используемых в ТЭЗе Р,

ЭТС - множество СГТАС-тестопригодных СБИС,

БЛЗ - множество полностью ОТАС-тестопригодных ТЭЗов.

Вместе с тем, на сегодняшний день в силу ряда объективных причин практически не существует ТЭЗов, полностью отвечающих требованиям стандарта ЛАС. Поэтому, применяя предлагаемые алгоритмы в процессе тестирования реальных изделий, следует отдавать себе отчет в .том, что они обеспечивают выявление неисправностей лишь в частично или полностью ЛАв-совместимых межсоединениях. Полнота ЛАС-тестов, таким образом, прямо пропорциональна степени ЛАС-совместимости объекта тестирования.

Исходя из рассмотренной выше специализированной модели тестопригодного ТЭЗа, будем считать ЛАС-тест его межсоединений полным, если он включает в себя следующие процедуры :

- проверку правильности функционирования контроллеров портов тестового доступа (ТАР) СБИС ТЭЗа;

- проверку целостности стандартных СГТАС-регистров (регистров обхода, команд, граничного сканирования) СБИС ТЭЗа;

- проверку отсутствия обрывов межсоединений;

- проверку отсутствия коротких замыканий межсоединений.

При этом с точки зрения рассматриваемого алгоритма тестирования

ч

такая последовательность выполнения тестовых операции существенна.

Проверка правильности функционирования ТАР-контроллера может быть реализована методами опосредственного определения

состояния, либо использованием.встроенных в^него дополнительных-----------

средств самотестирования. Для конкретных типов схем структура этих средств может быть специфической. Вместе с тем, тест целостности 11ТАС-регистров позволяет параллельно сделать мотивированное заключение о нормальном функционировании контроллера, диаграмма состояний которого определяет правила функционирования встроенных в СБИС |1ТАС-средств. В процессе проверки целостности ЛГАС-регистров контроллер за счет последовательных переходов из одного состояния в другое реализует более 2/3 от общего числа этих переходов. При этом любая ошибка перехода с очень большой долей вероятности приводит к получению результата тестирования, не совпадающего с эталоном. И хотя при этом возникает некоторая дополнительная неопределенность диагноза, локализация неисправности именно в подсистеме ЛГАв-средств сохраняется. Эти соображения явились причиной отсутствия специального теста контроллера в обсуждаемом комплексном алгоритме.

Интегральная оценка минимальной длины предлагаемого теста межсоединений полностью ЛТАС-тестопригодного ТЭЗа может быть выражена следующим утверждением.

Утверждение 1.

УРеЗОВ ВЮТ : (1Л\ТВ=2 [1од2Ш +5) & ФОМВ = п (30_Ри38_Ри8Л0_Р) ) ,

где БО_Р - множество обрывов межсоединений ТЭЗа Р,

ЭЗ_Р - множество коротких замыканий межсоединений ТЭЗа Р, БЛО_Р - множество неисправностей входных и выходных каскадов

СТСеЗС_Р, ТОВ - ОТАС-тест ТЭЗа Р,

1/ЮВ - минимальная длина .ХГАС-теста ТЭЗа

(измеряемая в циклах граничного сканирования ТЭЗа), Б^В - диагностическая способность ¡ХГАб-теста ТЭЗа, N - общее количество межсоединений СБИС ТЭЗа.

В этой оценке учтен тест целостности регистра граничного сканирования ТЭЗа, тесты обрывов и коротких замыканий. Тесты целостности регистров команд и обхода ОТАв-СБИС ТЭЗа не учтены, поскольку их длиной, как правило, можно пренебречь в сравнении с полной длиной интегрального теста. Структура этих последних

тестов аналогична структуре теста целостности регистра граничного сканирования.

Доказательство существования теста, имеющего оговоренные утверждением 1 длину и диагностическую способность, основывается на рассмотрении алгоритма построения такого теста. Структура и состав предлагаемого полного ОТАй-теста межсоединений ТЭЗа представлены на рис.1.

Структура теста

Состав теста

Процедура Reset

Тест целостности ДТАО-регистров

(oioi-oioi)-

otTDI

к TDO

Тест обрывов межсоединений

от TDI

к TDO

1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0

а 0 1 0 1 i 1 0 1 0 0 0 0 1

1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0

Тест коротких

замыканий межсоединений

otTDI

к TDO

1 1 I 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0

1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0

0 0 1 I 0 0 1 I 0 0 1 1 0 0

1 0 1 0 [ 0 1 0 1 0 1 0 1 0

0 0 0 0 0 0 1 I I 1 I I I I

0 0 I 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1

I I 0 0 I 1 0 0 1 1 0 0 1 1

0 I 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

На первом этапе, после стандартной процедуры Reset,

реализуется проверка___целостности-регистров граничного

сканирования ТЭЗа с использованием известного теста типа 010101010... На втором этапе выполняются тесты, ориентированные на выявление обрывов и коротких замыканий межсоединений.

Тест обрывов представляет собой модификацию известного теста, суть которого состоит в установке всех драйверов сетей межсоединений ТЭЗа в состояния логического нуля и единицы с наблюдением соответсхвующих сигналов на выходах этих сетей. Модификация теста заключается в добавлении третьего цикла сканирования. Сделано это в целях повышения диагностической способности теста, что связано с возможностью организации параллельного JTAG-тестирования межсоединений и связанных с ними выходных каскадов JTAG-СБИС едиными тестами. Действительно, при реализации JTAG-тестирования межсоединений тестовый сигнал распространяется между входной и выходной JTAG-ячейками, проходя через выходные и входные каскады связанных соответствующим межсоединение СБИС. Это свидетельствует о принципиальной возможности JTAG-тестирования этих каскадов. С другой стороны, в широко распространенных КМОП-схемам за формирование переключательных сигналов "из 0 в 1" и "из 1 в 0" в выходных каскадах, как известно, отвечают физически различные группы транзисторов. Для подобных схем в процессе тестирования обязательна проверка правильности формирования обоих переключательных сигналов. Возможность такой проверки как раз и обеспечивается тестом обрыва межсоединений с показанной на рисунке 2 структурой.

Следует отметить, что параллельно рассматривая тестирование собственно межсоединения и соответствующих выходных каскадов, мы фактически переходим к модели межсоединения как некоторого сложного образования, включающего сеть проводниковых соединений логических выводов СБИС ТЭЗа, а также соответствующие формирователи сигналов в этой сети. В условиях использования такой обобщенной модели межсоединения произвольный путь распространения сигналов между JTAG-СБИС может быть представлен в виде : системная логика первой СБИС, межсоединение, системная логика второй СБИС.

Такой подход облегчает, в частности, последующее решение задачи взаимотестирования компонентов ТЭЗа.

Диагностика по результатам теста обрывов проводится следующим образом.

1. Путем десериализации результатов тестирования, полученных с помощью средств граничного сканирования ЛТАС, формируется таблица, каждая строка которой отражает поведение определенного вывода одной из ОТАв-СБИС ТЭЗа. При этом каждая строка, помимо списка последовательных состояний соответствующего вывода, содержит порядковые номера позиций в исходном последовательном коде, содержавших состояния текущего вывода. Это необходимо для однозначной идентификации положения текущего вывода в регистре граничного сканирования ТЭЗа.

2. Путем сортировки строки таблицы разбиваются на три категории, в первую из которых входят строки, содержащие 110011, во вторую - содержащие 100110, а в третью - все остальные строки. Таким образом, в первой группе сосредотачиваются выводы, потенциально являвшиеся формирователями сигналов в межсоединениях; во второй - потенциальные приемники сигналов (выходы межсоединений), в третьей - выходы потенциально неисправных межсоединений, а также неиспользуемые входы аТАй-СБИС ТЭЗа.

3. Путем сравнения полученной таблицы с эталонной базой данных, содержащей информацию о структуре регистров граничного сканирования платы, производятся следующие операции :

- проверка на соответствие эталонному списку входов/выходов первых двух категорий строк ;

- исключение из третьей группы строк, соответствующих неиспользуемым выводам ;

- формирование второй таблицы, ставящей в соответствие каждой их оставшихся строк третьей группы эталонный набор состояний соответствующего вывода, исходя из эталонных данных об объекте.

4. По результатам анализа второй таблицы формируется заключение о наличии и локализации неисправностей.

Суть предлагаемого теста коротких замыканий состоит в том, чтобы сделать сеть каждого межсоединения уникальной с

точки зрения пропускаемой через нее информации. При наличии короткого замыкания любой пары_межсоединений они теряют свою - уникальность ,'поскольку в этом случае их поведение становится тождественным. Согласованность поведения служит, в свою очередь, различимым средствами JTAG необходимым условием наличия короткого замыкания межсоединений.

В процессе реализации алгоритма сначала в течение нескольких ([log2N] , где N - общее число межсоединений ТЭЗа) полных циклов сканирования регистра граничного сканирования ТЭЗа на каждую из выходных его ячеек побитно загружается код, отличный хотя бы в одном разряде от соответствующего кода любой другой выходной ячейки. После каждого цикла сканирования осуществляется параллельный запуск соответствующих значений по сетям межсоединений, что приводит к переопределению состояний входных ячеек. Информация об этих состояниях автоматически извлекается из регистра в ходе последующих циклов сканирования для анализа. Признаком короткого замыкания пары межсоединений служит совпадение их выходных кодов.

Затем та же операция повторяется с инверсными кодами. Необходимость этого связана с тем, что синдром совпадения кодов двух межсоединений не тождественен, в общем случае, ни одному из их кодов и может совпадать с уникальным кодом третьего межсоединения. При этом возникает неопределенность диагноза, которая должна быть преодолена. Как было показано в литературе, инвертирование кодов межсоединений устраняет эту неопределенность.

Неопределенность в диагноз может быть также внесена достаточно редко встречающимися случаями, когда синдромы двух независимых ошибок оказываются абсолютно тождественными. При наличии таких случаев для соответствующих подмножеств сетей межсоединений можно провести дополнительный локальный тест типа "бегущая единица" для окончательного уточнения диагноза.

Предлагаемый алгоритм построения тестов обрывов является модификаций известного алгоритма True/Complement Test and Diagnosis Algorithm, который на основании проведенного в литературе сравнительного анализа признан наиболее быстрым среди не уточняющих диагноз алгоритмов. Усовершенствование

автором этого алгоритма состоит в том, что за счет предварительной проверки отсутствия обрывов при проверке коротких замыканий можно использовать тестовые наборы типа "ООО...00" и "111...111". Таким образом улучшается оценка интегральной длины теста коротких замыканий. От типичной оценки 2[log2{N+2)] полных циклов сканирования регистра граничного сканирования платы, где N - число тестируемых сетей межсоединений, а квадратные скобки означают округление до большего целого, мы переходим к оценке 2[log2N] . Для N, кратных степеням двойки, или меньших одной из них на единицу, использование предлагаемого теста может дать сокращение интегральной тестовой последовательности на два полных цикла сканирования регистра граничного сканирования ТЭЗа (табл.2), что становится тем более выгодно, чем длиннее этот последний регистр и чем больше партия тестируемых ТЭЗов.

Таблица 2. Сравнительная характеристика тестов межсоединений.

Единицы ■шеренив Длина ранее известного тестя - аналога Длина предлагаемого теста Максимальный выигрыш от применения предлагаемого теста

Циклы граничного сканирования x+2[logi(N+2)I 5 +2 (logiNl 2+(х-5)

Такты ♦ L (x+2|log2 (N+2)J) L (5 + 2 (logi N]) 2L + (x-5)L

* I. - длина используемого регистра граничного сканирования х - длина теста обрывов и целостности ПАСг-регастроа (х > 4)

Диагностическая процедура по результатам теста коротких замыканий предполагает выполнения следующих действий.

1. В последовательности выдвигаемых из регистра граничного сканирования данных выделяется информация о состояниях всех входных ячеек и формируется соответствующая таблица.

2. Выполняется процедура сортировки таблицы. При этом строки с одинаковым содержимым собираются вместе. В отсутствие коротких замыканий соответствующие одинаковым строкам входные выводы должны объединяться сетью одного межсоединения.

3. Путем сравнения полученных результатов с эталонной базой данных, содержащей информацию о межсоединениях ТЭЗа, выявляется наличие и месторасположение коротких замыканий.

Новый метод построения тестов и диагностирования обрывов межсоединений ТЭЗа в условиях отсутствия' информации об их структуре. В практике интеграции и ремонта МЭА нередко встречаются ситуации, когда нет сведений о разводке рабочих межсоединений конкретного ТЭЗа. При необходимости его диагностирования в общем случае приходится применять эвристические методы с неясной степенью покрытия потенциальных неисправностей. Однако, как было показано в диссертации, возможно точное решение рассматриваемой задачи диагностирования для JTAG-тестопригодных ТЭЗов (печатных плат), изготовленных по технологии поверхностного монтажа, когда около 90% неисправностей ТЭЗов обусловлены непропаем (обрывами) в местах соединения выводов СБИС с контактными площадками ТЭЗа.

Утверждение 2.

Для любого ТЭЗа PeSJB существует тест TJB с DTJB=n(SO_P), не зависящий от структуры графа GI_P межсоединений ТЭЗа, и формальный анализатор, локализующий обрывы OeSO_P с точностью до вывода СБИС JCeSJC_P, при наличии информации о типономиналах этих СБИС и порядке их объединения в цепь граничного сканирования ТЭЗа .

Доказательство этого утверждения следует из существования процедуры построения теста и диагностирования, представленной в таблице 3, где используются следующие условные обозначения:

Jin и JOut - множество JTAG-входов и JTAG-выходов СБИС

n(JIn) и n(JOut) - число JTAG-входов и JTAG-выходов СБИС ТЭЗа. n(EIn) и n(EOut) - число входных и выходных каналов внешних разъемов ТЭЗа.

разъемов ТЭЗа.

TJIni и TJOutj - тесты, подаваемые на i-ый JTAG-вход и j-ый JTAG-выход.

Ein и EOut

ТЭЗа.

множество входных и выходных каналов внешних разъемов ТЭЗа.

Jini и JOutj EInk и EOutl

i-ый JTAG-вход и j-ый JTAG-выход СБИС ТЭЗа. k-ый входной и 1-ый выходной каналы внешних

EJIni REOutl

TEInk

тест, подаваемый на к-ый вход внешних разъемов ТЭЗа.

реакция, наблюдаемая на 1-ом JTAG-вxoдe. реакция, наблюдаемая на 1-ом выходе внешних разъемов ТЭЗа.

Таблица 3. Этапы построения тестов и диагностирования обрывов межсоединений ЭТАС-тестопригодного ТЭЗа при отсутствии информации о структуре его рабочих межсоединений.

Этапы Тестовые воздействия Тестовые реакции Результаты диагностирования

Синдромы в местах отсутствия обрывов (И) Синдромы в местах потенциальных обрывов (Н)

1. Выявление обрывав на ЛТАС-входах Vj TJOutj=101 Vi TJIni=010 ХИ RIni=101 1Н RIni=010 По синдрому 1Н сформировано ACJIn, объединяющее потенциально оборванные Jini

2. Выявление обрывов на ЛАС-выходах for j=l to n(JOut) begin Vi TJIni=01; TJOutj=10; Vra^j TJOutm=01 end 2И При данном j 3i RJIni=10 2Н При данном j Vi RIni*10 По синдрому 2Н сформировано BCJOut, объединяющее потенциально оборванные JOutj

3. Выявление подмножества ЛТАС-выводов, связанных с внешними разъемами ТЭЗа и обрывов в распайке этих разъемов a for j=l to n(JOut) begin TJOutj=10; Vm*j Tj0utm=01 end ЗаИа Для JOutj 31 REOutl=10 ЗаИб Для EOutl 3j REOutl=lD ЗаНа Для JOutj Vi REOutl^lO ЗаНб Для EOutl Vj REOutl*10 По синдрому ЗаИа сформировано CCJOut, элементы которого исключаются из В. По синдрому ЗаНб сформировано DcEOut, объединяющее потенциально оборванные EOutl

6 for k=l to n(EIn) begin Vi TJIni=01 ; TEInk=10; Vm*k TEInm=01 end ЗбИа Для Jini Эк RJIni=10 Збие Для EInk 3i RJIni=10 ЗбНа Для Jini Vk RJIni*10 ЗбНб Для EIni Vi RJIni^lO По синдрому ЗбИа сформировано ECJIn, элементы которого исключаются из А. По синдрому ЗбНб сформировано Fe Ein, объединяющее потенциально оборванные EInk

4. Формирование множества обрывов М = (А\Е) VJ (В\С) U D W Г

Маршруты тестирования СГТАО-тестопригодной МЭЙ.. Возможна организация нескольких маршрутов-тестирования МЭА. Первый маршрут может быть реализован в предположении об абсолютной надежности используемых СБИС. В этом случае, после обязательной проверки тестовой логики системы, проводится тестирование внутренних межсоединений ТЗЗов и связывающих их каналов системной магистрали. Затем осуществляется расширенное функциональное диагностирование аппаратуры. Параллельно через систему средств тестового доступа может быть организовано наблюдение за изменением состояний ряда внутренних диагностических точек аппаратуры.

При наличии сомнений в правильности функционирования используемых СБИС может быть реализован второй маршрут, который, помимо этапов первого маршрута, включает запуск процедур самотестирования СБИС. При отсутствии таких средств у некоторых СБИС и схем средней и малой степени интеграции, для этих схем может быть организовано внешнее тестирование. Однако объем такого тестирования и частота, на которой оно осуществляется, ограничивается последовательным характером доступа к выводам кристаллов при использовании ^АО-средств. Поэтому с его помощью можно отследить лишь основные характерные особенности функционирования объектов тестирования на низких частотах.

Использование Л^ГАС-средств предоставляет также интересные возможности с точки зрения организации взаимотестирования. Понятие взаимотестирования введено в работе для обозначения тестовой процедуры, при которой сначала одна часть системы выступает в качестве источника тестов и накопителя результатов тестирования, а вторая рассматривается как объект тестирования. Затем эти части меняются местами. Возможны и более сложные конфигурации, при которых, например, система делится на три части (источник теста - объект тестирования - накопитель результатов тестирования) или в качестве источника тестов и/ или накопителя результатов используется подсистема памяти, не являющаяся сама по себе 1ТТАС-тестопригодной. Взаимотестирование является завершающим этапом третьего маршрута тестирования МЭА.

Третья глава содержит описание разработанной ПСОТ. В частности рассматриваются разработанные функциональная и структурная модель ПСОТ, набор ее программно-аппаратных средств Показана взаимосвязь этих средств через специализированную базу данных и подсистему методического обеспечения.

ПСОТ обеспечивает частичную или полную реализацию ряда функций, обычно реализуемых традиционными подсистемами САПР и тестовым оборудованием, а также вручную. К их числу относятся:

- ввод информации об объекте тестирования,

- доопределение объекта для обеспечения тестопригодности,

- автоматизированный синтез проверяющих и диагностических тестов,

- подача тестов на объект,

- формирование диагноза.

Отличительными особенностями ПСОТ в плане реализации этих функций является то, что многие из них реализуются автоматически, а также то, что ПСОТ ориентирована на максимальный учет специфики тестовой логики объектов тестирования. В качестве объектов при этом могут рассматриваться СБИС, ТЭЗы,- МЭА в целом.

Разработанный программно-аппаратный комплекс средств ПСОТ (рис.2), помимо сравнительно невысокой стоимости (порядка $2000 в базовом варианте) имеет ряд достоинств, к числу которых относятся:

- минимальная специальная аппаратурная часть;

- возможность использования в качестве управляющего тестированием центра практически любого РС-совместимого компьютера;

- использование эффективного алгоритмического обеспечения;

- всесторонняя методическая обеспеченность;

- русскоязычный интерфейс системы.

С использованием разработанного комплекса средств была проведена оценка эффективности применения средств обеспечения аТАС-тестопригодности в отечественных БМК. Представленные на рис.3 результаты оценки уровня вносимой избыточности свидетельствуют о целесообразности внедрения <ТТАС-средств во вновь разрабатываемые отечественные схемы сложностью более 20000 вентилей.

Рис.2 Архитектура разработанного комплекса средств обеспечения тестопригодности

Аппаратурная избыточность

%

50 40 30

20 -

10

БМК 1515ХМ1

10000 20000 30000 40000 50000

Вентильная емкость СБИС

Рис.3. Результаты анализа эффективности применения ЛТАС-средств в отечественных БМК.

Второй раздел третьей главы содержит описание разработанного проекта системы обеспечения тестирования и мониторинга ТЭЗов МЭА ответственного применения на основе методологии ЛГАв. Степень проработанности проекта определяется следующими достигнутыми результатами :

- разработана библиотека СГТАв-макроэлементов в базисе стандартной библиотеки с проектными нормами 0.5 мкм для поддержки ЛТАО-ориентированного тестирования и мониторинга ТЭЗов МЭА ;

- выбран круг методов и разработана структура средств, обеспечивающих тестирование, самотестирование и мониторинг ТЭЗа типовой структуры ;

- получена оценка относительной эффективности применения предлагаемой системы в реальной МЭА ответственного применения.

В завершающем разделе главы анализируются результаты

внедрения средств обеспечения тестопригодности в отечественную' микроэлектронную_индустрию.-----------

Приложение к диссертации содержит сформированное автором краткое изложение основных положений стандарта ХЕЕЕ 1149.1 (JTAG) (объемом 25 стр.).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Показана перспективность использования стандарта IEEE 1149.1 (JTAG) и актуальность разработки подсистемы САПР в целях обеспечения тестопригодности отечественной МЭА и ее компонентов.

2. Разработан алгоритм тестирования межсоединений JTAG-тестопригодных ТЭЗов МЭА, обеспечивающий минимальную по сравнению с известными аналогами длину теста при сохранении его диагностических способностей.

3. Показана возможность и разработан метод построения полного теста обрывов межсоединений JTAG-тестопригодного ТЭЗа в условиях отсутствия информации о структуре ее рабочих межсоединений (известны лишь типономиналы JTAG-СБИС ТЭЗа и порядок их объединения в структуру граничного сканирования ТЭЗа).

4. Разработана отечественная подсистема САПР, обеспечивающая тестопригодность разрабатываемой МЭА на основе методологии стандарта JTAG.

5. Разработан проект системы обеспечения тестирования и мониторинга ТЭЗов отечественной МЭА на основе методологии JTAG.

Результаты диссертационной работы отражены в 4 отчетах по НИР. Основные положения работы докладывались и обсуждались на 4 конференциях по проблемам микроэлектроники и технической диагностики в 1994-1997 годах.

По материалам диссертации опубликованы следующие печатные работы :

1. Рыбаков В.В., Жирнов Д.В., Кривошапко В.М. Обучающая система по тестопригодному проектированию СБИС и РЭА. // Тезисы XVIII межреспубликанской школы-семинара по технической

диагностике и технологии банковских расчетов. - Пермь, 1994.

2. Кривошапко В.М., Рыбаков В.В. Тестирование межсоединений микроэлектронной аппаратуры с помощью JTAG-средств.

М.:,Электронная промышленность, №6, 1995, с.59-61.

3. Антонов A.A., Исмагилов A.A., Кривошапко В.М., Рыбаков В.В. Диагностирование цифровой аппаратуры с помощью JTAG-средств. // Тезисы международной школы-семинара "Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте". - Алушта, 1995.

4. Кривошапко В.М., Рыбаков В.В. Специализированный JTAG-тестер межсоединений печатных плат. - М.:, Известия высших учебных заведений. Электроника, 1997, № 2, стр.68-76.

5. Рыбаков В.В., Буссель Ю.А. Универсальный программно-аппаратный комплекс проектирования, тестирования и отладки JTAG-тестопригодного микроэлектронного оборудования. // Тезисы межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика - 97". - М.: МИЭТ, 1997.

Заказ 1348 Отпечатано в

Тираж 120 экз. объем 1,0 уч. изд. л. типографии НПО "ФоМос"