用全速电流测试方法检测PIC12F509微处理器

用全速电流测试方法检测PIC12F509微处理器的实验研究邓杭剑，邝继顺湖南大学计算机与通信学院，湖南长沙（410082）E-mail：ziodeng@摘要：全速电流测试是一种新的电路测试方法。

本文将一种指令级的全速电流测试方法应用到RISC指令集流水线结构的PIC12F509微处理器的测试实验中。

实验结果表明指令级的全速电流测试方法对PIC12F509微处理器进行测试是可行的。

关键词：全速电流测试，PIC12F509微处理器，指令级，流水线中图分类号：TN7071. 引言随着制造工艺的改进以及设计的复杂化，集成电路的测试变得越来越困难，传统的电压测试方法和稳态电流测试（I DDQ Testing）方法[1]已不能满足高性能集成电路的测试要求。

为此，人们提出了瞬态电流测试（I DDT Testing）方法[2]，它能发现一些其他测试方法所不能发现的故障，从而可以进一步提高测试的故障覆盖率，满足人们对高性能集成电路的需要[3,4]。

然而瞬态电流测试方法要求测试仪能够捕捉高速电路中瞬间的电流情况，难度很大，对测试设备的要求很高，目前的测试设备很难达到要求。

为了降低对测试设备的要求，人们又提出了全速电流测试（I DDA Testing）方法[5]。

1虽然全速电流测试已经有了一定的理论基础，但实际效果如何有待进一步验证[6]。

本文希望在PIC微处理器的测试实验中验证此方法。

文章第2部分先介绍PIC微处理器的内部结构以及全速电流测试的有关知识；第3部分论述如何生成测试序列；第4部分介绍PIC微处理器的测试实验并对实验数据进行分析；最后是结语。

2. 相关知识介绍2.1 全速电流测试瞬态电流是指电路在转变过程期间，由于电路中PMOS管和NMOS管可能在瞬间同时导通以及电路中等效电容的充放电效应，发生剧烈而复杂变化的电源电流，其大小主要和电路发生转变时所产生的逻辑跳变数相关，通过SPICE模拟得出瞬态电流的大小和电路中产生的逻辑跳变数成正比[7]。

全速电流测试方法的原理是将稳态电流测试方法和瞬态电流测试方法结合起来，在一段时间内对被测电路反复输入两个交替变换的测试向量，在电路状态不断变化时，通过测试瞬态电流的平均值来判断电路的好坏[8]。

如果故障电路和无故障电路由于电路跳变差异导致的电流差别足够大，则可以以此来区分故障电路和无故障电路。

为了使全速电流测试方法在微处理器的测试中更加简单易行，本文结合PIC微处理器的指令特点，在对其进行测试时，不对微处理器施加外部激励，而是将指令序列写入微处理器的程序存储器作为测试激励。

待指令写入后，令微处理器循环运行测试指令，与此同时测量1本课题得到国家自然科学基金（项目编号：60173042）的资助。

电源端的电流信号。

这样的转变降低了对设备的要求，使微处理器的测试更加简单易行。

我们将这种测试方法称为指令级全速电流测试方法。

2.2 PIC12F509流水线结构及指令执行时序PIC12F509是一种RISC指令集的8位微处理器，它采用独特的哈佛总线结构，在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采用了不同的总线宽度，将程序存储器的字长从8位宽扩展到12位宽，使其可带所有单字指令。

PIC12F509程序存储器在一个指令周期内完成取指，两级流水线结构使其可在取指的同时执行指令。

因此，除程序跳转指令之外的所有指令（33 条）都在一个指令周期内执行。

其结构框架如图1所示。

图1 PIC12F509结构框架图图2 指令执行时序图一个指令周期由四个Q节拍组成（Q1、Q2、Q3和Q4）。

取指周期由Q1节拍中PC 加1开始。

在Q4节拍从程序存储器取指并将指令锁存到指令寄存器。

在执行周期中，在Q1节拍将所取指令锁存到指令寄存器。

然后在Q2、Q3和Q4节拍中对该指令译码并执行指令。

其中读数据存储器（读操作数）发生在Q2节拍，写操作发生在Q4节拍（写目标单元）。

其时钟和指令执行流程如图2所示。

3. 测试指令序列的产生为了使测试覆盖到图1中的每个部分，我们对图1中的每一条通路进行测试，这里说的通路是以一个数据存储单元（例如程序存储器，内存单元，特殊功能寄存器等）为起始点，经过总线或寄存器之间的传输线到达另一个数据存储单元的通道[6]。

如果测试能够覆盖到图1中的所有通路，我们认为测试已经达到理想的故障覆盖率。

3.1测试指令序列的组成测试序列一般由三部分构成：第一部分是初始化指令；第二部分是测试指令；第三部分是跳转指令。

下面以测试内存（07h）至运算器这条通路的程序为例说明这三部分指令，它的测试指令序列是：movlw kmovwf 07hmovlw 00h ；前三行为初始化指令loop andwf 07h,0andwf 07h,0………andwf 07h,0 ；测试指令goto loop ；跳转指令初始化指令在程序中只执行一次，主要用以设置数据存储单元的初始值，其中k为立即数。

在选择初始数据时，我们考虑的是数据中1的位数，而非数据的大小。

这是因为数据在待测通路上是以位为单位并行传输的，相同的跳变发生在不同的位上对电流的影响并没有区别，不同数据对电流产生的影响也应该以位为单位进行考虑。

最后一行为跳转指令，是测试序列的最后部分，它的作用是让测试指令能够重复的执行。

中间部分是测试指令，它是测试序列的主体部分，主要用以激活待测数据通路。

为了消除跳转指令的影响，测试指令重复的次数应该越多越好，但由于受到程序存储器的限制（PIC12F509的程序存储器大小为1k），我们在程序中让其重复1000行。

3.2测试指令序列产生策略对待测通路进行测试产生，需要选择能够激活此通路的测试指令，激活待测通路包含两层意思：一是测试指令能够使待测通路变化，也就是让测试指令在它的指令周期内能使待测通路产生跳变；二是测试指令能够使待测通路单独变化，或者说测试指令能够使多条通路同时发生变化，但只有一条通路的情况是未知的。

总线跳变是由向总线传送数据的操作引起的,内部总线空闲时处于闲置的状态，即总线的每位均为“0”。

当与总线相连的某寄存器向总线传送数据，且数据中包含有“1”的数据位时,总线上将产生跳变。

这里要注意数据总线上的跳变产生，在指令执行过程中，由于对数据寄存器进行读写操作控制只发生在Q2节拍和Q4节拍，数据总线上的数据在Q1节拍和Q3节拍时不会发生变化，因而只有数据总线上的数据在一个指令周期内的Q2节拍和Q4节拍时有所变化才会使数据总线上产生跳变。

4. 实验及其结果分析4.1实验过程介绍实验电路图如图3所示，测量仪器是精度为1mv的数字式电表。

实验时通过测量电源端100Ω电阻R上的电压来反映芯片工作时的电流。

每次测试从通路的选择开始，选定通路后进行测试产生。

当测试序列确定以后将其转化成HEX文件，通过编程器将HEX文件写入微处理器进行测试。

图3 实验电路图4.2实验结果分析实验在同一工艺和批次的10块无故障电路上，对图1中的众多通路进行了测试。

对每条待测通路，根据待测通路上增量跳变数（每个指令周期内增加的跳变数）的不同进行测试。

对于每组初始化数据，我们多次测量取平均值，以下给出几条主要通路的实验结果。

实验结果中并未将电压值转化为电流值，而是直接以电压值作为结果。

待测通路的测试结果以曲线图的形式给出，对待测通路而言，如果电压和跳变数的关系基本满足线性关系，那么认为此通路没有故障，反之则通路中存在故障。

4.2.1 W寄存器至运算器的通路：测试此条通路的指令为“iorwf 07h,1”，它把内存（RAM）07h中的数据和W工作寄存器中的数据进行“或”运算并将运算结果写回到07h中。

相关测试数据见表1。

此指令唯一激活了W寄存器输出至运算器的通路。

Q2节拍时从内存07H中读出的数据FFH经数据总线送到运算器ALU和Q4节拍时从ALU经数据总线写回到内存中的运算结果FFH并没有变化，因而数据总线上没有发生跳变，所以每组数据对数据总线上跳变数的影响是一样的；而每组数据中W初始数据的不同将会导致待测通路中跳变数的不同。

待测通路在闲置的时候处于“0”的状态，W寄存器中为1的位经待测通路传送至ALU时会使待测通路产生跳变，W中1的位数增加一个，待测通路上的增量跳变数就增加一个，因而当W寄存器中数据1的位数较多时电流较大，R两端上的电压值也就较大。

从实验数据可以看出此条待测通路每增加一个增量跳变，R两端上的电压值大约增大0.15mV。

测试结果如图4所示。

表1 W 寄存器至运算器通路的相关测试 07h 中的初始数据W 中的初始数据待测通路上的增量跳变数R 两端的电压值（mV ）R 两端电压增量（mV ）FFh 00h 036.55 0 FFh 01h 1 36.70 0.15 FFh 03h 2 36.85 0.15 FFh 07h 3 37.00 0.15 FFh 0Fh 4 37.10 0.15 FFh 1Fh 5 37.30 0.20 FFh 3Fh 6 37.60 0.10 FFh 7Fh 7 37.70 0.10 FFh FFh 837.85 0.15增量跳变数电压/m V图4 W 至ALU 通路的测试结果4.2.2内存至运算器的通路测试此条通路的指令为“andwf 07h,0”，它把W 工作寄存器中的数据和07h 中的数据进行“与”运算并将运算结果写回到W 中。

相关测试数据见表2。

不同组数据中，由于Q4节拍经数据总线从ALU 写入W 中的数据都是00H ，Q2节拍从内存读出经数据总线到ALU 的数据的不同将导致数据总线上不同的跳变数。

W 中1的位数增加一个，待测通路上的增量跳变数就增加一个，因而当W 寄存器中数据1的位数较多时电流较大，R 两端上的电压值也就较大。

从实验数据可以看出此条待测通路每增加一个增量跳变，R 两端上的电压值大约增大0.6mV 。

测试结果如图5所示。

表2 内存至运算器通路的相关测试信息 W 中的初始数据07h 中的初始数据待测通路上增量跳变数R 两端的电压值（mV ）R 两端电压增量（mV ） 00h 00h 037.60 0 00h 01h 1 38.40 0.80 00h 03h 2 39.00 0.60 00h 07h 3 39.60 0.60 00h 0Fh 4 40.20 0.60 00h 1Fh 5 40.70 0.50 00h 3Fh 6 41.10 0.50 00h 7Fh 7 41.60 0.50 00h FFh842.05 0.45增量跳变数电压值/m V图5 内存至ALU 通路的测试结果4.2.3 运算器输出至W 寄存器的通路此条通路的测试指令为“addwf 07h,0”，它把W 中的数据和07h 中的数据进行“加”运算并将运算结果写回到W 工作寄存器中。