基于ATE的可编程逻辑器件测试方法

基于ATE的可编程逻辑器件测试方法
解维坤
【摘要】集成电路发展模式已从软编程、硬编程到软硬双编程方向发展，可编程器件已成为时代主流，对可编程器件的测试需求越来越多。

首先介绍了可编程器件的概念和分类，然后针对目前主流的自动测试设备（ATE）做了介绍，接着详细描述了各种可编程器件的测试方法。

该方法具有较强的通用性，可广泛应用于各种PLD、PROM、CPLD、FPGA等可编程器件的测试，对于实现可编程器件的产业化测试具有一定意义。

%According to the Xu's cycle description of the development rule of integrated circuits, integrated circuit develop from soft programming to hard programming, then to-hard and soft dual programming direction. Programmable device has become the theme of the times, more and more demand for programmable device test, a variety of innovative testing technologies and solutions of the programmable logic device have been published. This paper introduces the concept and classification of the programmable devices first. Then made a introduction of the mainstream automatic test equipment (ATE); Then describes the test method of programmable devices in detail; This method has strong versatility, can be widely used in all kinds of programmable devices testing, such as PLD, PROM, CPLD, FPGA. It is of great significance for the industrialized testing of programmable logic devices.
【期刊名称】《电子与封装》
【年(卷),期】2016(000)001
【总页数】4页(P12-15)
【关键词】可编程逻辑器件;ISP;ATE;测试
【作者】解维坤
【作者单位】中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035
【正文语种】中文
【中图分类】TN407
常见的可编程逻辑器件有PROM、PAL、GAL、PLA、CPLD、FPGA等，它们主要由可编程的与阵列、或阵列、门阵列等组成，可通过编程实现一定的逻辑功能[1]。

可编程逻辑器件（PLD）按可编程的部位不同分类如表1所示。

按集成度高低可分为低密度和高密度可编程逻辑器件，低密度可编程逻辑器件包括PROM、PAL、PLA、GAL，高密度可编程逻辑器件包括EPLD、CPLD、FPGA。

对可编程逻辑器件进行测试要对其内部可能包含的资源进行结构分析，经过一个测试配置（TC）和向量实施（TS）的过程，将其配置为具有特定功能的电路，再从应用级别上对电路进行测试，完成电路的功能及参数测试[2]。

在系统可编程（In System Programmable, 简称ISP）技术是 20 世纪 80 年代末Lattice公司首先提出的一种先进的编程技术。

所谓“在系统编程”是指对器件、电路板或整个电子系统的逻辑功能可随时进行修改或重构的能力。

这种重构或修改可以在产品设计、制造过程中的每个环节，甚至在交付用户之后进行。

支持ISP 技术的可编程逻辑器件称为在系统可编程逻辑器件（ISP-PLD）。

可编程逻辑器件是通过ISP状态机原理实现在系统编程的。

ISP状态机有两种：三状态ISP状态机和IEEE1149.1标准的JTAG状态机。

最早由Lattice公司提出的ISP状态机只有三个状态：闲置态（IDLE）、移位态
（SHIFT）和执行态（EXECUTE），其状态转移如图1所示。

后来由联合测试活动组织（JTAG）提出了边界扫描技术，IEEE对此制定了测试标准，称为IEEE1194.1标准，符合该标准的JTAG状态机共有16个状态，如图2
所示[3]。

两种状态机都有4个信号端口：模式选择端MODE（TMS）、数据输入端SDI （TDI）、数据输出端SDO（TDO）、时钟输入端SCLK（TCK），根据状态机控制这些端口状态即可将配置数据串行的写入器件，实现ISP器件的在系统编程[4]。

ATE是Automatic Test Equipment的缩写，于半导体产业意指集成电路（IC）
自动测试机，用于检测集成电路功能和性能特性是否完整，以确保集成电路生产制造品质。

目前世界主流的自动测试设备（ATE）有HILEVEL的770和G150、泰瑞达（TERADYNE）的J750（EX）和UltraFLEX、爱德万（ADVANTEST）的93000等。

泰瑞达的自动测试设备都是基于IG-XL软件，该软件基于模板的开发模式，
程序开发自动尺度多，是一个易于学习、易于使用而且不容易出错的软件，可以大大节省测试程序开发时间和测试成本。

3.1 J750系统
泰瑞达公司的J750系统是一个低成本、高效率并行测试的测试方案，可用于各种微处理器、FPGA、数字音频/基带设备的测试。

J750系统可以很容易地升级到
J750ex、J750exHD和J750-LitePoint。

所有的升级版系统兼容J750，都用IG-XL软件开发程序，所有的测试程序都可以迅速由J750系统迁移到新系统。

3.2 microFLEX 、FLEX和UltraFLEX测试系统
泰瑞达公司的microFLEX 和FLEX测试系统是用于复杂线性、电力和汽车设备的
工业标准测试解决方案。

适用于200 MHz以下的理想的模拟、数字、混合信号片上系统（SOC）和系统级封装（SiP）设备测试。

用于高性能混合信号设备测试，
包括音频、视频、电源管理、汽车、硬盘驱动器控制器、电信、军事/航空航天领域；用于低成本混合信号装置，包括工业/医疗仪器和系统、FPGA /可编程逻辑、转换器、标准逻辑。

UltraFLEX测试系统是用于高性能数字和片上系统的测试解决方案，适用于200 MHz以上高速度、高精度、高性能和多site测试。

应用领域有移动应用处理器、数字基带处理器、高数据速率射频收发器、射频连接装置、移动电源管理IC （PMIC）、微处理器、网络处理器、高速SerDes（串行器/解串器）收发器、存储控制器、高端微控制器、音视频处理器等。

我们可根据可编程逻辑器件类别和配置程序大小的不同选择合适的自动测试设备（ATE），例如PROM、PLD类可选择G150和J750（EX）测试系统，CPLD、FPGA等较大规模或管脚数多的要选支持更多通道数和向量深度的UltraFLEX测试系统。

本方法的实施对象是所有支持ISP（在系统可编程）的可编程逻辑器件，包括PROM、PAL、GAL、PLA、CPLD、FPGA等。

根据ISP状态机原理，通过一些
转码工具以及利用C语言编写的转码程序经过多次转码过程，快速自动地生成在
系统配置所需配置码，再利用ATE直接加载配置码将器件配置成具有一定功能的
电路，然后再进行全面的功能和参数测试。

测试流程图如图4所示。

首先，对待测可编程器件进行体系结构分析和测试方法研究，制定测试方案和故障模型；其次，在不同的开发环境下完成测试配置程序设计与仿真，生成bit、bin、mcs、jed、pof等格式的配置文件；然后需要将其转换成串行向量格式（SVF）
文件。

串行向量（SVF）格式是一种描述状态机编程的指令格式，可以记录整个ISP编程过程信息。

接着，通过编写转码程序将.svf文件转成ATE能够识别
的.atp\.pat\.pcf等格式文件。

最后利用ATE加载测试码完成测试。

以XILINX公司的XC9572为例。

需要在XILINX的ISE开发环境下进行测试配置
程序开发，生成.jed格式的原始配置代码。

其串行向量格式文件生成方法是：运行生成配置码后，点击Generate Programming File下的Configure Device（iMPACT）进行器件配置界面，通过Boundary Scan添加加入目标配置器件和配置文件，如图5所示。

然后选择菜单栏→Output→SVF File→Create SVF File，开始录制SVF文件，现在对目标器件的任何操作（Program、Verify、Erase、Get Device ID等）都可以记录在SVF文件中。

录制完成后，选择菜单栏→Output→SVF File→Stop Writing to SVF File，即可生成.SVF格式文件，如图6所示。

生成.SVF文件后，可通过编写C、C++、JAVA、VB等程序语言编写转码程序将SVF格式文件转换成测试系统制作Pattern文件所需的ATP格式代码。

如图7所示。

最后，利用ATE测试开发软件IG-XL自带的Pattern Compiler工具将ATP格式文件转换成ATE可以直接加载的Pattern文件。

可以利用测试系统加载配置向量完成可编程器件的在系统配置与测试。

ATE配置码如图8所示[5]。

传统的对可编程器件的测试方法一般都是通过下载线或第三方编程器对器件进行编程后，再到测试系统上去进行测试，只进行一次配置-测试过程，这种方法测试覆盖率低下；或者是用下载线编程过程中，利用逻辑分析仪去采集配置数据，再经过人工手动处理获得ISP配置码，这样非常费时费力而且很容易出错。

本方法采用编程解读SVF格式代码自动转换生成ISP配置码，ATE直接加载配置向量进行在系统快速配置，不采用人工采集制作配置码或利用下载线和第三方工具编程的方法，大大缩短了测试开发时间，提高了测试效率。

本方法可以根据客户需求特别订制测试方案和故障模型，无需设计支持自主生成测试图形，利用ISP状态机原理对可编程器件进行在系统快速反复动态配置与测试，
大大提高了测试故障覆盖率。

本文介绍了一种可编程逻辑器件的在系统快速配置与测试方法，该方法可广泛应用于各种PLD、PROM、CPLD、FPGA等可编程器件的测试，具有较强的通用性，对于实现可编程器件的产业化测试具有重要的工程价值。

【相关文献】
[1] 孟宪元. 可编程ASIC集成数字系统[M]. 北京：电子工业出版社，1998.
[2] Xilinx. The Programmable Logic Data Book[M]. 1999.
[3] Xilinx. Using Serial Vector Format Files to Program XC9500/XL/XV Devices In-System[P]. XAPP067, 2002.
[4] Xilinx. 利用嵌入式微控制器实现Xilinx在系统编程[P]. XAPP058, 2007.
[5] 孙红胜. XC9500系列CPLD遥控编程的实现[J]. 电子技术应用，1999.
解维坤（1980—），男，山东人，硕士研究生，2008年毕业于厦门大学控制理论与控制工程专业，目前任职于中国电子科技集团第58研究所检测事业部，研究方向为大规模集成电路测试。