李建新，吳孝銀

宿州學(xué)院智能信息處理實驗室，安徽宿州，234000

一種測試數(shù)據(jù)分塊縱向相容的編碼壓縮方案

李建新，吳孝銀

宿州學(xué)院智能信息處理實驗室，安徽宿州，234000

為有效降低集成電路的測試數(shù)據(jù)量,設(shè)計了一種測試數(shù)據(jù)分塊縱向相容的編碼壓縮和解壓方案。將原始測試集中的每一測試向量以固定位數(shù)分塊，然后將順序號相同的數(shù)據(jù)塊歸為一列，根據(jù)每一列數(shù)據(jù)塊間的相關(guān)性，將長的數(shù)據(jù)塊用短的標(biāo)記碼表示，從而實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的壓縮,進而設(shè)計了與該編碼方案相應(yīng)的解壓結(jié)構(gòu)。研究表明：該方案與同類方案相比有較高的編碼壓縮率,而且解壓過程簡單易行。

標(biāo)記編碼；更新；縱向相容；#運算；∩運算

隨著集成電路制造工藝水平的不斷提高,單個芯片上集成的晶體管數(shù)量呈指數(shù)規(guī)律增長。尤其是片上系統(tǒng)(System-on-a-Chip,SoC)的出現(xiàn)，芯片中集成了大量的IP核，完成測試的數(shù)據(jù)量迅速增長,導(dǎo)致自動測試設(shè)備存儲容量不足、傳輸帶寬受限、測試時間增長,實施測試變得越來越困難，測試成本不斷提高[1]。因此，研究先進的集成電路測試方法,以減少測試數(shù)據(jù)傳輸量，降低測試成本具有重要的理論和實用價值。

測試數(shù)據(jù)編碼壓縮技術(shù)可有效解決上述問題。該技術(shù)的總體思路是將原始測試數(shù)據(jù)經(jīng)編碼壓縮后存儲在ATE上，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量得以降低，在待測芯片中嵌入相應(yīng)的解壓電路，對從ATE傳過來的壓縮數(shù)據(jù)進行解壓還原，再將還原后的測試數(shù)據(jù)施加給待測電路[1]。常見的編碼壓縮技術(shù)有基于數(shù)據(jù)塊的編碼壓縮、基于數(shù)據(jù)流的編碼壓縮及基于重播種的編碼壓縮技術(shù)三類。基于數(shù)據(jù)塊的編碼又可分為統(tǒng)計編碼和相容壓縮標(biāo)記編碼，其中，前者有Huffman編碼[2]，它是典型的統(tǒng)計編碼；后者有相容壓縮標(biāo)記編碼，如數(shù)據(jù)塊前向相容的標(biāo)記碼[3]、分組合并的索引編碼[4]等。基于數(shù)據(jù)流游程的編碼有Glomb編碼[5]、FDR編碼[6]以及交替碼[7]等?；谥夭シN的編碼壓縮技術(shù)有LFSR重播種技術(shù)[8]和折疊計數(shù)器重播種技術(shù)[9]。

本文提出一種測試數(shù)據(jù)分塊縱向相容的編碼壓縮方案。該方案講述的是基于數(shù)據(jù)塊相容的標(biāo)記碼壓縮技術(shù)，能在提高編碼壓縮率的同時，簡化解壓還原電路。

1 兩種相關(guān)運算的回顧

在文獻[4]中，曾引入兩種位運算符：#運算及∩運算，為便于利用,現(xiàn)作一簡單回顧。一位#運算和∩運算規(guī)則分別如表1和表2所示。

表1 #運算表

表2 ∩運算表

根據(jù)表1的#運算規(guī)則，可引入兩等數(shù)位測試模式間相關(guān)性的有關(guān)概念。假設(shè)測試模式a=a1a2…an-1an,ai∈{0,1,x}，b=b1b2…bn-1bn，bi∈{0,1,x}，其中x為{0,1}中的任意值,將a、b的對應(yīng)位按表1進行“#”操作，若運算結(jié)果各位全部是0或x，則稱模式a與b相容；若運算結(jié)果各位全部是1或x，則稱模式a與b反相相容；二者統(tǒng)稱為模式相關(guān)。

假定有如下3個等數(shù)位的測試模式：a=01X0XX01，b=X11X00X1，c=1X0110X0，若按表1中#運算法，將a、b、c三個模式兩兩進行位運算，則有：a#b=X0XXXXX0，a#c=1XX1XXX1，b#c=XX1X10X1。從運算結(jié)果可算出，模式a與b相容，a與c反相相容，b與c不相關(guān)。

根據(jù)表2中的“∩”運算，可將相關(guān)的兩測試模式合并。對于互為反相相容的兩種模式，可將其中之一反相后，再與另一模式作“∩”運算。如在上例中，a∩b=01100001，將c模式反相得～c=0X1001X1，a∩～c=01100101。可見，運用“∩”運算可使測試模式中的確定位增加。

2 縱向相容的標(biāo)記編碼方法

為便于描述，現(xiàn)舉一示例闡述編碼方法。某測試集TD由4個測試模式組成，如表3所示，每個測試模式位數(shù)均為15位。編碼前，先將測試集中的每個測試模式劃分成定長為K位的分塊，如果測試模式的總位數(shù)不是塊長K的整倍數(shù)，不足的位數(shù)則用無關(guān)位X填補，使其為K的整數(shù)倍。本例中取塊長K=8，每個模式被劃分為二塊，第二塊不足8位，補充一位無關(guān)位(表中斜體X)。為便于表述，用Cij表示第i個測試模式的第j個測試分塊，如表3中C11=01X101XX，C32=0X010X1X。

表3 本編碼方案實例

編碼總體思路為：取參考模式，對測試集的每一列分塊沿縱向按從上至下的順序進行“#”運算，采用“#”運算結(jié)果，進行標(biāo)記編碼分類，同時采用“∩”運算不斷更新參考模式。具體方法為：對每一列的測試模塊，取某一K位參考模塊R0，按從上到下的縱向順序，從第一個測試模塊開始依次按位進行“#”運算，根據(jù)運算結(jié)果判斷相關(guān)性并進行標(biāo)記編碼。若測試模塊與參考模塊相容，則將該測試模塊標(biāo)記編碼為“0”，并將參考模塊與該模塊按位進行“∩”運算，以增加其中的確定位，再將“∩”運算結(jié)果作為下一個測試模塊的參考模塊；若測試模塊與參考模塊反相相容，則將該測試模塊標(biāo)記編碼為“10”，并將該測試模塊反相后與參考模塊按位作“∩”運算，再將“∩”運算結(jié)果作為下一個測試模塊的參考模塊；若測試模塊與參考模塊既不相容又不反相相容，即不相關(guān)，則采用在該測試分塊前加“11”進行編碼標(biāo)記，同時將該測試分塊作為新的參考模塊對下一個測試分塊進行運算編碼。因可采用復(fù)位的辦法將集成電路內(nèi)部各位觸發(fā)器初始化為全0，故每一列測試分塊的初始參考模塊R0可取K位0，并按上述方法從第一個測試分塊進行運算編碼。

現(xiàn)以表3中的第一列測試數(shù)據(jù)塊為例作具體描述。取8位初始參考模塊R0為00000000，與C11(01X101XX)按位作“#”運算，由“#”運算規(guī)則，R0#C11=01X101XX，顯然二者不相關(guān)，故C11被編碼為：1101X101XX，參考模塊被更新為新的參考模塊R1=R0∩C11=01X101XX；進而將R1與C21(1010XX1X)按位作“#”運算，R1#C21=11X1XXXX，二者反相相容，故C21被編碼為“10”，然后將C21反相為～C21=0101XX0X，新的參考模塊更新為R2=R1∩～C21=0101010X；將R2與C31(XX01X100)按位作“#”運算，R2#C31=XX00X00X，二者相容，故C31被編碼為“0”，然后將參考模塊更新為R3=R2∩C31=01010100；將R3與C41：110XX00X按位“#”運算，R3#C41=100XX10X，二者既不相容也不反相相容，故C41被編碼為：11110XX00X，參考模塊更新為R4=C41=110XX00X。

對表3中的第二組測試模塊也可采用上述同樣方法進行編碼和更新。對整個測試集中每個測試集的編碼結(jié)果如表4所示，其中的“-”不占有數(shù)據(jù)位，只是為編碼結(jié)果規(guī)整而設(shè)的。將表4左右數(shù)據(jù)對比可看出，原測試集TD的總位數(shù)為60，編碼后總位數(shù)為37，壓縮了23位。

表4 對原測試集的運算編碼結(jié)果

3 解壓結(jié)構(gòu)及過程分析

編碼的目的是實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的壓縮，減少數(shù)據(jù)量，縮短測試傳輸時間，但壓縮后的數(shù)據(jù)是不能直接用于電路測試的，要實現(xiàn)有效測試，尚需在芯片中設(shè)計相應(yīng)的解壓電路，將原測試集中的所有確定位進行還原。

不同的編碼方案應(yīng)對應(yīng)不同的解壓電路。本方案的解壓結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，有限狀態(tài)機(Finite State Machine,FSM)是解壓結(jié)構(gòu)的核心，K位循環(huán)掃描移位寄存器(Cycle Scan shift Register,CSR)用于存放和更新各列K位參考模塊,K進制計數(shù)器用于控制data_out輸出和CSR移位的位數(shù)，MUX1、MUX2均為2選1的數(shù)據(jù)選擇器，MUX1受select1控制，用于數(shù)據(jù)輸出選擇，MUX2受select2控制，用于返回參考模塊的選擇,CUT(Chip Under Test,CUT)為被測芯片。

圖1 解壓結(jié)構(gòu)

解壓過程分析：

Step1 初始化，enable使能允許，CSR各位清零，K進制計數(shù)器置位。

Step2 bit_in輸入一位數(shù)據(jù)，若為“0”，轉(zhuǎn)入Step3，若為“1”，轉(zhuǎn)入Step4。

Step3 從data_out端連續(xù)輸出K位0，同時，CSR內(nèi)的參考模塊右移K位，兩路數(shù)據(jù)經(jīng)異或門按位作異或運算，由于任何數(shù)據(jù)與0異或仍保持不變，故運算后仍為CSR內(nèi)的原數(shù)據(jù)。此時，select1、select2分別控制MUX1、MUX2均選0端有效，從MUX1輸出的數(shù)據(jù)即為CSR內(nèi)的原數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)一方面進入CUT進行測試，另一方面返回CSR繼續(xù)作為下一個參考模塊。然后轉(zhuǎn)入Step7。

Step4 bit_in再輸入一位數(shù)據(jù)，若為“0”，轉(zhuǎn)入Step5，若為“1”，轉(zhuǎn)入Step6。

Step5 從 Data_out端連續(xù)輸出K位1，同時，CSR內(nèi)的參考模塊右移K位，兩路數(shù)據(jù)經(jīng)異或門按位作異或運算，由于任何數(shù)據(jù)與1異或即反相，故運算后即將參考模塊按位取反，由select1控制MUX1選0端有效，由select2控制MUX2選1端有效，從MUX1輸出的數(shù)據(jù)即為參考模塊的反相數(shù)據(jù)，也就將原測模塊中確定位進行了還原，該數(shù)據(jù)一方面進入CUT實現(xiàn)測試，另一方面經(jīng)反相后返回CSR繼續(xù)作為下一個參考模塊。然后轉(zhuǎn)入Step7。

Step6 將bit_in當(dāng)前位置后一位開始的連續(xù)K位數(shù)據(jù)從Data_out端輸出，由select1控制MUX1選1端有效，由select2控制MUX2選0端有效，這樣從Data_out輸出的K位數(shù)據(jù)將原封不動地經(jīng)MUX1輸出，進入CUT進行測試的同時,返回CSR繼續(xù)作為新的參考模塊,表明這組K位輸出數(shù)據(jù)與CSR中的參考模塊不相關(guān)。然后進入Step7。在該步驟中，CSR中的參考模塊數(shù)據(jù)右移K位后與Data_out輸出的K位數(shù)據(jù)也存在異或情況,但異或的結(jié)果不被選用,自動舍棄。

Step7 循環(huán)重復(fù)Step2到Step6。

在上述解壓電路中，K進制減1計數(shù)器控制CSR右移的位數(shù)及Data_out輸出數(shù)據(jù)的位數(shù)。K進制計數(shù)器的減1計數(shù)功能由dec信號控制，計數(shù)結(jié)束時，rs有效，K進制減1計數(shù)器被重新賦初值K，valid信號控制CSR是否右移。

對表3所示的編碼實例解壓還原后的結(jié)果如表5中第4列所示(TE)，將其與第二列中原測試集TD比較可知，二者完全相容。

表5 對表4編碼解壓還原結(jié)果

4 結(jié)果與分析

對于本方案的編碼壓縮效果，選用ISCAS-89基準(zhǔn)電路幾個典型的時序電路作為實驗對象，通過對Mintest測試向量集壓縮進行驗證。實驗過程是對每一種電路取不同的塊長進行縱向相容標(biāo)記編碼壓縮，分別得出對應(yīng)的壓縮率，實驗結(jié)果如表6。

表6 塊長K取不同值時對各測試電路測試的壓縮率

測試數(shù)據(jù)壓縮,TD為原測試集數(shù)據(jù)量，TE為編碼壓縮后的測試集數(shù)據(jù)量。

從表6可看出，對每一種測試電路的測試集進行縱向相容壓縮，隨著K值的變化，壓縮率總會在某一種K值附近出現(xiàn)最大值拐點，即壓縮率與塊長間呈類拋物線關(guān)系。這是由于塊長較短時，塊數(shù)較多，相應(yīng)的編碼碼字也多，限制了壓縮率，塊長較長時，塊數(shù)雖少，但數(shù)據(jù)塊間的相關(guān)性降低，從而也限制了壓縮率，故二者之間類拋物線關(guān)系具有客觀合理性。因此，為提高該方案的編碼壓縮率，須根據(jù)不同的測試集選取合適的塊長。

將表6中各測試電路對應(yīng)的最高壓縮率與其他類似方案進行比較,結(jié)果如表7所示，可以看出，本文方案壓縮率相對較高。

表7 本文方案與其他編碼方案的壓縮率比較

5 結(jié)束語

本文通過引入兩種特殊的位邏輯運算,舉例說明了測試數(shù)據(jù)分塊縱向相容的編碼壓縮方法，設(shè)計了對應(yīng)的解壓還原電路，分步解析了其解壓過程。該方案編碼方法巧妙，解壓過程流暢,實驗證明,該方案與同類方案相比，能有效地提高編碼壓縮率。而且由于方案采用橫向分塊縱向編碼，解壓電路的CSR長度與分塊塊長相同，長度相對較短，故所需要的硬件不多，開銷不會太大。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.03.029

2016-01-12

安徽省教育廳自然科學(xué)研究項目(KJ2014ZD31)；安徽省教育廳省級教學(xué)研究項目(2012jyxm545)；宿州學(xué)院科研平臺開放課題(2011YKF09)；宿州學(xué)院優(yōu)秀青年人才資助項目(2014XQNRL006)。

李建新(1971-)，安徽蕭縣人，碩士,高級實驗師，主要研究方向：SOC故障診斷與測試。

TN407

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1673-2006(2016)03-0115-04