基于ATE的FPGA通用方法测试

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 22.32MB 74 页 15积分

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摘要

现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA），由 Xilinx 公司

于1985 年推出，它是在 PAL、GAL、PLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产

物。作为一种将门阵列的通用结构性和现场可编程特性结合于一体的新型可编程

器件，FPGA 具有许多优点，使系统设计发生了质的飞跃，并且已经渗透到了电

子、自动化系统设计的各个领域。但随着 FPGA 规模和集成度的不断提高和尺寸的

日益缩小，功能越来越强大，但也带来一系列的设计和测试问题。能否验证 FPGA

的各项指标达预期标准，并给用户提供可靠的 FPGA 芯片具有非常大的现实意义。

本课题正是针对 FPGA 测试问题的研究，以 XC2VP30 系列 FPGA 为主要的

研究对象，在详细研究 FPGA 内部结构的基础上，基于“分治”法和“阵列”法

结合的思路测试 FPGA，从理论和实际应用角度做了尝试性探索，以较少了测试

编程次数完成了所有 CLB、IOB 资源的测试。对可配置互连资源（Configurable

Interconnect Resource）的测试，主要基于层次式互连线的特点，将 FPGA 配置成

带有相应功能的电路，根据各互连线本身的特性进行相应的测试。

通过对 FPGA 测试理论进行深入的研究，摸索一套切实可行的 FPGA 通用测

试方法，建立基于 V93000 的ATE（Automatic Test Equipment）可靠的自动化测试

平台，灵活、快速的完成 FPGA 器件的配置和测试。为各型国产 FPGA 器件的自动

化测试提供参考。

关键词：FPGA 测试 ATE 参数测试

ABSTRACT

Field programmable gate array (Field Programmable Gate Array, FPGA) was

invented by Xilinx in 1985. It is the further development production after PAL, GAL

and PLD. As a new programmable logic device, it combines the general gate array

structure with field programmable characterization. FPGA has many advantages,

improving the design system to a qualitative leap, and has penetrated into electronics,

automation system in various fields. However, FPGA’s scale and integration is

increasing and the size is decreasing, but it also brings a series of design and testing

problems. Would the FPGA indicators can reach the expected standards, which has a

very large practical significance for providing users with the reliable FPGA chips.

This thesis is just about the study of test problems for the FPGA, taking the

XC2VP30 FPGA for example, on the basis of in-depth studying the internal structure of

FPGA, and testing FPGA with the “partition” method and “array” method. Take a

tentative exploration from theory and practical application, testing CLB and IOB of the

FPGA with fewer configurations. For the configurable Interconnect Resource testing,

we configured the FPGA with the appropriate function of the circuit and tested on the

Hierarchical Routing Resources feature,

In the wake of studying the FPGA testing theory, we get a practical way of FPGA

testing, and build a reliable testing platform for automatic testing FPGA on V93000,

which is ATE(Automatic Test Equipment). It can complete the configuration and

testing for FPGA devices fastly and flexiblily, and provides a reference for the FPGA

automatic test, which is made in China.

Key words: Programmable device, ATE, Parametric testing

目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章  绪  论...................................................................................................................1
§1.1  FPGA 简介.......................................................................................................1
§1.1.1 FPGA 的当前发展现状.........................................................................1
§1.1.2 FPGA 的未来发展趋势.........................................................................1
§1.2  目前 FPGA 国内外研究现状..........................................................................2
§1.2.1 FPGA 国外研究现状.............................................................................2
§1.2.2 FPGA 国内研究发展状况.....................................................................4
§1.3  课题提出的意义和论文结构..........................................................................4
§1.3.1 本课题提出的背景和意义....................................................................4
§1.3.2 论文结构................................................................................................5
第二章  XC2VP30 系列 FPGA 结构及相关测试技术....................................................6
§2.1  输入输出功能模块(IOB).................................................................................6
§2.2  可配置逻辑功能块(CLB)................................................................................7
§2.2.1 Slice........................................................................................................8
§2.2.2 查找表(LUT)..........................................................................................8
§2.2.3 寄存器/锁存器(Register/Latch).............................................................9
§2.2.4 分布 SelectRAM+存储器....................................................................10
§2.2.5 转移寄存器..........................................................................................11
§2.2.6 快速先行进位逻辑..............................................................................12
§2.2.7 逻辑资源测试......................................................................................12
§2.3  可编程互联资源(IR).....................................................................................17
§2.3.1 开关矩阵..............................................................................................17
§2.3.2 分级布线资源......................................................................................18
§2.4  内嵌的 BRAM 和乘法器...............................................................................20
§2.4.1 BRAM(块存储单元)............................................................................20
§2.4.2 乘法器(Multiplier)及应用...................................................................22
§2.5  时钟资源和时钟管理器(DCM)....................................................................22
§2.5.1 时钟资源..............................................................................................22
§2.5.2 时钟管理器..........................................................................................23
§2.6  FPGA 配置过程.............................................................................................25
§2.7  本章小结........................................................................................................26
第三章  基于 V93000 的DC、AC 参数测试原理........................................................28

§3.1  V93000 ATE 硬件平台..................................................................................28
§3.1.1 V93000 测试系统................................................................................28
§3.1.2 DPS.......................................................................................................29
§3.1.3 数字通道模块......................................................................................29
§3.1.4 CLOCK BOARD..................................................................................30
§3.1.5 DC/DC Board.......................................................................................30
§3.1.6 测试模块配置......................................................................................30
§3.2  V93000 测试系统 SmarTest 软件..................................................................31
§3.3  DC 直流参数测试..........................................................................................34
§3.3.1 开路／短路测试..................................................................................34
§3.3.2 漏电流测试..........................................................................................35
§3.3.3 上拉/下拉电阻.....................................................................................36
§3.3.4 输入转换电平测试..............................................................................36
§3.3.5 输出电压测试......................................................................................36
§3.3.6 电源电流测试......................................................................................37
§3.4  Functional 测试..............................................................................................37
§3.5  AC 交流参数测试..........................................................................................38
§3.6  本章小结........................................................................................................40
第四章  基于 V93000 测试平台的 XC2VP30 测试......................................................42
§4.1  FPGA 测试板(loadboard)设计......................................................................42
§4.2  FPGA 测试程序软件设计.............................................................................43
§4.3  在线联机调试................................................................................................44
§4.4  输入输出功能模块(IOB)资源配置以及测试结果.......................................45
§4.4.1 XC2VP30 芯片的基本 DC 直流参数测试.........................................46
§4.4.2 输入输出功能块(IOB)交流参数测试.................................................48
§4.5  CLB 资源资源配置以及测试结果分析.......................................................52
§4.5.1 CLB 资源遍历测试.............................................................................52
§4.5.2 CLB 内部参数测试.............................................................................60
§4.6  XC2VP30 互联资源测试...............................................................................62
§4.7  XC2VP30 其他资源测试...............................................................................63
§4.7.1 DCM 测试............................................................................................63
§4.7.2 乘法器测试..........................................................................................64
§4.7.3 BRAM 参数测试.................................................................................64
§4.8  本章小结........................................................................................................65
第五章  总结与展望.......................................................................................................66
参考文献.........................................................................................................................68

第一章绪论

§1.1 FPGA 简介

§1.1.1 FPGA 的当前发展现状

目前 FPGA 大多采用基于 SRAM 结构和查找表技术，主要由可编程输入/ 输

出单元(IOB) 、可编程逻辑单元(CLB) 、可编程布线资源(IR) 、配置用的

SRAM、BRAM 和数字延迟锁相环(DLL)等部分组成。通过编程可以把一块通用的

FPGA 配置成用户需求的专用电路，可以在芯片出厂流片之前对硬件电路做各项

验证，从而大大缩短了芯片的研发周期并降低了研发成本，同时产品的上市时间

也缩短了，为产品更早占领市场赢得先机。

从Xilinx 公司推出的第一块 FPGA 芯片到今天，FPGA 已经历了二十几年的

发展历史，而这二十几年又是变化极快的发展时期，以 FPGA 为代表的数字系统

现场集成技术取得了惊人的发展：现场可编程逻辑器件从最初的1000 个左右的可

利用门发展到现在的百万门的单片 FPGA 芯片，集成度每个几年就提高到一个新

的水平。不管是在结构、工艺和集成度等方面，还是在功能、速度以及灵活性方面

都取得重大的进步。FPGA 与之前的可编程阵列逻辑相比，它的优点是可以实时地

对外加或内置的 PROM 或EPROM 编程，实时地改变器件功能，实现现场可编程

(基于 EPROM)或在线重配置(基于 SRAM)。FPGA 是科学实验、样机研制、小批量

产品生产的最佳选择器件。FPGA 主要有两种用途：逻辑仿真和直接制成ASIC。在

现代处理器和通信应用中，要求把系统集成到一个芯片上，集成度越来越高，

CPLD 器件本身集成度较低，因此 FPGA 成为最佳选择。除此之外，基于 SRAM

工艺的FPGA 易于使用，它没有动态RAM(Dynamic RAM/DRAM)让人头痛的时

序问题，也没有E2PROM 的串行问题。随着可编程逻辑器件应用的日益广泛，许

多IC 制造厂家涉足 CPLD/FPGA 领域。目前世界上有十几家生产 CPLD/FPGA 的

公司，最大的三家是：Xilinx，Altera，Lattice。其中Altera 和Xilinx 占有了 65%以

上的市场份额[1,4]。

§1.1.2 FPGA 的未来发展趋势

随着半导体制造工艺技术和集成度不断提高，相应的制造成本也将会不断下

降，其作为替代 ASIC 芯片实现某些特殊电子系统的应用前景被普遍看好。FPGA

芯片已成为 21 世纪最具潜力的半导体器件，在现代电子系统设计中扮演着越来越

重要角色，其未来的发展方向将主要呈现以下几个方面的趋势[2,3,5,7]：

1、向大规模、高密度的方向发展。

基于 ATE 的FPGA 通用测试

2、向系统可重构的方向发展。

3、向大容量、低功耗、低电压方向发展。

4、向高速、可预测延时器件的方向发展。

5、向混合可编程技术方向发展。

6、FPGA 和ASIC 出现相互融合。

§1.2 目前 FPGA 国内外研究现状

§1.2.1 FPGA 国外研究现状

随着 FPGA 得到广泛应用，有关 FPGA 的测试技术也得到相应的发展，特别

是近年来有关 FPGA 测试方面的文献不断推出[8~12]，以下简单介绍国外比较流

(1)以行列矩阵为基础的测试方法

以阵列为基础的 FPGA 测试方法通常采用单逻辑单元混合故障模型，此故障

模型首先假定整个FPGA 只有一个逻辑单元会产生故障，对于不同逻辑单元电路

内的故障采用不同的故障模型。通过编程把每一个行的可编程逻辑单元连接起来

形成一个一维的阵列，再将每行在首尾连接在一起而作为一个整体进行测试。通

常这一行中所有的逻辑单元被编程形成同样的电路。在测试这个阵列时，前一个

逻辑单元的水平输出信号可以作为后一单元的水平测试输入信号，只有开始和结

束的两端的逻辑单元需要与输入输出单元连接。所有的阵列都可以并行地进行测

试，因而也可减少测试时间。在同一列的逻辑单元可共用垂直输入，因而可进一

步减少所需的输入输出单元。

图1-1 多个逻辑单元组成的一维阵列

(2)基于异或门的测试方法

这种方法采用单逻辑单元混合故障模型。把整个行(列)的逻辑单元连起来作为

一个整体来测试，通过相邻行编程形成的异或门级联电路传递这种错误信息。由

于异或级联电路能把任意一个输入端的错误信息传到其输出端，所以被测行中的

逻辑单元能够被并行地进行测试。

由于对被测行的逻辑单元施加的测试向量是一样的，所以可公用输入输出单

元。被测行中是否有逻辑单元发生故障只要观察异或门级联电路的输出端就可以。

这种方法对逻辑单元内的逻辑资源的编程，只要考虑对逻辑资源能进行完全的测

第一章绪论

试而对输入输出没有要求。

图1-2 异或门级联电路

(3)基于与门和或门级联的测试方法

基于与门级联电路和或门级联电路的方法采用的是多逻辑单元故障模型，允

许一个 FPGA 中有多个可编程逻辑单元有故障。这种方法也是把一个行中的逻辑

单元作为整体来测试。这一点它和基于异或门级联电路的方法十分类似。但这里是

用与门级联电路和或门级联电路来传送故障逻辑单元所产生的故障信息。相对于

异或门级联电路，如果有多个输入端有相同错误信息，并且有错误信息的输入端

数是偶数，那么在它的输出端就不能观察到错误信息。而对于与(或)门级联电路，

如果有一个以上的输入端有常 0或者常1错误的错误信息，其输出端总能观察到

错误信息 0(1)。如果同时采用与门级联电路和或门级联电路，那么不论有什么样

的错误信息，都能在与门级电路的输出端或者或门级联电路的输出端观察到。

图1-3 基于与门和或门的级联电路

(4)内建自测法(BIST)[13,14]

内建自测法通过编程把FPGA 内的所有可编程逻辑单元编程成三种电路：被

测电路、激励电路、测试响应检验电路。内建自测法可以通过观察测试响应检验电

路的输出是否与预期结果相一致，就能判断出是否正确。但这种方法也有两个主

要缺点，其一是 FPGA 编程后要形成的整个电路(包括三种电路之间的相互连接)

比较复杂，有时会因 FPGA 中的连线资源的限制而不能实现。其二是和基于异或

门级联电路的方法和基于与门级联电路和或门级联电路的方法类似，要通过编程

改变，使得每一个逻辑单元都能构成被测电路而被测试，这就增加了需要的编程

次数。

基于 ATE 的FPGA 通用测试

图1-4 内建 BIST 自测法

§1.2.2 FPGA 国内研究发展状况

国内 FPGA 的研究发展时间不是很长，主要技术及专利还受到国外的垄断，

与国外 FPGA 技术的迅速发展相比，目前国内在这方面技术的研究还处于研究起

步阶段。当前国内对于 FPGA 的研究主要以开发应用为主，在芯片测试方面基本

是根据实际需要来进行测试[3,6]。

近年来，国家领导层和一些专家学者不断提出重大国家工程项目相关方面的

电子系统使用大规模集成电路要自主研制，基于此，国内一些科研单位和高校开

始大力研究自主知识产权的FPGA 研究。其中2004 年复旦大学率先宣布已研制成

功具有完全自主知识产权的第一款国产 10 万门FPGA 器件及软件系统原型。2009

年复旦大学最新的可编程逻辑电路 30 万门规模器件，通过国家验收，并且已经于

一些单位洽谈使用问题。至此，如何保证提供合格的FPGA 就显得至关重要了，

这需要有充分的测试来保证。

§1.3 课题提出的意义和论文结构

§1.3.1 本课题提出的背景和意义

FPGA 的诸多优秀特点使得其成为可编程器件的代表，而随着工艺技术的进

步和研究技术的成熟，FPGA 的性能越来越强大而价格随着使用率的上升将会越

来越低廉。随着 FPGA 在各种高端设备系统上的应用，通常都是处于核心位置，

其可靠性越来越受到人们的关注。对 FPGA 器件全面而深入测试是非常有必要的，

而将测试结构与制造和设计反馈在一起可以解决很多设计时考虑不到的问题，可

以说FPGA 的测试对 FPGA 的发展也起到促进作用，是相辅相成的。

对于大多数 FPGA 的用户来说，FPGA 芯片的多资源带来的灵活性同时也造

成了很多的不便。许多应用由于 FPGA 内部结构是否完好而不能准确发找到故障

发生的位置，另一个就是FPGA 动态重复可编程特性是否稳定也需要反复的测试

才能保障。可见提供可靠的 FPGA 对于实际应用来说是多么的重要。关于 FPGA 的

测试主要有两类：面向制造的测试过程(MTP)和面向应用的测试过程(ATP)。面向

制造的测试过程的测试主要是从芯片制造商的角度来量产测试 FPGA，为广大

FPGA 的使用者提供可靠的芯片。面向应用的测试过程主要是针对实际应用的

FPGA 测试，需要把FPGA 配置成一些指定的功能电路来进行实际测试。相比较前

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摘要现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray，FPGA），由Xilinx公司于1985年推出，它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。作为一种将门阵列的通用结构性和现场可编程特性结合于一体的新型可编程器件，FPGA具有许多优点，使系统设计发生了质的飞跃，并且已经渗透到了电子、自动化系统设计的各个领域。但随着FPGA规模和集成度的不断提高和尺寸的日益缩小，功能越来越强大，但也带来一系列的设计和测试问题。能否验证FPGA的各项指标达预期标准，并给用户提供可靠的FPGA芯片具有非常大的现实意义。本课题正是针对FPGA测试问题的研究，以XC2VP...

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