边界扫描电路故障类型分析

耿 爽

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

边界扫描电路故障类型分析

耿 爽

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

边界扫描电路是在ASIC和FPGA中广泛应用的一种可测性设计。介绍了边界扫描电路的发展及应用，阐述了边界扫描电路的电路结构，并着重研究了边界扫描电路的故障类型及测试方法。

边界扫描；测试存取通道；故障

1 引 言

边界扫描电路是在ASIC和FPGA中广泛应用的一种可测性设计。扫描测试技术从70年代开始出现，最早用于电路板测试中。到1990年IEEE组织开始推行IEEE1149.1边界扫描标准后，边界扫描电路已在业界成为一种流行的可测性设计，之后被众多ASIC和FPGA生产商采用。边界扫描测试不需要将器件的每个管脚都连接到测试设备，从而大大降低了测试成本，增加了测试的灵活性。

2 边界扫描电路结构

边界扫描电路按IEEE1149.1标准构成，其中含有测试存取通道TAP（Test Access Port）、TAP控制器、指令寄存器、数据寄存器、器件标志寄存器（若存在）、边界扫描寄存器、边界扫描单元等。图1为边界扫描电路的基本结构。

在应用边界扫描技术测试电路之前，必须保证边界扫描电路结构的完备性及各个逻辑功能模块的正确性。因此必须对相应的访问端口、连线资源和寄存器进行测试。

图1 边界扫描电路的基本结构

3 测试电路图及TAP控制器的状态机

测试期间，下列测试条件应符合电路详细规范的规定，测试电路如图2所示。

·环境或参考点温度；

·施加的电源电压；

·边界扫描指令；

·输入时钟信号（TCK）的幅度Vm、脉冲宽度tw、上升时间tr、下降时间tf等；

·输入端施加的电压VI；

图2 测试电路图

图3 TAP控制器的状态机

4 故障类型及测试方法

边界扫描电路的故障类型分为：TAP端口信号线故障和寄存器功能故障。

4.1 TAP端口信号线故障

TAP端口信号线故障包括呆滞桥接和开路等故障，由于TDI、TDO、TRST端口有内部上拉电阻，所以它们的开路故障可归结为桥接故障。

TDI与TDO的开路和呆滞故障将使移出的数据始终不变，所以，只要测试码中既有0又有1便可检测出此类故障。

若时钟信号TCK发生呆滞型故障，则边界扫描测试不起作用，这种故障很容易判断；若TCK与其它信号线桥接，在其他信号有较强驱动能力时，TCK信号将被迫随之变化，TAP因此不能产生正常的状态改变，在TCK信号有较强驱动能力时，则只能通过功能测试来发现此故障。

当TMS发生呆滞型故障时，TAP控制器将可能停滞于Test-Logic-Reset、Run-Test-／Idle、Shift-DR、Shift-IR、Pause-DR和Pause-IR等6个可循环状态。若TMS桥接于一个较强信号，与TCK的情况类似，TAP工作状态不正常；若桥接一个较弱的信号，就只能通过功能测试来发现故障。

TDI、TDO、TCK、TMS和TRST端口之间若发生桥接故障，则某个信号的错误变化会导致状态预置、保持或移位出错，这可通过TDO的输出异常检测出。这几个信号中，TRST基本保持不变；TMS在保持某状态时持续为0，改变状态时要加0或1；TDI和TDO输入与输出的测试码有0、1变化；TCK本身就是0、1变化的时钟信号。可见，在对电路进行状态预置时，必然会出现TCK、TMS和TRST短路故障的测试码；在对边界扫描电路进行状态保持和移位时，只要测试码中既有0又有1就会出现TDI、TDO、TCK、TMS和TRST之间短路的向量。

根据上述原理，在对各寄存器进行功能测试的同时，加入能够检测各TAP端口信号故障的测试码，就可以对TAP端口信号线的故障进行定位，从而修正设计。

4.2 寄存器功能故障

寄存器故障包括指令寄存器、器件标志寄存器（若存在）、旁路寄存器、边界扫描寄存器的故障。这些故障将导致测试功能异常，对这些故障需要分别进行功能测试。

4.2.1 指令寄存器功能测试

指令寄存器是一种串行输入并行输出的寄存器，它由移位寄存触发器和并行输出锁存器构成，前者保存着经过指令寄存器传送的指令位，后者保持着当前指令位。IEEE1149.1标准规定移位寄存器最低两位必须为“01”，其余位由厂商自行定义，这样可以保证通过Capture信号可以检测到扫描链上固定为0和固定为1的故障。

对指令寄存器的检测首先要移出正确的指令捕获数据。可以给指令寄存器输入一个与所有指令寄存器内容不同的字串，并与扫描链中最长的IR位数相同。检测移出数据是否与实际数据一致。分别测试旁路指令（BYPASS）、采样指令（SAMPLE）、预装指令（PRELOAD）、和外测试指令（EXTEST）等。

4.2.2 器件标志寄存器功能测试

器件标志寄存器是边界扫描测试中可选的寄存器，根据IEEE1149.1标准的要求，它共有32位，提供了器件厂商代码、器件型号和版本号的二进制信息，最低位LSB强制为“1”，说明此寄存器的存在。芯片ID码是识别芯片的内建器件标识码，通过检测芯片ID码可以识别该芯片，判断芯片装配正确与否，并可进一步判断芯片的型号、生产厂家及版本号与其标识是否相符，辨别芯片的真伪。

根据IEEE1149.1标准，在复位状态下，标志寄存器（若存在）被直接接入TDI与TDO之间，此时，在Shift-DR状态下进行数据移位，从TDO移出的数据即为器件标志代码。

4.2.3 旁路寄存器功能测试

旁路寄存器是一个单数据位移位寄存器。它可使不需要测试的芯片被旁路，从而缩短扫描链路的长度，提高测试效率，或者在测试期间，它能使芯片脱离某种工作模式。

若标志寄存器不存在，在复位状态，旁路寄存器被接至TDI与TDO之间，否则，给IR输入BYPASS指令以选择旁路寄存器。在 TAP控制器的Capture-DR状态，TCK的上升沿使旁路寄存器被设置为逻辑“0”。

旁路寄存器检测中，为确保所有扫描芯片的旁路寄存器正确连接，在选择旁路寄存器后，应再输入与芯片数目相同的全“1”与全“0”字串，如两芯片互连，则输入“0011”（LSB最靠近TDO），从TDO移出数据应当是“001100”。

4.2.4 边界扫描寄存器功能测试

边界扫描单元BSC（Boundary Scan Cell）是位于器件的输入输出管脚与内核电路之间的移位寄存器，这些单元互连就构成了边界扫描寄存器BSR。BSC必须具有移位数据寄存器、更新数据寄存器和捕获数据寄存器等测试功能。为测试其功能的正确性，首先应该通过加载SAMPLE指令来选择边界扫描寄存器，使其连接在TDI与TDO之间。然后生成由0，1组成的N位伪随机测试码（N为扫描链中BSC的总长度）。在TCK和TMS的共同作用下，将测试码由TDI送入芯片的边界扫描链路，在芯片的TDO处采集并移出数据，通过比较TDO移出的数据与测试码是否一致判断边界扫描单元的完好性。

5 结束语

随着集成电路功能、封装技术、PCB制造技术的不断发展，边界扫描技术已广泛应用于ASIC和FPGA中。介绍了边界扫描电路的电路结构，并对边界扫描电路的故障类型及测试方法进行了详细探讨。应用边界扫描技术大大提高了产品的可测性，缩短了产品的设计和开发周期。

［1］Colin M.Maunder＆rodham E.Tulloss.The Test Portand Boundary Scan Architecture［M］.Washington，USA：IEEE Computer Society Press，1990.

［2］IEEE Std 1149.1-1990.IEEEStandard Test Access Port and Boundary Scan Architecture［S］.1993.

［3］雷绍充.VLSI测试方法学和可测性设计［M］.北京：电子工业出版社，2005.

Analysis of Fault Type for Boundary Scan Circuit

GENG Shuang
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

The boundary scan circuit，as an DFT（Design For Test），is widely used in ASIC and FPGA.The development and application of boundary scan circuit are introduced in this paper and the structure of boundary scan circuit is explained aswell.The fault type and testmethod of boundary scan circuit are researched in detail.

Boundary scan；TAP（Test Access Port）；Fault

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.03.002

TN4

：A

：1002-2279（2014）03-0005-03

耿爽（1974-），女，吉林省吉林市人，高级工程师，主研方向：集成电路测试技术。

2013-09-17