基于Virtex5的FPGA全覆蓋五倍線確定性布線測(cè)試

李 光，謝 達(dá)，董宜平，胡 凱

（1.無錫中微億芯有限公司，江蘇無錫 214072；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072）

1 引言

可編程邏輯器件FPGA的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)FPGA的測(cè)試也變得越來越重要。評(píng)價(jià)FPGA測(cè)試方法的好壞標(biāo)準(zhǔn)包括故障覆蓋率、配置文件數(shù)、自動(dòng)化程度。目前工業(yè)界測(cè)試為了達(dá)到特定目標(biāo)，會(huì)精心設(shè)計(jì)每一個(gè)配置文件，確定性布線是一個(gè)重要方法。而學(xué)術(shù)界測(cè)試方法更關(guān)注自動(dòng)化程度，他們一般設(shè)計(jì)復(fù)雜的測(cè)試優(yōu)化算法自動(dòng)生成配置文件[1]。

對(duì)FPGA進(jìn)行確定性功能測(cè)試一般分為三個(gè)步驟：首先，給FPGA配置確定的配置文件；其次，在配置完成后，在相應(yīng)的管腳施加外部測(cè)試向量；最后，通過觀察輸出管腳的結(jié)果來分析判斷芯片的故障。

本文介紹了一種基于XDL(Xilinx Design Language)語言的FPGA確定性布線測(cè)試方法，對(duì)互聯(lián)資源的五倍線進(jìn)行測(cè)試。

2 Virtex5 FPGA的五倍線結(jié)構(gòu)

Xilinx公司基于Virtex系統(tǒng)架構(gòu)的xc5vlx330的FPGA， 包 括 IOB (Input/output Block)、CLB(configurable Logic Block)、CLB的互聯(lián)開關(guān)盒 SB（Swith Box）等?；谝陨霞軜?gòu)的FPGA，IOB的物理位置位于左側(cè)和右側(cè)。

FPGA內(nèi)部互聯(lián)開關(guān)盒架構(gòu)包括單倍線、二倍線、五倍線、長(zhǎng)線等。V5LX330的五倍線共十六個(gè)方向，包括 ER(East Right)、WR(West Right)、EL(East Left)、WL(West Left) 四個(gè)水平方向，SL(South Left)、NL(North Left)、SR(South Right)、NR(North Right)四個(gè)豎直方向，EN(East North)、WS(West South)、NE(North East)、SW(South West)左下右上四個(gè)對(duì)角線方向和ES(East South)、WN(West North)、NW(North West)、SE(South East)左上右下四個(gè)對(duì)角線方向。每個(gè)方向三根線，圖1以平方向和對(duì)角線方向各舉一例作為說明。

圖1 FPGA V5LX330內(nèi)部五倍線示意圖

3 FPGA布線資源典型故障和測(cè)試方法

FPGA功能測(cè)試主要分為CLB測(cè)試、互聯(lián)資源測(cè)試和RAM測(cè)試。在FPGA芯片中，互聯(lián)資源占據(jù)FPGA芯片面積的大部分（50%～90%），是FPGA資源中發(fā)生故障概率最高的部分?；ヂ?lián)資源一般分為全局互聯(lián)資源和局部互聯(lián)資源，本文測(cè)試的五倍線資源屬于全局互聯(lián)資源。互聯(lián)資源的故障一般有：（1）線段的固定型（stuck at）故障；（2）線段的開路（stuck open）故障；（3）線段間的橋接故障[2]。

本文提供的測(cè)試方法，針對(duì)五倍線互聯(lián)資源，依據(jù)XDL規(guī)范進(jìn)行自主確定性布線，對(duì)十六個(gè)方向的FPGA進(jìn)行配對(duì)配置，從而形成FPGA的確定性五倍線全局布線。

4 XDL語言規(guī)則

4.1 XDL基本格式

XDL語言是賽靈思公司FPGA設(shè)計(jì)語言的簡(jiǎn)稱，是Xilinx公司一種全功能的物理層設(shè)計(jì)語言規(guī)范。XDL由design聲明、module聲明、Instance聲明和net聲明四個(gè)聲明構(gòu)成，這四個(gè)聲明構(gòu)成了整個(gè)文件和電路的描述[3]。

Design聲明在XDL是必須存在的，且只能存在一次。該聲明包括一個(gè)全局的設(shè)計(jì)名稱以及目標(biāo)FPGA的部分名稱。Design的格式如下：

design "V5LX330_WRERtest.ncd" xc5vlx330ff 1760-1 v3.2；

Module聲明是一系列instance和net的結(jié)合，通常在hard macros里使用。本文不涉及。

Instance聲明以關(guān)鍵詞’inst’開頭，元件類型主要有CLB、IOB、TBUF等幾種類型，放置元件關(guān)鍵詞placed，所在的 tile即所在的分區(qū)。對(duì)V5LX330CLB_X1Y0的Instance配置的實(shí)例格式如下：

Inst"INST_X0Y0""SLICEM",placed CLBLM_X1Y0 SLICE_X0Y0

Net聲明由net、輸入管腳 (inpin)、輸出管腳(outpin)、PIP(Programmable Interconnect Point)等四部分組成。

4.2 使用XDL生成五倍線測(cè)試布線的步驟（以ER5 WR5為例）

使用XDL生成五倍線的測(cè)試布線分成五個(gè)步驟：步驟1將IOB的輸入接入到五倍線的輸入；步驟2將同一行同一個(gè)CLB的ER5和WR5首尾連接起來，如圖2所示；步驟3將同一行不同CLB的所有ER5和WR5首尾連接起來，如圖3所示；步驟4將五倍線的輸出連接到下一行的輸入，將相鄰行的五倍線按步驟2相同的方法進(jìn)行相接，直到所有的行做完；步驟5將五倍線的輸出連接到IOB的輸出上。

下面以ER50號(hào)五倍線ER5BEG0和WR52號(hào)五倍線WR5BEG2為例，各步驟如下：

步驟1將一個(gè)IOB管腳連接到五倍線的slice輸入A1，如圖2所示，其中INSTER0in為xc5vlx330的IOB，INST_X1Y0為CLB_X1Y0的 slice X1Y0：

net"NET_IOER0_in",

outpin"ER0_in"I,

inpin"INST_X1Y0"A1,;

步驟2如圖2所示，完成同一個(gè)CLB內(nèi)ER5的0號(hào)線五倍線和WR5的2號(hào)線五倍線的一個(gè)來回。

圖2 FPGA五倍線布線步驟1和2

如圖2所示，首先，通過slice A轉(zhuǎn)接到ER5BEG0,然后ER5BEG0連接到ER5END0，ER5END0連接到ES5BEG0，再通過ES5MID0連接到 ER5BEG0，這樣一直向東，直到最后一個(gè)ER5END0。然后ER5END0再經(jīng)過Slice B連接到WR5BEG2進(jìn)行回線，WR5BEG2和WR5END2相接，直到最后一個(gè)WR5END2。然后，WR5END2再接下一個(gè) CLB的ER5BEG0。

實(shí)現(xiàn)步驟2中ER50號(hào)線從東到西布線的XDL語法如下，其中INST_X1Y0為SLICEX1Y0，INST_X215Y0為SLICE X215Y0。

net"CLB1NET_ER0Row0",

outpin"INST_X1Y0"A,

inpin"INST_X215Y0"C1,

pip CLBLM_X1Y0 L_A->SITE_LOGIC_OUTS8,

pip INT_X1Y0 LOGIC_OUTS8->ER5BEG0,

pip INT_X6Y0 ER5END0->ES5BEG0,

pip INT_X9Y0 ES5MID0->ER5BEG0,

……

pip INT_X118Y0 ER5END0->SR2BEG0,

pip INT_X118Y0 SR2BEG0->IMUX_B6,

pip CLBLL_X118Y0 SITE_IMUX_B6->L_C1,

pip INT_BUFS_L_X58Y0 INT_BUFS_ER5A0->INT_BUFS_ER5A_B0,

pip INT_BUFS_R_X59Y0 INT_BUFS_ER5A_B0->INT_BUFS_ER5A0,

pip INT_BUFS_L_X114Y0 INT_BUFS_ER5A0->INT_BUFS_ER5A_B0,

pip INT_BUFS_R_X115Y0 INT_BUFS_ER5A_B0->INT_BUFS_ER5A0,;

其 中 ，INT_BUFS_L_X58Y0、INT_BUFS_R_X59 Y0、INT_BUFS_L_X114Y0、INT_BUFS_R_X115Y0 是四個(gè)有向BUFFER連接。

ER5 0號(hào)五倍線ER5END0到達(dá)最東邊的最后一個(gè)CLB后，通過該CLB的SLICE X215Y0的C輸出，直接轉(zhuǎn)角到WR5 2號(hào)五倍線的WR5BEG2上。WR5 2號(hào)五倍線從西到東的XDL布線如下，其中INST_X1Y0為 SLICE X1Y0，INST_X215Y0為 SLICE X215Y0。

net"CLB1NET_WR2Row0",

outpin"INST_X215Y0"C,

inpin"INST_X0Y0"D4,

pip CLBLL_X118Y0 L_C->SITE_LOGIC_OUT S10,

pip INT_X118Y0 LOGIC_OUTS10->WR5BEG2,

pip INT_X113Y0 WR5END2->WN5BEG2,

pip INT_X110Y0 WN5MID2->WR5BEG2,

……

pip INT_X6Y0 WN5MID2->WR5BEG2,

pip INT_X1Y0 WR5END2->SL2BEG1,

pip INT_X1Y0 SL2BEG1->IMUX_B22,

pip CLBLM_X1Y0 SITE_IMUX_B22->M_D4,

pip INT_BUFS_L_X114Y0 INT_BUFS_WR5C_B2->INT_BUFS_WR5C2,

pip INT_BUFS_L_X58Y0 INT_BUFS_WR5C_B2->INT_BUFS_WR5C2,

pip INT_BUFS_R_X115Y0 INT_BUFS_WR5C2->INT_BUFS_WR5C_B2,

pip INT_BUFS_R_X59Y0 INT_BUFS_WR5C2->INT_BUFS_WR5C_B2,;

步驟3把同一行內(nèi)所有CLB的ER5 0號(hào)五倍線和WR5 2號(hào)五倍線連接起來，如圖3所示。CLB1通過ER5 0號(hào)五倍線連接到CLB118，CLB118通過WR5 2號(hào)五倍線再回線到CLB1。CLB1中的WR5END2再連接到CLB2中的ER5BEG0，ER5 0號(hào)五倍線一直連接到CLB 111，CLB111通過WR5 2號(hào)五倍線再回線到CLB2……如此循環(huán)，把同一行的所有五倍線連接起來。

4.3 生成rbt文件

通過腳本程序?qū)⒃摲椒〝U(kuò)展到整個(gè)FPGA，從而生成整個(gè)V5LX330的特定五倍線測(cè)試的確定性XDL布線，然后調(diào)用XDL命令，命令行格式為：XDL-xdl2ncd V5LX330_ERWRtest.XDL，從而生成了ER5和WR5五倍線測(cè)試的NCD文件V5LX330_ERWRtest.NCD。然后調(diào)用bitgen生成rbt文件，bitgen命令行的命令格式為：bitgen-b V5LX330_ERWRtest.NCD。

完整的V5LX330的FPGA東西向ER5和WR5的五倍線NCD部分圖如圖4所示，其中上方的連線包括了WR5BEG0～WR5BEG2，下方的連線包括了ER5BEG0～ER5BEG2，而 CLB上的連線為 ER5和WR5方向的轉(zhuǎn)接線。

圖3 FPGA五倍線布線步驟3

圖4 完整的東西向五倍線ER5 WR5布線部分

5 使用測(cè)試向量對(duì)V5LX330進(jìn)行測(cè)試

生成RBT文件后，對(duì)FPGA V5LX330進(jìn)行配置，然后對(duì)輸入側(cè)對(duì)應(yīng)ER5BEG0～ER5BEG2的IOB施加測(cè)試向量。如果對(duì)ER5 0號(hào)五倍線和WR5 2號(hào)五倍線進(jìn)行測(cè)試，則施加（1,0,0）的測(cè)試向量，然后在對(duì)應(yīng)輸出端的IOB觀察輸出結(jié)果。如果輸出為（1,0,0），則ER5 0號(hào)五倍線、WR5 2號(hào)五倍線無故障，如果輸出不為（1,0,0），則ER5 0號(hào)五倍線或者WR5 2號(hào)五倍線有故障，記錄輸出結(jié)果。然后對(duì)ER5 0號(hào)五倍線再施加（0,1,1）的測(cè)試向量，然后在對(duì)應(yīng)輸出端的IOB觀察輸出結(jié)果。如果輸出為（0,1,1），則ER5 0號(hào)五倍線、WR5 2號(hào)五倍線無故障，如果輸出不為（0,1,1），則ER5 0號(hào)五倍線或者WR5 2號(hào)五倍線有故障，記錄輸出結(jié)果。

綜合輸出結(jié)果，故障類型初步判斷為：

（1）輸出結(jié)果始終為（0,0,0），則ER5 0號(hào)五倍線或者WR5 2號(hào)五倍線固定0故障或斷路故障；

（2）輸出結(jié)果始終為（1,0,0,），則 ER5 0號(hào)五倍線或者WR5 2號(hào)五倍線固定1故障；

（3）如果輸入為(1,0,0)，ER5 0號(hào)五倍線位置為1，而其他位置也出現(xiàn)了1，則出現(xiàn)了橋接故障。

6 結(jié)論

利用XDL腳本程序?qū)ξ灞毒€進(jìn)行確定性布線的方法，通過一次配置文件就能判斷出故障。由于采用確定性布線，在布線時(shí)選擇了所有能測(cè)試的五倍線，所以故障覆蓋率可以達(dá)到100%。通過實(shí)施，發(fā)現(xiàn)確定性布線方法可以快速實(shí)現(xiàn)特定線段的測(cè)試，相對(duì)于自動(dòng)化算法布線，具有應(yīng)用快速、覆蓋率可控的優(yōu)勢(shì)。

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