關(guān)于數(shù)字電路測試壓縮方法的探討

毛安平

摘 要：隨著信息時代的推進(jìn)，數(shù)字電路的測試壓縮方法也被提出了更為嚴(yán)格的要求。本文闡述了數(shù)字電路的概念和特點(diǎn)，通過測試激勵壓縮法和測試響應(yīng)壓縮法兩個方面著重探討了數(shù)字電路的測試壓縮方法，旨在為相關(guān)工作人員提供理論性的參考意見，確保數(shù)字電路應(yīng)用的實效性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路;測試方法;壓縮方法

中圖分類號：TN407 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0024-02

0 引言

現(xiàn)階段，數(shù)字電路已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如醫(yī)療、航天、金融、工業(yè)及通信等，一旦出現(xiàn)故障將會帶來巨大的安全風(fēng)險和經(jīng)濟(jì)損失，因此應(yīng)完善數(shù)字電路測試方法，確保其應(yīng)用的安全性和穩(wěn)定性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路也呈現(xiàn)出規(guī)模化形態(tài)，如何運(yùn)用科學(xué)的測試壓縮方法是本文探討的主要話題。

1 數(shù)字電路的概念和特點(diǎn)

所謂數(shù)字電路，即是在數(shù)字信號的輔助下完成運(yùn)算工作的電路。目前常見的數(shù)字電路選用的材料為半導(dǎo)體，在眾多精密元件的作用下進(jìn)行邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理。

數(shù)字電路的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

首先，功能性。數(shù)字電路主要依靠二進(jìn)制運(yùn)算處理數(shù)據(jù)，所以功能性較強(qiáng)，適用于數(shù)字的處理、比對、儲存、傳遞、控制以及決策，所以被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

其次，可靠性。數(shù)字電路較為安全可靠，當(dāng)電源在外界環(huán)境的影響下出現(xiàn)輕微的電壓波動時不會對電路性能產(chǎn)生影響，而且與模擬電路相比，數(shù)字電路受溫度以及工藝等方面的影響較小[1]。

最后，集成性。數(shù)字電路的優(yōu)勢在于功率消耗低、體積較小，最重要的是集成度高。數(shù)字電路與集成電路相融合能有效提升工作性能，縮小占用空間，目前數(shù)字電路主要由眾多集成電路塊組成，在滿足功能需求的同時又小巧精悍。

2 數(shù)字電路的測試壓縮方法

2.1 試激勵壓縮法

測試激勵壓縮要求過程一定要采用無損數(shù)據(jù)壓縮的方法，避免期間出現(xiàn)故障影響數(shù)據(jù)傳遞效果。實質(zhì)上，激勵向量的壓縮率很高，主要利用其中的不關(guān)心向量達(dá)到壓縮目的。若將數(shù)據(jù)當(dāng)做三維模型，分別由X軸、Y軸和Z軸組成，此時的X軸和Y軸共同組成測試向量，而Z軸則代表了向量的數(shù)目，具體而言水平軸相當(dāng)于子向量，垂直軸相當(dāng)于掃描切片，共同組成了激勵向量結(jié)構(gòu)。其中，水平壓縮的方法有切片重疊、編碼法等，而垂直壓縮的方法有邏輯變換法以及廣播壓縮法等。

2.1.1 編碼壓縮

一般來講，視頻圖像的壓縮多采用編碼壓縮法，所以在電路測試數(shù)據(jù)中同樣適用。在測試壓縮環(huán)節(jié)，這種方法能有目的性的壓縮0或1的游程數(shù)據(jù)。所謂游程數(shù)據(jù)，即是0或1組成的字符串，其長度為連續(xù)0的數(shù)量或連續(xù)1的數(shù)量。具體壓縮方法為：有針對性的選擇編碼，利用編碼壓縮法將向量集TD壓縮成TE并加以儲存。進(jìn)入到芯片測試階段時，TE數(shù)據(jù)需要載入到芯片中，再通過解壓恢復(fù)到原始狀態(tài)，通過電路傳遞信號，達(dá)到工作的目的。在眾多編碼中，壓縮效果良好的為變長到邊長的編碼，如Golomb編碼，而FDR編碼則是在前者的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)和創(chuàng)新，利用了二進(jìn)制字符的分布特性，既能減小解碼器開銷面積又能確保壓縮效果。除此之外還存在幾何編碼、游程編碼，以及LZH編碼等多種壓縮方式[2]。

2.1.2 廣播壓縮

廣播壓縮主要通過同組向量測試眾多不同電路，在實際工作中利用掃描法錄入系統(tǒng)。假設(shè)當(dāng)前存在兩個待測電路，分別為CUT（1）和CUT（2），程序開發(fā)語言將產(chǎn)生隨機(jī)向量進(jìn)行故障覆蓋，實際上向量的覆蓋率可以自行設(shè)定，綜合考慮通常保持在百分之八十左右。由于隨即向量性質(zhì)上一致，所以能共同作用于兩種電路，對于尚未解決的故障問題可以通過程序開發(fā)語言生成的測試向量進(jìn)行故障監(jiān)測，有針對性的測試向量也能實現(xiàn)兩個電路之間的向量共享。若兩個電路掃描鏈的數(shù)量各為n個，那么合計都需要n×2=2n個向量，在共享區(qū)域內(nèi)需要n個向量。

除此之外，伊利諾伊方法也屬于一種穩(wěn)定的輸入程序，如圖1所示，這種程序具體分為兩種操作手段：廣播掃描以及串行掃描。其中占據(jù)優(yōu)勢的掃描技術(shù)為廣播掃描。在此種掃描環(huán)節(jié)，鏈條將被分化成多個短鏈，并與相同輸入數(shù)據(jù)之間重組。舉個例子，若總計掃描長度為兩百個單元，切割成四部分，每部分即有五十個單元，將這些鏈條部分連接到統(tǒng)一的掃描數(shù)據(jù)中，在操作環(huán)節(jié)只需一個輸入就能完成兩百個單元的共同賦值。為確保掃描效率可以將鏈條盡量保持最短，節(jié)省測試時間，但是這種方法也存在一定的弊端，過于依賴掃描鏈條與數(shù)據(jù)輸入之間的關(guān)系，所以很多無法解除的故障需要通過串行測試來完成。很多專家學(xué)者將伊利諾伊的掃描優(yōu)勢充分運(yùn)用到了電路測試中，研究出了可重構(gòu)方法測試數(shù)據(jù)在連接過程中存在的未知故障。根據(jù)特點(diǎn)的差異性，重構(gòu)方法可分為兩種：第一種，每向量法。當(dāng)處于連接狀態(tài)的向量需要進(jìn)行切換時，需要先將故障集一分為多，通過多個子集之間的連接來達(dá)到測試目的。當(dāng)此時的關(guān)系需要進(jìn)行變更時可通過MUX10s門來完成。第二種，每周期法。通過周期來控制向量的移入過程，相比于前者，其就有靈活性和高效性，對于復(fù)雜的電路也同樣適用。

2.1.3 邏輯變換

邏輯變換法同樣是眾多測試壓縮方法中的重要組成部分，其本身性質(zhì)與廣播壓縮法存在差異，廣播壓縮主要是將鏈條分化重組，通過一個賦值來完成整體賦值，而邏輯變換并不是將原有的輸入值附加到掃描鏈中，而是將初始值經(jīng)過一定的運(yùn)算方法后再進(jìn)行賦值，其原理可以通過以下方程來概括：AX+BX=Z，其中X是數(shù)據(jù)輸入狀態(tài);Y是數(shù)據(jù)當(dāng)前狀態(tài);Z是數(shù)據(jù)下一個狀態(tài)，具體而言，邏輯變換可分為兩類：第一類是異或門變換，通過變換矩陣來完成操作。從性質(zhì)上來講，異或門能將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行大量擴(kuò)散，但是從邏輯上講局限性在于需要少量輸入，所以在進(jìn)行測試壓縮時應(yīng)考慮到這一影響因素。第二類是一般邏輯門。當(dāng)數(shù)據(jù)輸入后經(jīng)運(yùn)算程序可以達(dá)到大量輸出的目的，此種方法局限性較小。

2.2 測試響應(yīng)壓縮法

除激勵壓縮法外，還有響應(yīng)壓縮法，所處理的數(shù)據(jù)量也較為龐大。換言之，測試壓縮法既能應(yīng)用于激勵環(huán)節(jié)，也能應(yīng)用于響應(yīng)環(huán)節(jié)，而且在響應(yīng)環(huán)節(jié)更能發(fā)揮出其自身價值。本文主要從四個方面探討測試響應(yīng)壓縮法的具體應(yīng)用形式。為確保論述方便，主要從形式化的角度來分析響應(yīng)過程。常見的響應(yīng)壓縮是將m×n數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為p×q向量數(shù)據(jù)C，而且數(shù)據(jù)之間存在的關(guān)系是m大于p且n大于q，利用變換函數(shù)來設(shè)定C=Φ（D），進(jìn)行分析推斷。

2.2.1 時間和空間

D代指響應(yīng)數(shù)據(jù)，屬于二維向量，其列索引可做時間維度或者空間維度。當(dāng)其做時間維度時，電路將在不同時間段內(nèi)輸出數(shù)據(jù);當(dāng)做空間維度時，電路將在同一時刻輸出不同數(shù)據(jù)[3]。若進(jìn)行時間壓縮，則此時n大于q;若進(jìn)行空間壓縮，則此時m大于p，具體表現(xiàn)如圖2所示。若對于同一壓縮電路，時間和空間壓縮皆可行，二者之間共同作用于電路又被稱之為組合壓縮法。空間壓縮相比之下簡單易行，當(dāng)校驗電路時，最為常見的奇偶校驗即是空間壓縮方法之一，但是這種方法容易造成數(shù)據(jù)混淆，為了避免這種情況，很多專家對此采取了深入研究，將電路中常見故障的頻率及模式加以詳細(xì)分類，研究出了多種具有針對性的壓縮電路。

2.2.2 電路功能相關(guān)和無關(guān)

在響應(yīng)壓縮中，其與電路功能的關(guān)聯(lián)性主要取決于變換函數(shù)的選擇和使用。當(dāng)壓縮電路與功能相關(guān)時，可能相關(guān)點(diǎn)為向量或結(jié)構(gòu)。向量存在相關(guān)性是因為電路測試向量屬于壓縮電路工作的必要條件，會隨著向量的變化而變化，例如零混淆就屬于向量相關(guān)的一種表現(xiàn)。結(jié)構(gòu)存在相關(guān)性是因為電路內(nèi)部的結(jié)構(gòu)屬于壓縮電路工作的影響條件，會隨著電路結(jié)構(gòu)的變化而改變。

2.2.3 線性和非線性

與電路功能性相似，壓縮的線性及非線性也由變換函數(shù)所決定，若變換函數(shù)需要線性操作，則壓縮過程屬于線性;反之，若變換函數(shù)無需線性操作，則壓縮過程屬于非線性。

2.2.4 組合和時序

若向量數(shù)據(jù)中的任意一個數(shù)據(jù)都屬于響應(yīng)數(shù)據(jù)D，與D中的函數(shù)相對應(yīng)，則變換函數(shù)的性質(zhì)為組合型;若響應(yīng)數(shù)據(jù)D中的任意一個數(shù)據(jù)都屬于向量數(shù)據(jù)，則變換函數(shù)的性質(zhì)為時序型。所以通過壓縮數(shù)據(jù)的特性可將方法進(jìn)行分門別類，結(jié)果為表1所示。

3 結(jié)語

總而言之，測試壓縮在數(shù)字電路應(yīng)用和維護(hù)階段起到了至關(guān)重要的作用，能縮小數(shù)據(jù)體積，節(jié)省測試時間，提高數(shù)據(jù)分析效率。由于壓縮電路具有融合度高的優(yōu)勢，能應(yīng)用于芯片設(shè)計中，降低故障發(fā)生率，所以被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，在未來發(fā)展中還應(yīng)不斷完善測試激勵壓縮以及測試響應(yīng)壓縮技術(shù)，為數(shù)字電路使用提供保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 鞠子劍.超大規(guī)模集成電路測試數(shù)據(jù)編碼壓縮技術(shù)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2017.

[2] 楊慎濤.數(shù)字電路系統(tǒng)性能測試軟件開發(fā)及矢量生成算法研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2014.

[3] 馬會.集成電路測試數(shù)據(jù)編碼壓縮方法研究[D].湖南：湖南大學(xué)，2013.