一種用于FPGA互聯(lián)資源測試的新方法

摘要：以基于靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)為例，在傳統(tǒng)的三次測試方法的基礎(chǔ)上提出了一種新穎的針對FPGA互聯(lián)資源的測試方法。該方法運用了層次化的思想，根據(jù)開關(guān)矩陣中可編程互聯(lián)點(PIP)兩端連線資源的區(qū)別將互聯(lián)資源進行層次化分類，使得以這種方式劃分的不同類別的互聯(lián)資源能夠按一定方式進行疊加測試，這就從根本上減少了實際需要的測試配置圖形和最小配置次數(shù)。最后，文章將文中的測試方法與傳統(tǒng)的測試方法在最小配置次數(shù)、故障覆蓋率等方面進行了一個簡單的比較。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場可編程門陣列；靜態(tài)隨機存儲器；可編程互聯(lián)點；測試配置圖形；故障覆蓋率

FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)作為一種可編程的邏輯器件，以其豐富的邏輯資源和極其靈活的可編程特性越來越受到廣大用戶的青睞。然而，隨著工藝水平的發(fā)展和實際應(yīng)用的需要，F(xiàn)PGA的邏輯門數(shù)量已從最初的幾千門增加到現(xiàn)在的幾千萬門，與此同時，F(xiàn)PGA內(nèi)部資源的復(fù)雜度也呈幾何級數(shù)增長。這勢必給FPGA的測試工作帶來極大的挑戰(zhàn)。如何在有限的時間內(nèi)完成對整個FPGA的可靠性測試而達到盡可能高的故障覆蓋率，已經(jīng)成為每一個測試工作者迫切需要解決的問題。針對FPCA的測試非常復(fù)雜，因為FPGA內(nèi)部具有大量的邏輯資源和布線資源，在用戶使用之前，F(xiàn)PGA的功能是不確定的，用戶可以根據(jù)自己的需求把FPGA配置成某種特定的邏輯，還可以根據(jù)需要反復(fù)編程，但其中大部分的資源仍處于閑置狀態(tài)，這就導(dǎo)致針對FPGA的測試不可能像針對ASIC的測試那樣對FPGA能夠?qū)崿F(xiàn)的所有功能進行的窮舉性測試。在FPGA中，互聯(lián)資源相當復(fù)雜，對于最新的FPGA器件，80％以上的晶體管都包含在互聯(lián)資源中，所以對FPCA互聯(lián)資源的測試成了整個測試工作的核心，為此，本文將專注于FPGA互聯(lián)資源的測試。

1 FPGA的結(jié)構(gòu)與互聯(lián)資源的故障模型
FPGA一般由三種可編程電路和一個可用于存儲配置數(shù)據(jù)的SRAM組成，這三種可編程電路分別是：可編程邏輯塊CLB(Configurable Logic Block)，輸入／輸出模塊IOB (I／O Block)和互聯(lián)資源IR(Interconnect Resource)。以xilinx公司的Virtex系列FPGA為例，其結(jié)構(gòu)的基本模型如圖1所示，該模型是由可編程邏輯塊和開關(guān)矩陣組成的二維陣列，在每個CLB內(nèi)部，邏輯模塊通過輸入輸出多路選擇器(I／O MUX)與開關(guān)矩陣(SM)相連，開關(guān)矩陣同時又為FPGA陣列中不同的CLB之間提供水平和垂直的布線通道。根據(jù)布線資源跨越CLB個數(shù)的不同，我們將其分為三類：單長線(連接相鄰開關(guān)矩陣，不跨越任何的CLB的布線)，六長線(通過一個開關(guān)矩陣跨越五個CLB與另一個開關(guān)矩陣相連的布線)和全局長線(貫穿整個FPGA的CLB陣列，具有最小延時的布線)。在每個開關(guān)矩陣的內(nèi)部都具有大量的可編程互聯(lián)點PIPs (programmable interconnec tpoints)，每一個可編程互聯(lián)點都是一個由可編程的SRAM單元控制的傳輸門晶體管，圖2是一個常用的開關(guān)矩陣的基本模型，在開關(guān)矩陣的每一個邊都有四個連接點，每個連接點都可以通過開關(guān)矩陣內(nèi)部的PIP與其它三邊相連接，其中虛線代表了所有可能的連接方式，我們可以通過向SRAM加載配置數(shù)據(jù)的方式來控制PIP傳輸門晶體管的通斷，當向SRAM單元中寫“1”的時候傳輸管導(dǎo)通，相應(yīng)的連接建立；當向SRAM單元寫“0”的時候傳輸管斷開，相應(yīng)的連接也就隨之斷開。

在FPGA里面，互聯(lián)資源的故障大慨可以分為兩類：一類是開路故障，一類是短路故障。開路故障又可以分為PIP的常開故障(PIP開關(guān)處于永久性的斷開狀態(tài))和互聯(lián)線段的斷開故障，而短路故障通常由PIP的常閉故障(PIP開關(guān)處于永久性的導(dǎo)通狀態(tài))和互聯(lián)線段短路故障組成。另外，我們將互聯(lián)資源的固定型故障(固定“1”或固定“0”故障)看成是互連線與電源Vcc和地Vdd的短路故障，而不單獨加以考慮。如圖3所示，顯示了互聯(lián)資源故障模型的基本分類。