調(diào)試設(shè)計(jì)：芯片設(shè)計(jì)中必不可少之舉

在測(cè)試中，目的是要盡快確定芯片是否以較高的穩(wěn)定性正常工作，而不是絕對(duì)的穩(wěn)定性。現(xiàn)在芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)普遍認(rèn)識(shí)到，這需要在芯片上添加DFT(可測(cè)試設(shè)計(jì))電路。第三方工具和IP (知識(shí)產(chǎn)權(quán))企業(yè)可幫助實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。

而調(diào)試則完全不同了。調(diào)試的目的并不只是簡(jiǎn)單地確定芯片出現(xiàn)了故障，而是要找出故障的原因。這種檢查并不限于在測(cè)試臺(tái)上的幾秒鐘，可能要持續(xù)數(shù)周時(shí)間。它并不是自動(dòng)進(jìn)行的，而是需要芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的參加。它出現(xiàn)在設(shè)計(jì)周期中的離散點(diǎn)上：在第一個(gè)芯片設(shè)計(jì)階段、在可靠性研究階段和現(xiàn)場(chǎng)故障分析階段。

根據(jù)這種情況，可以想象，良好的DFT 策略應(yīng)能夠滿(mǎn)足芯片調(diào)試的需要，而且，實(shí)際上也往往是如此。隨著SoC(單片系統(tǒng)) 設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，一流的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)表 示，他們將對(duì)支持調(diào)試而不是測(cè)試的電路提供更多的計(jì)劃、實(shí)現(xiàn)工作以及芯片面積。

“十年前在設(shè)計(jì)3層金屬層時(shí)，這并不是什么大問(wèn)題，”Bay Microsystems 工程部的高級(jí)副總裁Tony Chiang說(shuō)。“如果芯片有問(wèn)題，應(yīng)該直接研究金屬層來(lái)察看電路，而對(duì)于聚焦離子束系統(tǒng)則應(yīng)該重新布線(xiàn)?，F(xiàn)在，對(duì)于9層金屬層和0.2mm金屬間距，問(wèn)題就不是

那么簡(jiǎn)單了。必須將電路設(shè)計(jì)成具有從芯片外部能控制和能觀(guān)察的，而在成本和時(shí)間預(yù)算上不超出我們的目標(biāo)。”

這種情況，簡(jiǎn)單扼要地描述了調(diào)試設(shè)計(jì)界的情況。

技術(shù)概覽

調(diào)試與DFT并不是完全脫離的。Broadcom公司的測(cè)試開(kāi)發(fā)工程高級(jí)總監(jiān)Kris Hublitz舉例介紹說(shuō)，Broadcom有一個(gè)由70多名工程師組成的公司級(jí)團(tuán)隊(duì)，他們與公司其它的芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)共同從事調(diào)試和測(cè)試。Hublitz再三宣稱(chēng)DFT廠(chǎng)商LogicVision是Broadcom芯片調(diào)試策略的主要合作伙伴。

其他人也同意這種觀(guān)點(diǎn)。“調(diào)試設(shè)計(jì)與生產(chǎn)測(cè)試并不是毫無(wú)關(guān)系，” CSR (Cambridge Silicon Radio) 的副總裁David McCall說(shuō)。“兩者的起點(diǎn)差不多。”

很多設(shè)計(jì)經(jīng)理強(qiáng)調(diào)，這一起點(diǎn)就是探尋電路的能控性和能觀(guān)性。調(diào)試與生產(chǎn)測(cè)試相似，基本問(wèn)題是將電路設(shè)置在一個(gè)已知的狀態(tài)，然后開(kāi)始運(yùn)行，觀(guān)察其行為。在中等規(guī)模的集成中，邊界掃描技術(shù)可有效地完成此任務(wù)。由于芯片內(nèi)部狀態(tài)較少，可以全面地對(duì)其進(jìn)行測(cè)試：將輸入通過(guò)已知的一系列狀態(tài)，對(duì)電路進(jìn)行時(shí)鐘同步，然后觀(guān)察輸出。

隨著微處理器的出現(xiàn)，事情變得更加復(fù)雜了。微處理器有很多內(nèi)部狀態(tài)，所以只將輸入施加給一個(gè)已知矢量并觀(guān)察輸出并不是特別有效。早期，業(yè)界嘗試了多種技術(shù)使微處理器實(shí)現(xiàn)可調(diào)試，從對(duì)寄存器間的每群邏輯進(jìn)行掃描到依賴(lài)同類(lèi)的跟蹤、斷點(diǎn)及微機(jī)用于進(jìn)行軟件調(diào)試的單步函數(shù)等。將兩種方法結(jié)合起來(lái)才能起作用。

如今設(shè)計(jì)人員對(duì)SoC的數(shù)字部分使用相同的工具套件。另有一些技術(shù)用于混合信號(hào)的模擬電路。但沒(méi)有單獨(dú)一種方法可以囊括整個(gè)復(fù)雜的SoC。所以，調(diào)試的設(shè)計(jì)流程包括將系統(tǒng)分割成獨(dú)立的可調(diào)試模塊，對(duì)每個(gè)模塊實(shí)施一個(gè)調(diào)試策略，并將這些策略整合到一個(gè)完整芯片的方案中，使單個(gè)模塊的用戶(hù)接口相似并盡量減少電路需要的芯片資源。最后，設(shè)計(jì)師必須使用這些調(diào)試資源重新檢查，使完全集成的芯片的運(yùn)行既可控制又可觀(guān)察，因?yàn)槟悴荒苤桓鶕?jù)隔離功能模塊就能判斷某些問(wèn)題。

數(shù)字SoC

最基本的SoC 形式是由簡(jiǎn)單的往往是可編程的外設(shè)模塊和內(nèi)存所包圍的CPU 核。多數(shù)情況下，CPU 核為第三方的IP，至少有一個(gè)內(nèi)部調(diào)試內(nèi)核的選項(xiàng)。軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)常強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。此內(nèi)核與標(biāo)準(zhǔn)的DFT 電路相結(jié)合，這種電路是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為外設(shè)所實(shí)施的，以實(shí)現(xiàn)能觀(guān)性和能控性來(lái)隔離故障?？梢栽贑PU 核中應(yīng)用這種調(diào)試內(nèi)核，模擬核的非同步部分，以捕捉結(jié)果。通過(guò)讓CPU 讀寫(xiě)外設(shè)寄存器，此內(nèi)核也可模擬并觀(guān)察外設(shè)，通常允許設(shè)計(jì)師在可以處理的級(jí)別上確定掃描鏈中的故障。

但如今并沒(méi)有多少這么簡(jiǎn)單的SoC(圖 1)。更多的情況下，芯片有幾個(gè)或一群CPU 核和幾種不同的處理器內(nèi)核。某些外部控制器非常復(fù)雜，只用CPU對(duì)其進(jìn)行模擬來(lái)觀(guān)察結(jié)果，并不能對(duì)其有效診斷。還有多個(gè)時(shí)鐘域，它們之間通常彼此并不同步。這樣的芯片需要更有效的方法來(lái)調(diào)試。

在這種情況下，有幾種策略可用。Broadcom的Hublitz介紹的一種簡(jiǎn)單方法是使所有主要功能模塊的輸入和輸出可以訪(fǎng)問(wèn)芯片的針腳。這種方法需要大量的多路復(fù)用。在有大量I/O 和內(nèi)存接口的設(shè)計(jì)中，在引入任何額外訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)行調(diào)試之前，芯片針腳數(shù)已經(jīng)限定了，設(shè)計(jì)人員必須復(fù)用針腳進(jìn)行調(diào)試訪(fǎng)問(wèn)。只將輸入輸出簡(jiǎn)單引出每個(gè)復(fù)雜模塊，可能比將其在主CPU 核上執(zhí)行更有用，設(shè)計(jì)師可能需要引出內(nèi)部信號(hào)。

所有這些多路復(fù)用和輸入輸出傳送共同作用，可能并不太實(shí)際。而且，結(jié)果的額外互連會(huì)造成盡管所有模塊可從針腳進(jìn)行實(shí)際訪(fǎng)問(wèn)，但其訪(fǎng)問(wèn)速度根本達(dá)不到要求。這是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。“我們必須要以全速測(cè)試電路，特別是模塊間的互連，”Hublitz 說(shuō)。“這對(duì)于65 nm工藝的芯片更是如此。否則會(huì)產(chǎn)生芯片中的故障。”

Hublitz 強(qiáng)調(diào)，由ATE (自動(dòng)測(cè)試設(shè)備) 支持的良好的DFT 策略，可極大地有助調(diào)試過(guò)程。“我們第一輪調(diào)試在ATE 系統(tǒng)上進(jìn)行，”他說(shuō)。“在我們清楚了芯片不會(huì)融化后，把它交給設(shè)計(jì)人員，與他們一起合作。”Hublitz同時(shí)表明，芯片可能會(huì)不斷地返回到 Broadcom的測(cè)試臺(tái)，以使 ATE 系統(tǒng)采集大量的數(shù)據(jù)或進(jìn)行速度檢查。“自己內(nèi)部有ATE 能力的真是很有用，”他表示。“我們有28 個(gè)系統(tǒng)，大概每季度就增加一個(gè)新的，主要是用于調(diào)試，調(diào)試新芯片是我們裝備設(shè)備最主要的目的。”

雖然有了ATE 系統(tǒng)，某些信號(hào)和 狀態(tài)還是不能通過(guò)探測(cè)卡的檢查。需要采用其它的策略：內(nèi)部仿真和邏輯分析。有時(shí)，對(duì)模塊進(jìn)行快速仿真和捕捉其行為的唯一有效途徑是將電路構(gòu)建到模塊內(nèi)部。據(jù)Chiang介紹，Bay將其網(wǎng)絡(luò)處理芯片組織成一串獨(dú)立的處理器，并廣泛應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)。重要的模塊可以有其自己的調(diào)試內(nèi)核，包括單步和斷點(diǎn)能力及跟蹤緩沖器實(shí)時(shí)捕捉