ARM技術(shù)的Cortex-M3微處理器測(cè)試方法研究與實(shí)現(xiàn)

0 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，集成電路制程工藝從深亞微米發(fā)展到納米級(jí)，晶體管集成度的大幅提高使得芯片復(fù)雜度增加，單個(gè)芯片的功能越來越強(qiáng)。二十世紀(jì)90年代ARM公司成立于英國(guó)劍橋，主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。采用ARM技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)( IP 核)的微處理器，即ARM 微處理器，已遍及工業(yè)控制。消費(fèi)類電子產(chǎn) 品。通信系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)，基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32 位RISC微處理器七成以上的市場(chǎng)份額。ARM 芯片的廣泛應(yīng)用和發(fā)展也給測(cè)試帶來了挑戰(zhàn)，集成電路測(cè)試一般采用實(shí)際速度下的功能測(cè)試，但半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使得測(cè)試開發(fā)工程資源按幾何規(guī)律增長(zhǎng)，自動(dòng)測(cè)試 設(shè)備(ATE)的性能趕不上日益增加的器件I/O 速度的發(fā)展，同時(shí)也越來難以滿足ARM 等微處理器測(cè)試所用的時(shí)序信號(hào)高分辨率要求，因而必須不斷提高自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的性能，導(dǎo)致測(cè)試成本不斷攀升。此外，因?yàn)锳RM 芯片的復(fù)雜度越來越高，為對(duì)其進(jìn)行功能測(cè)試，人工編寫測(cè)試向量的工作量是極其巨大的，實(shí)際上一個(gè)ARM 芯片測(cè)試向量的手工編寫工作量可能達(dá)到數(shù)十人年甚至更多。本文針對(duì)ARM Cortex內(nèi)核的工作原理，提出了一種高效的測(cè)試向量產(chǎn)生方法，并在BC3192 測(cè)試系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)ARM Cortex-M3內(nèi)核微處理器的測(cè)試。

1 微處理器測(cè)試方法

集成電路測(cè)試主要包括功能測(cè)試和直流參數(shù)的測(cè)試，微處理器的測(cè)試也包括功能和直流參數(shù)測(cè)試兩項(xiàng)內(nèi) 容。微處理器包含豐富的指令集，而且微處理器種類繁多，不同微處理器之間很難有統(tǒng)一的測(cè)試規(guī)范。為了使測(cè)試具有通用性，我們有必要對(duì)微處理器的測(cè)試建立一 個(gè)統(tǒng)一的模型，如圖1 所示。芯片測(cè)試系統(tǒng)為被測(cè)微處理器提供電源和時(shí)鐘，并能夠模擬微處理器的仿真通信接口來控制微處理器工作，同時(shí)配合仿真時(shí)序施加激勵(lì)向量，從而達(dá)到測(cè)試目的。

按微處理器仿真通信接口大致分兩類，一類是具有仿真接口(如JTAG)的微處理器，一類是沒有仿真接口的微處理器，對(duì)于配備類似JTAG 接口的微處理器，測(cè)試儀通過仿真一個(gè)JTAG接口對(duì)被測(cè)芯片進(jìn)行功能或參數(shù)測(cè)試。沒有配備仿真調(diào)試接口的芯片，可以根據(jù)芯片的外部接口和引導(dǎo)方式選擇測(cè)試模型。

1.1 跟蹤調(diào)試模式

大多數(shù)的微處理器都提供了跟蹤調(diào)試接口，例如最常用的JTAG 接口，Cortex-M3內(nèi)核除了支持JTAG調(diào)試外，還提供了專門的指令追蹤單元(ITM)。JTAG(Joint Test Action Group,聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組)是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議(IEEE 1149.1 兼容)，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試?，F(xiàn)在多數(shù)的高級(jí)器件都支持JTAG協(xié)議，如ARM、DSP、FPGA器件等。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG 接口是4 線：

TMS、TCK、TDI、TDO,分別為模式選擇。時(shí)鐘。數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。JTAG 最初是用來對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試的，因此使用JTAG 接口測(cè)試微處理器具有很多優(yōu)點(diǎn)。

用JTAG 接口對(duì)微處理器進(jìn)行仿真測(cè)試，是通過測(cè)試系統(tǒng)用測(cè)試矢量模擬一個(gè)JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對(duì)微處理器的仿真控制，其核心是狀態(tài)機(jī)的模擬，圖2 所示為測(cè)試系統(tǒng)使用的JTAG TAP 控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。通過測(cè)試儀來模擬狀態(tài)轉(zhuǎn)換就可以實(shí)現(xiàn)JTAG 通信控制。

JTAG 在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層具有統(tǒng)一的規(guī)范，但針對(duì)不同的芯片仿真測(cè)試協(xié)議可能略有差異。為了使測(cè)試模型具有通用性，我們對(duì)測(cè)試模型的JTAG 接口做了一個(gè)抽象層，如圖3 所示。圖中抽象層將類型多樣的控制函數(shù)轉(zhuǎn)化成芯片能識(shí)別的數(shù)據(jù)流來控制被測(cè)芯片的工作狀態(tài)。