基于FPGA的SRAM自測試研究

引言

　　SRAM有高速和不用刷新等優(yōu)點，被廣泛用于高性能的計算機系統(tǒng)。由于半導體工藝技術的提高以及存儲系統(tǒng)多方面的需要，存儲器件日益向高速、高集成方向發(fā)展，在使系統(tǒng)功能強大的同時，也增加了系統(tǒng)的復雜性，給電路的故障診斷帶來了不小的困難[12]。由于存儲器功能和結(jié)構(gòu)的復雜性，設計者為了正確地處理數(shù)據(jù)和正常地運行用戶的程序，必須保證SRAM單元的尋址、取指令以及計算正確，對程序或數(shù)據(jù)存儲單元的正確操作是很重要的方面，因此保證存儲器的正常、穩(wěn)定工作是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提。本文主要是通過對常見的SRAM故障問題的分析，運用March C算法，以FPGA構(gòu)建成的SRAM自檢測試電路對SRAM系統(tǒng)進行故障檢測與修復。

1　故障模型

　　所謂故障模型，是指為了研究故障對電路或系統(tǒng)的影響，診斷(定位)故障的位置，對故障作一些分類并選擇最典型故障的過程。SRAM系統(tǒng)可抽象為一組互聯(lián)的功能模塊,故障在各個模塊均可發(fā)生。Van de Goor等人[3]將其簡化為地址譯碼器、讀寫邏輯、存儲器單元陣列3部分,并證明前兩者與后者的故障在功能上是等價的,所以只需要檢測存儲單元陣列故障。常見的SRAM故障模型主要分為以下幾個類型[4]：

① 固定故障（StuckAt Faults, SAF）。陣列中的一個或多個單元的一位或多位固定為0或固定為1。

② 開路故障(Open Faults, OF)。陣列中的一個或多個單元開路到0或開路到1。

③ 耦合故障(Coupling Faults, CF)。存儲單元中某些位的跳變導致其他位的邏輯值發(fā)生非預期的變化，既可以發(fā)生在不同單元之間。也可以發(fā)生在同一單元的不同位之間。將發(fā)生在兩個不同單元之間的耦合故障記為第一類耦合故障，將發(fā)生在同一單元不同位之間的耦合故障記為第二類耦合故障。

　　第一類耦合故障又可分為翻轉(zhuǎn)耦合故障、冪等耦合故障以及狀態(tài)耦合故障等。翻轉(zhuǎn)耦合故障是存儲器Ci單元（稱耦合單元）中的跳變引起被耦合單元Cj中的邏輯值發(fā)生翻轉(zhuǎn)的故障。若用“”表示邏輯值（0→1）的跳變，用“ ”表示邏輯值（1→0）的跳變，而用“ ”表示邏輯值的翻轉(zhuǎn)，則這類故障可描述為眩華>或裕華>；冪等耦合故障是指在Ci中的值跳變時將Cj中的值固定為0或1，可描述為;0>、眩1>或裕0>、裕1>[5]；而狀態(tài)耦合故障則是在耦合單元處于一特定狀態(tài)時，被耦合單元被迫處于0或1，即0；0>、0；1>或1；0>、1；1>狀態(tài)。

　　第二類耦合故障即同一單元不同位間的耦合也有類似的情況，但當寫信號很強時，同一單元不同位間的耦合就可能被淹沒，只呈現(xiàn)出寫入的信息。

④ 跳變故障（Transition Faults,TF）。陣列中的一個或多個單元的一位或多位無法在預期的時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)從0到1或從1到0的跳變，記為;0>或;1>。這種故障看似可歸為固定故障，實質(zhì)則有所不同。它的狀態(tài)并非任何時刻都不跳變，當有翻轉(zhuǎn)耦合故障影響它時就會完成原本不能完成的跳變。

⑤ 由地址譯碼錯誤引起的單元陣列故障（Address Decoder Fault，AF）。它包括某地址不能訪問任何單元、某單元不能被任何地址訪問、某個地址可以訪問多個單元、某個單元可被多個地址訪問。

2　SRAM測試方法

　　SRAM的測試方法主要有以下3種。

(1) 直接存取測試

　　直接存取測試是產(chǎn)生一種測試結(jié)構(gòu)來允許對SRAM陣列的直接訪問。它通常利用自動測試設備進行測試，可以從封裝引腳直接對嵌入式存儲器進行訪問，或者可以從封裝引腳對測試狀態(tài)邏輯以及對一些為存儲器提供數(shù)據(jù)的流水線結(jié)構(gòu)中的串行狀態(tài)進行訪問,能夠輕易實現(xiàn)多種高質(zhì)量測試算法。其缺點是：在ATE機上實現(xiàn)的算法越復雜，對ATE機存儲器的容量要求越高；在ATE機上不易實現(xiàn)對嵌入式存儲器的“全速”測試，測試時鐘的工作頻率越高，測試成本越高；由于芯片外圍引腳的限制，對芯片內(nèi)大容量SRAM進行直接測試往往不大現(xiàn)實。

(2) 利用嵌入微處理器來間接測試存儲器

　　在這種測試方法中，通過嵌入式微處理器對存儲器進行讀/寫操作，測試向量是一系列微處理器的程序代碼。這些代碼可以放在程序存儲器中,在嵌入式芯片接口處施加代碼，測試存儲器的過程就是微處理器執(zhí)行測試程序的過程。其優(yōu)點是不需要對硬件設計做任何修改,而且測試算法的修改與實現(xiàn)可以通過靈活修改微處理器代碼予以完成。

(3) 存儲器內(nèi)建自測試(MBIST)

　　存儲器內(nèi)建自測試技術（Memory BuildIn Self Test, MBIST）的工作原理是在存儲器外圍產(chǎn)生一整套控制電路，包括數(shù)據(jù)發(fā)生、地址發(fā)生、控制產(chǎn)生以及結(jié)果比較等電路，實現(xiàn)芯片內(nèi)置存儲器測試模式的自動產(chǎn)生以及測試結(jié)果的自動判別。芯片外部的控制可以讓芯片自動進入內(nèi)部存儲器測試模式，MBIST不僅可以自動產(chǎn)生內(nèi)部測試模式，而且也可以實現(xiàn)并行測試。由于需要增加額外的邏輯電路，所以MBIST技術的缺點在于增加了芯片面積，并有可能影響芯片的時序特性。對于不同容量的存儲器，MBIST電路的規(guī)?；鞠嗤?。因此，隨著存儲器容量的增加，這種方法所增加的芯片面積所占的比例相對較小，而且這種測試技術還有很多其他技術優(yōu)勢。

　　本文研究的是計算機內(nèi)的SRAM測試方法，由于待測SRAM位于計算機系統(tǒng)內(nèi)部，是該系統(tǒng)的關鍵部分，因此本文采用FPGA作為計算機系統(tǒng)與SRAM之間通信的橋梁，通過接收計算機發(fā)出的控制信號，自動產(chǎn)生一套SRAM自測試電路。

3　March C算法

　　針對存儲器中的各種故障模型開發(fā)了多種存儲器測試算法，如March算法、Walking算法、Galloping算法等。其中March算法是較簡單的測試算法之一，具有較高的故障覆蓋率和較小的時間復雜度，所以March算法是最常用的存儲器測試算法。該算法經(jīng)過多次改進，出現(xiàn)了很多變種，如MATS、MATS+、March X、March C、March C等算法[6]。

　　March C算法是由March元素構(gòu)成的序列，其基本原理是利用有限狀態(tài)機，反復對每一個地址進行讀/寫0或1操作，保證每兩個字節(jié)之間的測試碼出現(xiàn)00、01、10、11四種情況，至少各一次；并且為了檢查高低地址讀/寫順序故障，分別進行地址遞增和地址遞減兩種操作。通過對存儲器不斷地讀寫，能夠檢測幾乎所有的存儲器故障。

　　在諸多的March C算法中，綜合考慮算法的故障覆蓋率及測試成本等因素，本文選用能夠有效檢測大多數(shù)存儲器簡化故障的March C算法。March C算法的具體描述如下[7]:

　　其中，“”表示地址的升序，“”表示地址的降序，“ ”表示兩種順序都可以；r0、w0、r1和w1分別表示讀0、寫0、讀1和寫1。M0～M5分別表示一個March單元，March C算法能夠有效檢測出 SAF、TF、CF、AF等故障。其中，SAF故障可由 M0、M1單元和 M1、M2單元檢測出；TF故障中0→1故障可由M3、M4單元檢測出，1→0故障可由M2、M3單元檢測出；在CF故障中，1→0故障可由M2、M3單元和M4、M5單元檢測出，0→1故障可由M1、M2單元和M3、M4單元檢測出，置1故障可由M2、M3單元和M4、M5單元檢測出，置0故障可由M1、M2單元和M2、M3單元檢測出；AF故障可以在March單元的連續(xù)升序/降序中得到檢測。