調(diào)試設計：芯片設計中必不可少之舉

內(nèi)部狀態(tài)。Bay 的邏輯設計總監(jiān)Jun-wen Tsong將這種方法描述為多階段驗證流程。

“首先，我們在模塊級實現(xiàn)芯片。在這種模式下，每個模塊都被隔離開來：我們可以注入足夠的狀態(tài)啟動其運行，然后觀察其獨立運行特點。”這些測試必須在最大時鐘速度下進行，以保證精度。這樣，設計師就可實現(xiàn)對一串處理器每級的調(diào)試。此時，設計師還將I/O 環(huán)與內(nèi)部模塊隔離，使輸入可直接進入輸出FIFO中。Bay 的設計師在獨立驗證I/O 環(huán)和內(nèi)部模塊后，再將兩者結合起來整體地測試芯片。

以整個芯片全速運行采集數(shù)據(jù)，需要制定全面的計劃。單個處理器中的調(diào)試內(nèi)核必須不僅可以識別本地指令和數(shù)據(jù)字，而且大的圖像數(shù)據(jù)對芯片運行也是十分重要的：如數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)封包。另外，36位總線貫穿整個芯片，可實時將關鍵信號從任何模塊傳輸?shù)椒庋b腳。使芯片以全速處理包時，調(diào)試工程師可以觀察模塊的運行。此外，硬件實時監(jiān)測特定的斷言，如FIFO full/empty 斷言。Broadcom 也有類似的方法。Hublitz告訴我們，他們公司的無線局域網(wǎng)芯片有足夠的內(nèi)部調(diào)試硬件，工程師可以在整個芯片上跟蹤向量幅度，從輸入到基帶直到輸出。

在一個模塊內(nèi)一旦將問題隔離到一個功能上時，基于類似DFT 的策略，調(diào)試工程師可使用低級的診斷工具。Bay 杰出的工程師兼芯片架構師Barry Lee 說：“我們在模塊中有對觸發(fā)和單步的時鐘控制，并可掃描我們認為重要的信號。理想情況下，我們可以確切地了解一個特殊的流水線如何執(zhí)行到針腳和寄存器級別。”

模擬挑戰(zhàn)

當涉及模擬電路時，一切都不一樣了。“我們將模擬部分與數(shù)字電路分割開來進行調(diào)試”Lee 解釋道。“對兩者的調(diào)試技術是不一樣的。在模擬領域，要打開環(huán)回途徑，可能要將所有的調(diào)試拿到封裝腳之外進行。由于在模擬電路中活動基元并不與時鐘同步，因而無法對其進行捕捉。”

模擬電路與數(shù)字電路類似，隨著幾何尺寸的縮小，設計師已經(jīng)看到了探測和實驗設計的能力，Analog Devices的Paul Ferguson 認為。“我們習慣了將激光切割器用于探測臺來修改電路。后來，隨著幾何尺寸的減小，我們轉移到了聚焦離子束系統(tǒng)。對于250 nm 或更大的間距非常實用。這表明，實際上說，如果采用65nm 工藝，只能改動上面的兩個金屬層。”

這種情況引發(fā)了模擬設計風格的一個有趣的變化， Ferguson說。“最近我們在做一項90nm 設計的PLL，我們發(fā)現(xiàn)必須首先完成VCO(壓控制振蕩器)，才能建立合適的模型。所以，我們引入了一些線路，將增益和其它參數(shù)調(diào)整到所能達到的上部金屬層。這對于調(diào)試過程的確很有益處。”

Matt Ball 是單芯片無線電廠商Jennic公司的混合信號項目工程師，他也強調(diào)要將關鍵模擬信號置于可取位置的重要性。“我們加入了盡量多的可編程性和數(shù)字調(diào)整功能，”他說。“有些東西必須為金屬微調(diào)的, 我們將那些位置變成單一的掩模層級別實現(xiàn)可訪問性。”

除了將實時信號引到上部金屬層或封裝腳上，今天的模擬設計師還有其它武器設定及觀察電路的狀態(tài)。最重要的是在微細幾何尺寸上進行，模擬電路與校準和監(jiān)測它們的數(shù)字電路間要有密切的協(xié)作。

CSR的McCall 說在其設計中，ADC監(jiān)測器可確定模擬電路中數(shù)字監(jiān)視電路的多個點。這些點通過將轉換器的輸出接到封裝的外部，為調(diào)試工程師提供了訪問模擬部分行為的機會。“通常重要的模擬信號在某些點進行數(shù)字化處理了”Ball說。“為什么不進行采樣，以片上DSP進行濾波，輸出我們能夠看到它的結果呢?”

設計濾波器或放大器以便數(shù)字電路能夠調(diào)節(jié)所有重要電氣特性，這似乎有些大動干戈了。但是在首次工作的芯片和在調(diào)試前有兩層新金屬掩模層的芯片之間產(chǎn)生的不同甚至可以啟動設計的數(shù)字部分。而且，在小于90nm的工藝中，設計師必須面對越來越強的可變性，這些由數(shù)字調(diào)整就成了必須，這樣才能生產(chǎn)足夠數(shù)量的有用芯片。

如何進行調(diào)整?對于無線電芯片上信號的精度和頻率，IF (中頻)信號，在測試模式中可以只用布線和模擬多路復用將信號引出封裝之外。“在中頻部分，緩沖器非常有用。”Ball 說。“從重要的節(jié)點取得信號送到針腳，就可以看到需要看的結果。”Analog Devices的Ferguson也同意此觀點。“就調(diào)試而言，往往不需要比模擬多路復用器所能提供的精確度高多少，就可以看到振蕩或20% 的增益誤差。”

如果不能將信號引到封裝之外，有時可以將 信號路由到片上數(shù)據(jù)轉換 器。“芯片上通常有一個附屬ADC監(jiān)測芯片溫度，電池電壓等等，”Ferguson 解釋說。“在調(diào)試中我們將龐大的多路復用器置于其前面，用來檢查模擬部分的其它節(jié)點。但要小心：額外的測量電路會損壞其它部分。例如，接通多路復用器觀察節(jié)點，會提高穩(wěn)定電路的振

蕩能力。如果調(diào)試信號無意中跨過電源域，可以引入沒有遇到過的寄生電流路徑。”

Ball 也同意這種警告，必須選擇適當?shù)姆椒?，他說：“緩沖模擬信號時所產(chǎn)生的10fF或20fF可改變節(jié)點的行為。” Jennic傾向于只根據(jù)以前出現(xiàn)問題的區(qū)域，如帶隙電池，構建其調(diào)試方案。“我們更喜歡添加旁通電路，以防出現(xiàn)問題。”Ball補充說。這種保守思想可降低故障電路的出現(xiàn)機會。

經(jīng)過計劃，加上運氣，以及一點雅致，可以重新利用功能模塊進行調(diào)試。許多模擬信號在數(shù)據(jù)轉換器中終止，所以至少其中部分是可觀察的。Ferguson 指出，可以輕松地開關s-Δ轉換器作為濾波器工作，以對進入的模擬信號進行觀察。或者小心地將位流路由到針腳，在轉換器兩側都可觀察。一旦對數(shù)據(jù)進行數(shù)字化處理，就可以使用CPU 或DSP 模塊調(diào)節(jié)及壓縮或測試對其的斷言。

也可以將調(diào)試智能(相當于簡單的網(wǎng)絡分析儀)構建到一個模塊中。環(huán)回路徑可使用發(fā)射器和接收器來互相檢查(圖 2)，有些電路可以抽取結果的模擬波形。“在我們千兆位PHY (物理層)設計中，我們在PHY 塊中捕捉到了一些模擬信號，”Broadcom Hublitz 介紹說。