基于SoC的發(fā)展測試設備進入芯片領域

　　 這只是尺度問題。隨著系統(tǒng)級 IC 越來越大而復雜，它們也逐漸無法觀察與激勵。通過打線焊盤甚至探針都無法達到內(nèi)部的節(jié)點。信號電壓很小，噪聲閾值極微，驅動強度可以忽略不計。當關鍵電路達到千兆頻率時，已不可能在物理上獲得片上信號的精確表述，即使可以用探針探到電路。

　　 而需求仍然存在。芯片設計者在建立硅片時必須能夠觀察和激勵 SoC（系統(tǒng)單芯片）中的各個獨立塊。制造測試工程師必須能夠在價格合理的測試設備上建立快速的測試程序。芯片設計者也必須創(chuàng)建自動校準程序，以補償芯片使用時關鍵電路的工藝、電壓、溫度、阻抗和噪聲變化。唯一可行的選擇是將測試與測量儀器（包括通常建立實驗室所需要的邏輯分析儀、總線分析儀、通信測試儀與示波器等）移到芯片自身上面。

　　 現(xiàn)在這種選擇已成為現(xiàn)實。其開端也許要算 CPU 核心中內(nèi)建的調試功能，并擴張到總線診斷塊和內(nèi)置自檢邏輯塊，今天的片上儀器正在擴展到高速收發(fā)器和 RF 電路。今后可能會看到，用于特性描述與校準的片上模擬儀器將例行公事地成為模擬設計的一部分（見附文“MEMS 加速度計也需要測試儀器”）。

起始于CPU

　　 在一片 CPU 中建立調試硬件的概念至少可以回溯到 IBM 360 架構。但將更復雜 CPU 核心裝入較小片芯中的競賽意味著在 SoC 設計的早期不可能實現(xiàn)這一概念。它的重新出現(xiàn)是因為需求。

　　 ARM 的 CoreInsight 調試計劃總經(jīng)理 William Orme 說：“隨著處理器復雜性與頻率的增長，由于過于困難，已經(jīng)不能用外電路控制核心。設計者拒絕在核心區(qū)增加調試成分，但它成為了核心區(qū)與努力之間的一種折衷。最終，核心內(nèi)的調試在 SoC 總成本中變得有性價比。于是，它成為了一種強制措施?！?/FONT>

　　 在這一發(fā)展中，基本技術沒有變化。設計者只需要將 CPU 核心置于一種已知狀態(tài)，開始運行，觀察并記錄狀態(tài)順序，當感興趣的事情發(fā)生時將核心停止。集成在核心中的硬件可以完成所有這些事情，對正常運行的能耗與性能基本沒有影響。

　　 但隨著 SoC 的發(fā)展，CPU 核心不再是唯一的問題。從 CPU 向四面八方伸長開去的總線（寬、高速、分段和多層）也變得無法觀測。于是，ARM 和其它互連 IP（知識產(chǎn)權）供應商在互連架構中建立了調試電路，就像他們在 CPU 中做的那樣。

　　 Orme 說：“在一個 AHB（先進高速總線）的多級互連中，設計者需要監(jiān)控互連處于何種級別上：源、目標，以及每個事務的內(nèi)容。這個過程需要從片芯內(nèi)監(jiān)控?！?/FONT>

　　 當 SoC 從處于總線網(wǎng)絡中心的單一 CPU 核心發(fā)展成為多處理點同時有效的多核心設計時，情況就變得更為復雜。現(xiàn)在，一個事件可能不再只是核心或總線的狀態(tài)，而是不同塊和電壓域中一系列處理器與互連結構的狀態(tài)序列的復雜結合。Orme 承認，光是這類系統(tǒng)的啟動和停止，以及對其實際狀態(tài)某些端倪的獲得都成為一個富于挑戰(zhàn)性的問題。

　　 越來越高的復雜性可能將片上調試電路的重點從 CPU 核心轉向一種更加系統(tǒng)級的方案。例如，ARM 提供一種交叉觸發(fā)的開關陣列，試圖將 SoC 中不同塊的狀態(tài)信號集合起來。而獨立于處理器的調試硬件公司也正在涌現(xiàn)，如 Dafca。

　　 Dafca 工程副總裁 Paul Bradley 說：“設計團隊一直試圖將 CPU 調試功能與自我設計的片上測試儀器結合起來，建立一種完備的調試策略。但隨著 SoC 復雜性的增加，電壓與時鐘域的激增，并且可重用變得日益重要，設計者需要一種完備的方案，而不只是一些特別設計的組合?！?/FONT>

　　 Dafca 首席執(zhí)行官 Peter Levin 從其它角度為這種考慮作了補充。他說：“隨著復雜性的增加，控制硬件以及分析數(shù)據(jù)意義所需要的調試軟件也在增加復雜性。今天，調試軟件的成就至少是設計與集成調試硬件的 10 倍以上?！蓖瑯?，可重用很關鍵，從一位專業(yè)企業(yè)那里獲得所有授權看來更加合理。

　　 Dafca 的架構給出了一種有關復雜整芯片調試支持方法的構想。Dafca 與在設計 CPU 或 DSP 核心內(nèi)的調試硬件一起工作，而不是代替它們。但它會增加“分析儀器”，這是精巧但緊湊的可編程狀態(tài)機，它可以激勵一個塊，方法是在一些循環(huán)中預清空該塊的輸入，監(jiān)控塊的輸出，以及向一個全局網(wǎng)絡報告例外情況。

　　 Bradley 認為：“儀器的部署與應用非常相關。通常情況下，一個設計團隊會在一只芯片上使用兩到六個分析儀器，一般會將一個儀器關聯(lián)到各個重要的設計域。通過這種方式，就可以觀察主要接口與控制點，一般是在設計層級的第二層。”來自儀器與處理器核心的信息共同形成一個工作中芯片的凝聚圖像，并提供一種設計者可以定義并利用芯片級狀態(tài)的抽象等級，這在任何架構中都是重要的需求。這種需求也許能解釋設計中的龐大軟件部件。

因此，片上數(shù)字測試儀器已經(jīng)從 CPU 核心中比較簡單的調試核心，轉成為更復雜完備的軟硬件系統(tǒng)，設計者對這類系統(tǒng)采用分布式狀態(tài)機和片上觸發(fā)與控制網(wǎng)絡。隨著 SoC 變得更加復雜，下一步似乎是芯片上的全邏輯分析能力，包括可編程觸發(fā)器、長走線與矢量緩沖器，以及探測芯片內(nèi)節(jié)點的能力。

模擬域

　　 與片上數(shù)字測試儀器的發(fā)展趨勢類似，現(xiàn)在對于用片上測試儀器生成與測量模擬信號也有越來越大的興趣。如果數(shù)字測試儀器的源頭要追溯到 CPU 核心，那么模擬儀器就起始于高速串行接口的核心。但技術在模擬域中也有分支，如包含帶有傳感器、用于自動校準的測量系統(tǒng)，混合信號伺服系統(tǒng)，以及用于校準與測試的儀器。

　　 與數(shù)字世界一樣，高速 I/O 片上測試儀器背后的動力是關鍵信號日益缺乏可見性。Rambus 首席高級工程師 Rich Perego 說：“外部探頭的存在就會改變一個高速鏈路。并且，能看到一個波形還是有價值的?！?/FONT>

　　 Rambus 設計工程經(jīng)理 Ken Chang 補充說：“一般情況下，可以直接探測發(fā)射器，但不能只探測接收器。必須提取片上數(shù)據(jù)，推算出眼圖或 Bathtub 圖，從而間接地探查接收器?！?/FONT>

　　 這種方法在高速接收器中變得更加重要，否則就不能看到塊內(nèi)發(fā)生了什么。 Vitesse的高級應用工程師認為，無法從外部看到信號在均衡前或后的樣子。必須從接收器內(nèi)部作這些觀察。

　　 Rambus 解決這種問題的辦法實際上是將接收器用作自己的測量儀器。這個步驟起始于將可編程偽隨機模式發(fā)生器與碼流比較器集成到 I/O 塊中。然后，設計者就可以增加足夠多的電路，對發(fā)射器和接收器作數(shù)字調節(jié)（圖 1）。例如對發(fā)射器，這種方法意味著要控制數(shù)字輸入和 DAC 的電流擺幅與相位，并且能夠修改均衡片系數(shù)。Perego 解釋說：“這可以通過掃描時序與電壓，建立收發(fā)器性能的 shmoo 圖?！?BR>

　　 對于接收器，這可能意味著要調整接收放大器的相位與增益。這個過程可以讓設計者掃描相位，并在碼流比較塊的輸出處觀察誤碼率累加器，而提取出時序余量。

　　 這種測試儀器技術的巧妙之處在于盡可能在數(shù)字域中完成。例如，可以利用延遲鎖定回路中的數(shù)字反饋路徑，用數(shù)字方法控制接收器的相位?；蛘呖梢詫⒁粋€數(shù)字值送給一個 DAC，DAC 再為一個關鍵節(jié)點增加一個偏置，以此調整增益。電路中的這些插入都并非不重要，尤其是在模擬節(jié)點情況下，此時任何變化都可能造成斷路。但它們是可以實現(xiàn)的。

　　 Vitesse 最近使接收器測量儀器更進了一步，創(chuàng)造了一種有趣的雙通道方案（圖 2）。這種概念將一個通道（通常是接收器的主數(shù)據(jù)通道）設定在眼的中心。然后設計者可以改變接收器的相位與增益，在每個點停止，收集充足的數(shù)據(jù)以精確估計誤碼率，等等，從而在相位與振幅點的范圍內(nèi)掃過第二個基本上完全相同的通道。經(jīng)過軟件后期處理的結果會是一個眼圖，或是接收器自身所收集數(shù)據(jù)的一個 bathtub 圖。由于第二個路徑從物理上與作測量的讀取路徑相同，數(shù)據(jù)要比探針或示波器的可能實現(xiàn)更精確。設計者可以看到從均衡器進入接收采樣器的精確信號，而不是失真的近似。

　　 但高速 I/O 并非這種概念的唯一應用。例如，意法半導體公司將相當多的測試儀器置入了它的高端磁盤讀取通道 IC。同樣，重點是用電路盡可能多地完成外部控制的測量。但在這種情況下，增加的電路可以很復雜。

　　 意法半導體公司數(shù)據(jù)存儲部的架構經(jīng)理 Angelo Dati 說，在一個讀取通道芯片中的內(nèi)部儀器可輔助芯片的初期糾錯與校準，一旦安裝了芯片，它可以幫助確定復雜介質/電子系統(tǒng)的特性，并且在工作期間對電壓、溫度、磁頭高度和其它變量提供連續(xù)補償。

　　 相應地，讀取通道有很多測量儀器。例如，從用于溫度和電壓的簡單傳感器，到比較器與線性濾波器，控制處理器可以檢查確定是否要調用一個本地有限狀態(tài)機上的校準程序。狀態(tài)機運行一個閉環(huán)校準程序，它可以改變電壓偏移、增益以及偏置點來糾正問題，如通道的低通濾波器截止點的溫漂趨向（圖 3）。

　　 更復雜的測量不僅能補償運行中的變動，而且還能幫助設計者與產(chǎn)品工程師將芯片精細調整為某種特定的磁頭/介質組合。Dati 稱，其中一種可望用于基于模式匹配的自適應循環(huán)系統(tǒng)。芯片內(nèi)測量儀器產(chǎn)生一個模擬波形，系統(tǒng)將其送入讀取電路，并與來自讀取頭的輸入信號作比較，給出一個頻率誤差信號。這個信號為適應磁頭/介質噪聲組合體的噪聲與非線性特性提供反饋。這是閉環(huán)過程。但 Dati 稱：“不存在收斂的證據(jù)。我們必須為自適應回路提供一個使之工作的好的初始值?！?/FONT>

另外，在硅片建立以及制造時，對于磁盤組件的諧波分析還有一些有用的方法。芯片中實際上包含了 Dati 所說的“一種低等級頻譜分析儀，如一個 FFT 引擎，但簡化為只觀察某些特定頻率，因此比通用頻譜分析儀要簡單”。測試儀器的諧波分析有很多有價值的目的。例如，查看不應存在的特定頻率，可以檢測并量度磁頭/介質子系統(tǒng)的非線性。另外，通過查看頻率包絡，可以估計出磁間隙，即磁頭在介質上的高度。Dati 解釋說：“今天的磁盤必須這么做。因為，如果你不測量和調整磁頭高度，普通大氣壓差就可能造成磁頭損毀?！?/FONT>

　　 一臺頻譜分析儀似乎是一個大型儀器，不可能在沒有影響情況下插入一個成本高度敏感的芯片中。但 Dati 稱，事實上“接收器正在越來越龐大，以致于很容易在設計中隱藏一些測量儀器電路?！?/FONT>

　　 這種意見可能是片上測試儀器未來的一個良好說明。隨著芯片變得越來越復雜，不僅對片芯上的儀器存在著需求，而且還有更多探索功能電路的機會，從而快速地將模擬測量轉到數(shù)字域中。并且現(xiàn)在有更多的空間可以隱藏一個相當復雜的塊，如經(jīng)過修改的 FFT 引擎。

　　 下一步可能是看數(shù)字域發(fā)生了什么事：將模擬測量從分屬芯片不同部分的時域和頻域提取出來，以提供一個混合信號系統(tǒng)完整狀態(tài)的圖像。只有采用這種片上工具，才有可能證明調試下一代復雜芯片的可能性，并在其完全運行以后保持不斷改進。

附文：MEMS 加速度計也需要測試儀器

　　MEMS（微機電系統(tǒng)）加速度計具有精確、低功耗和低成本的特點，正在使一系列應用得到徹底變革。汽車安全氣囊的保險、計算機輸入設備的姿態(tài)與運動傳感器，以及汽車姿態(tài)控制系統(tǒng)的傳感器等，這些都是大量例子的一部分。

　　加速度檢測元件通常是差動電容，電容的一個極板被硅彈簧懸掛在其它兩個上方。加速度造成被懸掛極板的偏移，從而改變了兩個電容極板之間的相對電容，于是也改變了通過信號的相對幅度。正確設計與制造的這類結構實體是敏感的、精確的和耐久的。但它們需要校準。施加電壓的變化與環(huán)境溫度都可以改變器件的靈敏度，并且每個傳感器在 0g 時都有一個偏移讀數(shù)，用戶必須作測量。

　　Analog Devices 的業(yè)務發(fā)展經(jīng)理 Bob Scannell 說，在大批量應用中，這個需求不成問題。如果使用數(shù)十萬個或數(shù)百萬個傳感器，建立一種校準工具不會有很大成本，工具連接著傳感器，并在一個溫度室內(nèi)用預知速率對它們作校準。但是，對于工業(yè)領域中的較低批量應用，用片上測試儀器對器件作預先校準就很有意義了（圖 A）。Scannell 說：“預校準消除了使用的障礙?！?/FONT>

　　例如，在 MEMS 器件中嵌入一個溫度傳感器和一個微控制器，供應商就可以預先裝載溫度補償表，使芯片立即去除由于溫度造成的變化。同樣，固件可以使芯片經(jīng)過一個自動歸零過程，建立一個系統(tǒng)中的基準水平面，為 MEMS 結構提供電子激勵，并將輸出與一個已知基準作比較，完成一次快速的合格/不合格測試。

　　在這些例子中，都值得為硅片上測試儀器做投入，這不僅是因為沒有其它方法能夠完成測量或降低昂貴的測試成本，也是為了讓器件更容易使用，從而打開新的市場。