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

0 引言

隨著(zhù)半導體技術(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，晶體管集成度的大幅提高使得芯片復雜度增加，單個(gè)芯片的功能越來(lái)越強。二十世紀90年代ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術(shù)的授權。采用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權( IP 核)的微處理器，即ARM 微處理器，已遍及工業(yè)控制。消費類(lèi)電子產(chǎn) 品。通信系統。網(wǎng)絡(luò )系統。無(wú)線(xiàn)系統等各類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)，基于ARM技術(shù)的微處理器應用約占據了32 位RISC微處理器七成以上的市場(chǎng)份額。ARM 芯片的廣泛應用和發(fā)展也給測試帶來(lái)了挑戰，集成電路測試一般采用實(shí)際速度下的功能測試，但半導體技術(shù)的發(fā)展使得測試開(kāi)發(fā)工程資源按幾何規律增長(cháng)，自動(dòng)測試 設備(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(lái)難以滿(mǎn)足ARM 等微處理器測試所用的時(shí)序信號高分辨率要求，因而必須不斷提高自動(dòng)測試設備的性能，導致測試成本不斷攀升。此外，因為ARM 芯片的復雜度越來(lái)越高，為對其進(jìn)行功能測試，人工編寫(xiě)測試向量的工作量是極其巨大的，實(shí)際上一個(gè)ARM 芯片測試向量的手工編寫(xiě)工作量可能達到數十人年甚至更多。本文針對ARM Cortex內核的工作原理，提出了一種高效的測試向量產(chǎn)生方法，并在BC3192 測試系統上實(shí)現了對ARM Cortex-M3內核微處理器的測試。

1 微處理器測試方法

集成電路測試主要包括功能測試和直流參數的測試，微處理器的測試也包括功能和直流參數測試兩項內 容。微處理器包含豐富的指令集，而且微處理器種類(lèi)繁多，不同微處理器之間很難有統一的測試規范。為了使測試具有通用性，我們有必要對微處理器的測試建立一 個(gè)統一的模型，如圖1 所示。芯片測試系統為被測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(lái)控制微處理器工作，同時(shí)配合仿真時(shí)序施加激勵向量，從而達到測試目的。

按微處理器仿真通信接口大致分兩類(lèi)，一類(lèi)是具有仿真接口(如JTAG)的微處理器，一類(lèi)是沒(méi)有仿真接口的微處理器，對于配備類(lèi)似JTAG 接口的微處理器，測試儀通過(guò)仿真一個(gè)JTAG接口對被測芯片進(jìn)行功能或參數測試。沒(méi)有配備仿真調試接口的芯片，可以根據芯片的外部接口和引導方式選擇測試模型。

1.1 跟蹤調試模式

大多數的微處理器都提供了跟蹤調試接口，例如最常用的JTAG 接口，Cortex-M3內核除了支持JTAG調試外，還提供了專(zhuān)門(mén)的指令追蹤單元(ITM)。JTAG(Joint Test Action Group,聯(lián)合測試行動(dòng)小組)是一種國際標準測試協(xié)議(IEEE 1149.1 兼容)，主要用于芯片內部測試?，F在多數的高級器件都支持JTAG協(xié)議，如ARM、DSP、FPGA器件等。標準的JTAG 接口是4 線(xiàn)：

TMS、TCK、TDI、TDO,分別為模式選擇。時(shí)鐘。數據輸入和數據輸出線(xiàn)。JTAG 最初是用來(lái)對芯片進(jìn)行測試的，因此使用JTAG 接口測試微處理器具有很多優(yōu)點(diǎn)。

用JTAG 接口對微處理器進(jìn)行仿真測試，是通過(guò)測試系統用測試矢量模擬一個(gè)JTAG 接口實(shí)現對微處理器的仿真控制，其核心是狀態(tài)機的模擬，圖2 所示為測試系統使用的JTAG TAP 控制器的狀態(tài)轉換圖。通過(guò)測試儀來(lái)模擬狀態(tài)轉換就可以實(shí)現JTAG 通信控制。

JTAG 在物理層和數據鏈路層具有統一的規范，但針對不同的芯片仿真測試協(xié)議可能略有差異。為了使測試模型具有通用性，我們對測試模型的JTAG 接口做了一個(gè)抽象層，如圖3 所示。圖中抽象層將類(lèi)型多樣的控制函數轉化成芯片能識別的數據流來(lái)控制被測芯片的工作狀態(tài)。