基于相同數(shù)據(jù)位的SoC測(cè)試數(shù)據(jù)壓縮方法

黃貴林

（巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

基于相同數(shù)據(jù)位的SoC測(cè)試數(shù)據(jù)壓縮方法

黃貴林

（巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

隨著VLSI技術(shù)的不斷發(fā)展，集成電路所需的測(cè)試數(shù)據(jù)量也在不斷增加，給測(cè)試帶來(lái)了一系列問(wèn)題，對(duì)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)的存儲(chǔ)容量提出了挑戰(zhàn)，有限的帶寬延長(zhǎng)了測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。為此，提出了一種針對(duì)相同數(shù)據(jù)位的測(cè)試數(shù)據(jù)壓縮及解壓算法。數(shù)據(jù)位為全0或全1的數(shù)據(jù)塊，編碼壓縮為僅為兩位的控制位和編碼位，與同類經(jīng)典方案相比，實(shí)驗(yàn)表明該方案有效提高了測(cè)試數(shù)據(jù)壓縮率，平均壓縮率達(dá)到63.58%，且編碼算法簡(jiǎn)單。

數(shù)據(jù)塊；測(cè)試數(shù)據(jù)；壓縮；無(wú)關(guān)位

1 引言

“芯片內(nèi)集成的晶體管數(shù)目每18個(gè)月將增加一倍”[1]，集成電路在按照摩爾定律這個(gè)規(guī)律在發(fā)展。工作頻率的提高和單個(gè)芯片的集成度的不斷提高，給測(cè)試提出新的要求，包括數(shù)量巨大的測(cè)試數(shù)據(jù)是測(cè)試首先需要解決的問(wèn)題，并且呈不斷發(fā)展的態(tài)勢(shì)。與此同時(shí)，ATE的存儲(chǔ)容量有限和傳輸帶寬有限，使得測(cè)試成本也在不斷提高，也延長(zhǎng)了測(cè)試時(shí)間，測(cè)試數(shù)據(jù)壓縮能在一定程度上解決上述問(wèn)題。

目前經(jīng)典的測(cè)試數(shù)據(jù)壓縮方法有很多，總的來(lái)說(shuō)可以分為三種[2]：編碼壓縮方法、基于廣播掃描的壓縮方法[3－4]、基于LFSR結(jié)構(gòu)的壓縮方法[5－6]。其中，編碼壓縮是一種廣泛使用的測(cè)試數(shù)據(jù)壓縮方案，根據(jù)數(shù)據(jù)塊與編碼位的一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼壓縮,如：Golomb碼[7]、FDR碼[8]、ALT-FDR[9]、EFDR[10]、RL-HC[11]、9C[12]、BM[13]和交替與連續(xù)長(zhǎng)度碼[14]等。哈弗曼[15－17]編碼也屬于編碼壓縮，它是一種高效的靜態(tài)編碼方法，所得到的平均編碼長(zhǎng)度最短，但隨著參與編碼壓縮數(shù)據(jù)塊的增加，其解壓結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，為此提出了SHC[18]、OSHC[19]，它們都是基于Huffman的測(cè)試數(shù)據(jù)壓縮算法。OSHC和SHC將出現(xiàn)頻率高的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行Huffman編碼，出現(xiàn)頻率低的數(shù)據(jù)塊不參與Huffman編碼，并利用控制位和地址位進(jìn)行共享編碼。

本文考慮測(cè)試集中大量存在的全0或全1數(shù)據(jù)塊，充分發(fā)掘測(cè)試集當(dāng)中具有這種特性的數(shù)據(jù)塊，能夠?qū)⑵渚幋a為長(zhǎng)度只有兩位的控制位和控制位。測(cè)試集當(dāng)中存在的大量無(wú)關(guān)位，可以隨意填充，大量數(shù)據(jù)塊可以填充為全0數(shù)據(jù)塊或全1數(shù)據(jù)塊，為本文方案的使用提供了理論依據(jù)。

2 本文思想

2.1 相同數(shù)據(jù)位

定義：對(duì)于每個(gè)集成電路的測(cè)試集，是由若干條測(cè)試向量構(gòu)成，每條測(cè)試向量，是由若干測(cè)試位構(gòu)成，而且每條測(cè)試向量的位數(shù)相同。測(cè)試集包含若干條測(cè)試向量，每條測(cè)試向量擁有大量的無(wú)關(guān)位x，在實(shí)際測(cè)試時(shí)，該無(wú)關(guān)位可以設(shè)定為0，也可以設(shè)定為1。除了無(wú)關(guān)位x，其他測(cè)試位均由由0或者1組成，而且1和0的分布具有連續(xù)分布的特點(diǎn)。測(cè)試向量當(dāng)中，存在大量的連續(xù)的0，或者連續(xù)的1，這些連續(xù)的0或1，稱為相同數(shù)據(jù)位。另外，無(wú)關(guān)位x可以設(shè)定為0或者1，提高了相同數(shù)據(jù)位的存在的可能性，提高了后續(xù)編碼效率。

2.2 編碼方法

設(shè)定變量數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度bl，按照bl將測(cè)試集劃分成bl個(gè)長(zhǎng)度相同的數(shù)據(jù)塊。在劃分的過(guò)程當(dāng)中，測(cè)試向量可能出現(xiàn)不能等長(zhǎng)劃分的情況，最后一個(gè)數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度可能小于bl，為此在測(cè)試向量即最后一個(gè)數(shù)據(jù)塊末尾添加若干個(gè)無(wú)關(guān)位X，使劃分得到的數(shù)據(jù)塊等長(zhǎng)。壓縮是以數(shù)據(jù)塊為單位進(jìn)行壓縮的，每一個(gè)數(shù)據(jù)塊壓縮后是由兩個(gè)部分構(gòu)成的，壓縮后的數(shù)據(jù)分為兩個(gè)部分控制位和編碼位?？刂莆粸?位，編碼位為1，或?yàn)?，或?yàn)樵紲y(cè)試數(shù)據(jù)塊。

（1）劃分?jǐn)?shù)據(jù)塊。

（2）填充無(wú)關(guān)位。

如果數(shù)據(jù)塊當(dāng)中，只含有1和無(wú)關(guān)位x，則將其填充為1；

如果數(shù)據(jù)塊當(dāng)中，只含有0和無(wú)關(guān)位x，則將其填充為0；

如果數(shù)據(jù)塊當(dāng)中，既含有0，也含有1，對(duì)于數(shù)據(jù)塊當(dāng)中的x，可填充為1，也可填充為0；

（3）編碼，壓縮數(shù)據(jù)塊，編碼得到數(shù)據(jù)控制位和編碼位。

填充得到的數(shù)據(jù)塊當(dāng)中，只有1或者0。

如果數(shù)據(jù)塊為全0數(shù)據(jù)塊，則編碼壓縮得到的數(shù)據(jù)為00，第一個(gè)0為控制位，第二個(gè)0為編碼位，表示全0數(shù)據(jù)塊；

如果數(shù)據(jù)塊為全1數(shù)據(jù)塊，則編碼壓縮得到的數(shù)據(jù)為01，第一個(gè)0為控制位，第二個(gè)1為編碼位，表示全1數(shù)據(jù)塊；

如果數(shù)據(jù)塊為非全0或非全1數(shù)據(jù)塊，則編碼壓縮得到的數(shù)據(jù)為控制位1+原始數(shù)據(jù)塊；

2.3 編碼算法

pattern_number和pattern_length分別為測(cè)試集的測(cè)試向量個(gè)數(shù)和測(cè)試向量長(zhǎng)度。

將每條測(cè)試向量，劃分成bn個(gè)數(shù)據(jù)塊，且長(zhǎng)度相等為bl。

bn=(pattern_length+bl-1)/bl。

bit[i][j][k]為第i(0≤i≤pattern_number-1)個(gè)測(cè)試向量的第j(0≤j≤bn-1)個(gè)數(shù)據(jù)塊的第k(0≤k≤bl-1)位。

（1）初始化i=0；

（2）初始化j=0；

（3）初始化k=0；

（4）for（i=0；i＜pattern_number；i++）

（5）for(j=0；j＜bn；j++)

（6）{

（7） for（k=0；k＜bl；k++）

（8） 如果bit[i][j][k]為全0，則數(shù)據(jù)塊bit[i][j]壓縮為00；

（9） for（k=0；k＜bl；k++）

（10） 如果bit[i][j][k]為全1，則數(shù)據(jù)塊bit[i][j]壓縮為01；

（11）否則，則數(shù)據(jù)塊bit[i][j]壓縮為1+數(shù)據(jù)塊bit[i][j]；

（12）}

2.4 編碼實(shí)例

對(duì)于實(shí)例測(cè)試向量，將其劃分成如表1所示的等長(zhǎng)的長(zhǎng)度為6的7個(gè)數(shù)據(jù)塊，其中x為無(wú)關(guān)位，在測(cè)試過(guò)程中，可以將其設(shè)定為1或?yàn)?。數(shù)據(jù)塊0000xx，可以設(shè)定為全0數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊1xx111，可以設(shè)定為全1數(shù)據(jù)塊。對(duì)于全0數(shù)據(jù)塊或全1數(shù)據(jù)塊，可以將其壓縮為控制位0和編碼位0或者1。因此數(shù)據(jù)塊0000xx壓縮為00，1xx111壓縮為01。同理，數(shù)據(jù)塊111111、數(shù)據(jù)塊000000，編碼位為01、00，壓縮后的數(shù)據(jù)由控制位和編碼位構(gòu)成。

對(duì)于數(shù)據(jù)塊010101、數(shù)據(jù)塊01x10x為非全0或全1數(shù)據(jù)塊，不能按照上述情況進(jìn)行壓縮，采用特殊方法進(jìn)行處理，得到控制位置1，編碼位為被壓縮數(shù)據(jù)塊本身。

綜上所述，測(cè)試向量0000xx1xx11111111100 000010101001010101x10x，壓縮為0001010011010101010101101x10x，由42位壓縮為29，其中x可為1，也可為0。

表1 編碼實(shí)例

3 解碼體系結(jié)構(gòu)及原理

本方案的解壓體系結(jié)構(gòu)主要是由FSM和計(jì)數(shù)器構(gòu)成，如圖1所示，‘enb’是輸入使能信號(hào)，‘data_in’接收壓縮后的測(cè)試數(shù)據(jù)?！甪lag’為MUX的通道選擇信號(hào)?！甦cr’用于計(jì)數(shù)器減1，‘rt’用于指示計(jì)數(shù)器的復(fù)位0狀態(tài),計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)范圍為編碼數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度。

圖1 測(cè)試解壓結(jié)構(gòu)

（1）若‘data_in’為低，解壓全0或全1數(shù)據(jù)塊壓縮數(shù)據(jù)。則‘enb’為高，則‘flag’為低，‘flag’選通data_in當(dāng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)入MUX，解碼得到全0或全1數(shù)據(jù)塊第1個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)位，進(jìn)入被測(cè)電路。然后，‘flag’為高，‘flag’選通data_out當(dāng)中的數(shù)據(jù)0或1進(jìn)入MUX，繼續(xù)成為data_out，獲得與第1個(gè)數(shù)據(jù)位相同的后續(xù)測(cè)試數(shù)據(jù)位。data_out當(dāng)中的測(cè)試位，反復(fù)作為MUX的輸入。直至‘rt’為高，‘enb’為低，解碼獲得整個(gè)數(shù)據(jù)塊的全0或全1測(cè)試數(shù)據(jù)位。

（2）若‘data_in’為高，解壓非全0或全1數(shù)據(jù)塊壓縮數(shù)據(jù)。則‘enb’為高，則‘flag’為低，‘flag’選通data_in當(dāng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)入MUX，解碼得到非全0或全1數(shù)據(jù)塊第1個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)位，進(jìn)入被測(cè)電路。然后，‘flag’繼續(xù)為低，‘flag’ 繼續(xù)選通data_in當(dāng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)入MUX，獲得非全0或全1數(shù)據(jù)塊的后續(xù)數(shù)據(jù)位。直至‘rt’為高，‘enb’為低，解碼得到整個(gè)非全0或全1數(shù)據(jù)塊。

與圖1所示FSM相對(duì)應(yīng)的有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，如圖2所示，它包含S0、S1、S2、S3等4個(gè)狀態(tài)。S0～S1是接受控制位，S1～S2是接受編碼位，S2的循環(huán)是得到與編碼位相同的數(shù)據(jù)塊后續(xù)測(cè)試位。S0～S3是接受控制位，S3的循環(huán)是從data_in中直接接收數(shù)據(jù)塊后續(xù)測(cè)試位，作為解壓得到的測(cè)試位。

圖2FSM狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為客觀說(shuō)明本文算法的實(shí)踐意義,采用Visual C++作為實(shí)驗(yàn)工具, 選用并壓縮6個(gè)ISCAS’89標(biāo)準(zhǔn)電路的測(cè)試集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，表中所有數(shù)據(jù)都為壓縮率，第12列為采用本文方案的壓縮效果，并與BM、9C、RL-HC、EFDR、ALT-FDR、FDR、GOLOMB、VIHC、SHC、OSHC等經(jīng)典壓縮方案進(jìn)行對(duì)比。第8行、第12列為平均壓縮率63.58%，都高于其他絕大數(shù)方案的壓縮率。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

本文利用測(cè)試集當(dāng)中大量存在連續(xù)的測(cè)試位0或者大量存在的連續(xù)的測(cè)試位1這種特征。將其壓縮成一位控制位和一位測(cè)試位，為本文方案壓縮奠定了重要基礎(chǔ)和提供了可能。與同類方案相比，具有較高的測(cè)試數(shù)據(jù)壓縮率，且壓縮的對(duì)象為定長(zhǎng)的測(cè)試數(shù)據(jù)塊，在一定程度上，簡(jiǎn)化了測(cè)試過(guò)程中的數(shù)據(jù)解壓過(guò)程。

[1]MOORE G.Progress in digital integrated electronics[C].Proceedings of International Electron Device Meeting（IEDM）Teeh.Digest，1975:11-13.

[2]TOUBA N A.Survey of test vector compression techniques[J].IEEE Des.Test Comput.,2006，（4）:294-303.

[3]MITRA S，Kim K S.XPAND:An efficient test stimulus compression technique[J].IEEE Trans.Compute rs,2006，（2）:163-173.

[4]俞洋，彭喜元，張毅剛.基于重復(fù)子向量的測(cè)試數(shù)據(jù)壓縮算法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，（2）:356-361.

[5]KOENEMANN B.LFSR-coded test patterns for scan designs[C].Proceedings of European Test Conference,Munich,Germany,1991:237-242.

[6]YI M X，LIANG H G，ZHAN K H，et al.Optimal LFSR-Coding test data compression based on test cube dividing[C].Proceeding of International Conference on Computational Science and Engineering（CSE 2009），2009:698-702.

[7]ANSHUMAN C，KRISHNENDU C.Test data compression and decompression based on internal scan chains and golomb coding[J].IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems,2002，（6）:715-722.

[8]ANSHUMAN C，KRISHNENDU C.Test data compression and test resource partitioning for system-on-a-chip using fre－quency-directed run-length（FDR）codes[J].IEEE Transactions on Computers,2003，（8）:1076-1088.

[9]CHANDRA A，CHAKRABARTY K.A unified approach to reduce SoC test data volume,scan power and testing time[J].IEEE Trans.Computer-Aided Design Integrated Circuits Syst.,2003，（3）:352-363.

[10]El-MALEH A H，Al-ABAJI R H.Extended frequency-directed run length code with improved application to system-ona-chip test data compression[C].in Proc.9th IEEE Int.Conf.Electron.,Circuits Syst.,2002:449－452.

[11]NOURANI M，TEHRANIPOUR M.RL-Huffman encoding for test compression and power reduction in scan application[J].ACM Trans.Des.Autom.Electron.Syst.,2005，（1）:91－115.

[12]TEHRANIPOOR M，NOURANI M K.Nine-Coded compression technique for testing embeddedCores in SoCs[J].IEEE Trans.VLSI Systems,2005，（6）:719-731.

[13]El-MALEH A H.Efficient test compression technique based on block merging[J].IET Comput.Digit.Tech.,2008，（5）:327－335.

[14]梁華國(guó)，蔣翠云.基于交替與連續(xù)長(zhǎng)度碼的有效測(cè)試數(shù)據(jù)壓縮和解壓[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2004，（4）:549-554.

[15]GONCIARI P T，Al-HASHIMI B，NICOLICI N.Improving compression ratio,area overhead,and test application time for system-on-a-chip test data compression/decompression[C].in Proc.Design Automation Test in Europe,Paris,France,2002: 604-611.

[16]歐陽(yáng)一鳴，鄒寶升，梁華國(guó)，等.基于部分游程翻轉(zhuǎn)的SoC測(cè)試數(shù)據(jù)壓縮[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2010，（1）:23-28.

[18]JAS A，GHOSH-DASTIDAR J，NG M E，et al.An efficient test vector compression scheme using selective huffman coding[J].IEEE Trans.Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems,2003，（6）:797-806.

[19]KAVOUSIANOS X，KALLIGEROS E，NIKOLOS D.Optimal selective huffman coding for test-data compression[J].IEEE Trans.Computers,2007，（8）:1146-1152.

A STUDY ON THE TEST DATA COMPRESSION METHODS OF SYSTEM-ON-CHIP（SOC）BASED ON THE SAME TEST DATA BITS

HUANG Gui-lin
（Chaohu College,Chaohu Anhui 238000）

With the continuous development of very large scale integration（VLSI）,the amount of test data required by integrated circuits is increasing,which causes a series of problems to test,and brings great challenges to the storage capacity of automatic test equipment（ATE）.The limited bandwidth of ATE lengthens the transmission time of test data.Therefore,a new algorithm of test data compression/decompression is proposed based on the same bits of test data.For the data block whose data bits are all 1 or 0,the code is compressed into only two-bit control bit and two-bit encoding bit.Compared with the other classical ways,the experimental results shows that this way effectively improved the compression ratio whose average ratio increases by 63.58%,and the encoding algorithm is simpler.

Data block；Test data；Compression；Independent bit

TP302

A

1672－2868（2016）06－0015－05

責(zé)任編輯：楊松水 校對(duì)：陳 侃

2016－10－08

巢湖學(xué)院校級(jí)科研資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：XLY-201409）；安徽省省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2014jyxm331）；安徽省省級(jí)特色專業(yè)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)省級(jí)特色專業(yè)（項(xiàng)目編號(hào)：2013tszy020）；安徽省高校省級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)（項(xiàng)目編號(hào)：2016jxtd083）

黃貴林（1985－），男，安徽望江人。巢湖學(xué)院信息工程學(xué)院，助教。研究方向：片上系統(tǒng)與片上網(wǎng)絡(luò)的綜合與測(cè)試。