FPGA可重復(fù)配置和測試系統(tǒng)的實現(xiàn)

從制造的角度來講，F(xiàn)PGA測試是指對FPGA器件內(nèi)部的邏輯塊、可編程互聯(lián)線、輸入輸出塊等資源的檢測。完整的FPGA測試包括兩步，一是配置FPGA、然后是測試FPGA，配置FPGA是指將FPGA通過將配置數(shù)據(jù)下載編程使其內(nèi)部的待測資源連接成一定的結(jié)構(gòu)，在盡可能少的配置次數(shù)下保證FPGA內(nèi)部資源的測試覆蓋率，配置數(shù)據(jù)稱為TC，配置FPGA的這部分時間在整個測試流程占很大比例；測試FPGA則是指對待測FPGA施加設(shè)計好的測試激勵并回收激勵，測試激勵稱為TS。

通常來說，要完成FPGA內(nèi)部資源的完整測試需要針對不同的待測資源設(shè)計多種配置圖形，多次下載到FPGA，反復(fù)施加激勵和回收測試響應(yīng)，通過對響應(yīng)數(shù)據(jù)的分析來診斷故障。因此，用于FPGA測試的儀器或系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于：如何加快單次配置的時間，以節(jié)省測試過程中的配置時間開銷；如何實現(xiàn)自動重復(fù)配置和測試，將FPGA較快速度的在線配置和快速測試結(jié)合起來。

由于一般的集成電路自動測試儀ATE為通用IC測試設(shè)計，但FPGA測試有上述特殊性，在芯片功能測試之前必須對其進行特定的配置，否則芯片是不具備內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)的，內(nèi)部資源將無法測試，而通用的ATE要完成測試步驟中的配置功能時，需要以人工或通過電腦專門編程修改配置數(shù)據(jù)生成測試系統(tǒng)可執(zhí)行的測試激勵形式進行配置，且如果配置數(shù)據(jù)較多，這個轉(zhuǎn)換過程將可能比較復(fù)雜，易用性不強，無法高效地用于FPGA器件的測試中，需要對FPGA測試設(shè)計專用的測試平臺以滿足其配置測試需求。

我們設(shè)計的系統(tǒng)實現(xiàn)了快速重復(fù)配置和測試的功能，配置數(shù)據(jù)可以直接引用EDA軟件生成的位流文件而不需要像ATE一樣轉(zhuǎn)換成繁雜的測試激勵形式，相較于ATE有一定的優(yōu)勢，對FPGA測試有一定的使用價值。

FPGA可重復(fù)配置和測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 可重復(fù)配置測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

統(tǒng)功能的實現(xiàn)包括軟件和硬件兩部分。硬件部分包含PCI橋接芯片、FPGA1中的數(shù)據(jù)接口模塊、配置模塊、測試模塊和被測FPGA。軟件部分包含對實現(xiàn)FPGA配置部分的代碼和實現(xiàn)FPGA測試部分的代碼。FPGA1中的各硬件模塊通過EDA軟件以JTAG接口固化FPGA1中，其中FPGA1中的配置模塊負責接收來自PC方軟件發(fā)送的配置數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生對被測FPGA的配置時序，完成配置步驟，測試模塊負責發(fā)送測試激勵和回收被測FPGA的響應(yīng)數(shù)據(jù)，等待PC方軟件的回收。

系統(tǒng)軟硬件交互流程

整個系統(tǒng)通過軟硬件的數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)對被測FPGA的自動配置和測試的流程，軟硬件交互的流程從圖2可以體現(xiàn)：系統(tǒng)啟動后，首先需要開始對被測FPGA進行數(shù)據(jù)配置，由軟件向硬件發(fā)送配置開始指令，硬件接收指令后對被測FPGA產(chǎn)生配置開始的時序，告訴被測FPGA準備接收配置數(shù)據(jù)。當軟件查詢到配置模塊中的狀態(tài)寄存器值代表等待數(shù)據(jù)時開始發(fā)送配置數(shù)據(jù)。配置數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，軟件通過讀取配置模塊的狀態(tài)寄存器值判斷配置是否成功，決定是否可以開始測試。如果配置成功，軟件則開始向被測FPGA發(fā)送測試激勵數(shù)據(jù)并讀回測試響應(yīng)保存在電腦中，由軟件對測試響應(yīng)進行分析決定是否需要進行下一次配置和測試流程。如果需要，在一定的延時之后軟硬件將回復(fù)初始狀態(tài)，并選擇新的配置數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)，開始新一輪的配置后測試流程。

圖2 FPGA芯片自動重復(fù)下載自動測試系統(tǒng)軟硬件交互流程圖