陆俊峰

（安徽芯纪元科技有限公司 安徽省合肥市 230088）

纵观全球半导体市场快速发展，占据其超过 80%的份额的集成电路产业，作为信息产业的基石，其被广泛应用于自动化、信息产业、消费电子化等各个领域。时代赋予信息产业更快的发展步伐，集成电路将为其发展奠定坚实的基础。测试作为集成电路制造中三大关键技术之一，与另外两个环节——设计与制造有着紧密的关联。集成电路测试技术在集成电路生产的各个环节发挥着不可取代的作用，其中集中表现在验证芯片设计、测试晶圆及测试封装成品等环节。

1 集成电路测试仪控制模块发展现状

仪器是指具有特定功能精密仪器或小型机器的统称。而集成电路测试仪是一种应用于集成电路测试中的智能仪器(Intelligent Instruments)。集成电路测试仪主要由机械结构、程序软件以及电路硬件构成。硬件作为整个测试仪的电路基础，其正常工作主要体现在控制环节、测试环节、电源模块组成、人机交互实现等模块组成。作为集成电路运行系统中不可或缺的协调职能的负责模块，集成电路测试仪要实现这一职责就需要通过传输测试数据与测试命令等运作来达成协调工作。测试仪内置控制器模型的选择成为控制模块的设计重点工作之一，它直接决定着控制模块的工作模式。按照人体功能学角度进行类比，控制模块在整个集成电路测试仪中好比是人体的“大脑中枢”，“神经中枢”机能运行就由通信总线负责。通过对行业集成电路测试仪控制器模型选型进行筛选，目前主要有以下几种，如表1 所示。

以型号为J750 集成电路测试仪器为例。如表1 中描述，仪器内部PC 作为其系统配置中的控制器，并通过使用PCI 总线取得与上位机信息交换。当集成电路测试仪在正常运转中，系统将始终保持通信串行总线的状态。之所以采取该种设计模式，是对设计方式进行标准化表征，确保人机交互端操实现便利性，同时系统在可编程能力上也会获得较大提升。内部处理部分要实现通信速率的增强，确保计算能力满足PCI 总线要求，并受PCI 总线控制。控制模块以FPGA 为主要内容，上位机可以对下级硬件各寄存器实施指令性访问。测试仪内部独立存在，而不会成为系统内其他处理器的附属。它的工作原理可以简单概括为实现系统内数据命令传递需要确保传输总线传输至外部计算机上来。

2 控制模块方案设计

2.1 测试仪整机方案

基于测试仪整机方案，拟采取如图1 测试仪整机系统框图。

测试仪整机可由器件接口板(DIB 板)、系统计算机、测试头等部件或者板块组成。其中，测试头内部采用标准 PCIe+自定义总线，使得系统通信功能可顺畅实现。DIB 板是测试头和测试件的重要连接工具，并以测试信号为载体完成测试双方间的沟通与连接。系统计算机能够帮助测试程序有效运转，同时也能够清晰显现出检测的最终效果，以此完成人机交互。测试头在系统中占据重要位置，是完成测试过程的关键性存在。测试头的构造复杂，器件繁多，主要涵盖了系统控制模块、底板等零件。

表1：集成电路测试仪控制器模型的选型及性能比较

图1：测试仪整机系统框图

2.2 硬件指标及功能要求

对于测试仪的架构与应用来说，要能够实现有内容对控制板和系统背板这两个主体功能。控制模板在通信方面发挥着重要作用，是实现信息传输的关键性存在。实际上，控制模块主要是对上位机和测试模块间所产生的向量联系，以此有效把握各部分性能状况。相对于测试头这一部位来说，控制模块对于整个仪器的操作具有调整连接的功能。控制系统必须具备核心处理器来独立完成运转且具有足够的内部存储空间，支撑其具有能力来驱动调用各测试模块。同时，控制系统需要有完备的中断响应线路。即便在脱离上位机的情况下控制模块仍可正常运行，且其负责的大部分工作都可正常推进。因此，在集成电路测试控制仪控制模板设计时必须要设置对外的访问接口。基础信号产生后，测试仪为协调整机工作所需，会产生启动信号、校准信号等不同类型的信号源。为更好地确保安全问题，电源和监控模块中要采取与之功能和型号相一致的零配件。

2.3 测试原理

测试向量主要包括输入和输出两种情况，是检测器件逻辑功能的重要性指标与数据。向量存储器里会对要被测试的向量进行保存与记录，而在这集合中的任一向量都是不同测试过程中最原始的数据信息。当测试向量存储器中进行数据录入与存储时，测试仪会按照波段变动以及电压情况，以管脚电路为载体将其传输到待测器件。待测器件则要以管脚中的比较电路而基础实现对数据的传递，而该类数据则会自主判断采样时间和存储内容以相应提取。在某一时序中，系统需要实现对矢量进行逐条测试。直至最后一条系统里出现的矢量被检测完毕后，才完成检测，这个测试过程被称为存储响应。在模块设计中待测器件的输出数据与信息的质量直接关系到整个检测结果的正确与否。有且仅当检测数据与存储器中先期期望结果配对正确，测试结果才正确，否则为错误。按照测试过程，测试向量可从可测试开始时便可获得下载，并能够对结果存储器读取测试结果。在FPGA 控制系统下，可按照流水线作业模式，从读取向量、信号编码、采集数据匹对、采集结果输入等整套测试可自动完成。

3 控制模块硬件设计与实现

3.1 控制板与系统底板设计

按照上述控制模块结构方案的设计，由控制板和两块系统底板共同组成测试仪器。在设计过程中所应用到的主控单元等器件要放置于所要求位置。自定义总线拓展主要依赖于信号发生单元FPGA所实现。所以，在控制板设计中可将其设计在系统底板当中来防止基础信号受到板级级联时接口不利影响。

3.2 通信总线设计与实现

在集成电路测试仪控制模块设计过程中，通信单元相较其他单元复杂。通信总线设计在整机功能实现上作用巨大。通信单元设计是要将其设置为一块子板，来确保其更加顺利地实现功能与后期调试与更新。PFIe 总线协议的转变也要借助相应的子板来实现。对于这一设计过程的有效控制，基XILINX 的 FPGA XC7K325T 的功能来实现。SEARAY SLIM 系列插座被直接选用在通信子板与控制板之间，以此实现二者的交互连接。操作中，12.5Gbps 传输速率对于传输速度给出更高需求。高度设计选择在7～15mm 区间。其中7mm 的连接座,子板安装高度要保证比SOM5897 模块的安装高度要低，才可满足系统结构要求。

3.3 自定义总线控制器设计与实现

自定义总线控制器通过其自身数据下发与数据读取实现从控制模块FPGA 至测试模块FPGA 的通信控制。按照实际系统运行需要，数据下发需要重点完成批量操作与单端口操作两个主要环节。更进一步讲，批量操作主要包括两种情况，即模块内部相同或不同的数据传递。然而在数据提取的过程中，FPGA 通信数据的下发和整合有时候会产生不一致性，二者会存在差异性，并不能一蹴而就。为此，在设计中，设计等待和中断响应环节要重点对数据读取工作下足功夫。

4 系统调试与分析

集成电路测试仪控制模块主要包括控制板和底板两个部分。其中，两个硬件实物作为设计验证平台，集中在整个三层通信架构的设计。系统调试分析主要通过控制模块基础功能平台测试、PCIe总线测试、信号同步电路测试及分析等三部分展开。

4.1 控制模块基础功能平台测试

控制模块设计首要任务要针对整个测试可操作的系统的硬件平台。在可访问搭建于模块电脑的系统中，能够实现各个接口访问，从而确保整个控制模块最基本功能予以实现。总之，控制模块基础功能平台测试是整个模块功能验证的基础。

4.2 PCIe总线测试

PCIe 是集成电路测试仪控制模块中负责通信的关键组件，能够实现对FPGA 数据的传输与存储。对该板块的测试功能进行划分，主要包括以下内容：寄存器单端口写入读取测试、DMA 对 DDR 的批量读写测试。系统可以通过WinDriver 开发工具开发PCIe 总线的计算机驱动程序对PCIe 总线的访问。在测试过程中，如若PCIe板卡不能被驱动识别或者被错误识别，此时具有驱动程序的API 接口就不能树立完成扫描。只有被正确识别后，PCIe 设备内部寄存器才能被初始化，软件中对应的板卡与端口才可被识别。

4.3 信号同步电路测试及分析

作为集成电路系统中一项不可或缺的内容，信号同步电路在集成电路中发挥着作用。鉴于基础信号优劣质量对后端输出以及测试信号的质量有着直接关系，并且会对边沿定位精度产生决定性作用。信号同步电路测试及分析主要包含时钟抖动分析、时钟同步分析等。

5 小结

鉴于当前集成电路参数项目日渐繁杂，对其所匹配的测试机功能模块的需求日渐迫切。比如占空比、时间、温度频率等因素。集成电路信号精度的提升对测试设备的测试精度方面提出更高要求。例如，对测试机的相位精度要求提升至 0.25%。在不久，集成电路将朝着高频方向迈进。它将出现更多引脚数，设计更为复杂。这一趋势对集成电路测试系统的要求会更高。在通信架构基础上，要找出通信模式的主要瓶颈，并设计并出更为高效的设计优化方案以此来提升整个通信架构速率，全面推进集成电路产业的健康、高效发展。