基于IEEE 1149.6标准的高速数字网络测试方法

尤 路

(中国电子科技集团公司第38 研究所 合肥 230088)

0 引言

在高速串行通信中，设计者更倾向采用差分信号传输，相比于单端信号传输，它的抗干扰能力和故障容错能力强，而且失真度小。为了提高对差分互连与交流耦合信号的测试能力，2001年5月，Agilent公司和Cisco 公司成立了“特别工业工作组”开始起草用于高速数字网络的边界扫描标准，2003年IEEE 计算机协会和测试技术标准委员会通过并公布了该标准，即IEEE 1149.6-2003。

该标准的主要任务是设计支持具有鲁棒性的边界扫描测试芯片，所测试的信号通道中允许使用差分信号交流耦合技术。它的目标是提高IEEE 1149.1 的检测能力，以保持快速准确的检测和诊断系统中和电路板上的互连缺陷。IEEE 1149.6 标准定义的测试同时适用于IEEE 1149.1 传统数字网络测试和IEEE 1149.4 传统模拟网络测试，该标准在原IEEE 1149.1 基础上扩充了边界扫描的描述语言(BSDL)，以支持新的测试模式。该标准制定的目的是为IC 的可测试性电路提供设计指南，当这些IC包含差分信号，具有交流耦合特性时，可以方便地以更高的故障覆盖率对其进行板级和系统级测试。

1 IEEE 1149.6 标准

1.1 概述

IEEE 1149.6 标准是一种结构化的可测性设计方案，兼容IEEE 1149.1 数字电路边界扫描测试标准，并在此基础上，进一步扩充了测试资源，弥补了它对高速数字网络交流耦合、差分互连等测试能力的不足。具体来说，对于数字电路中的直流耦合互连部分，仍然采用IEEE 1149.1 标准规范进行测试;而其中的交流耦合、差分互连部分，新标准则制订了专用的交流外测试指令与测试结构以满足测试的要求。

图1 差分驱动双单端接收

考虑到交流耦合差分互连与一般的直流耦合互连不同，在IEEE 1149.6 标准中，推荐采用图1所示的高速测试模型，这种方式克服了差分对中单管脚故障、共模噪声等影响，最大限度地发挥了测试电路的效能，具有故障覆盖能力强，对高速信号通道的性能影响小等特点。

图2 高速数字边界扫描器件基本结构

1.2 高速数字边界扫描器件的基本结构

边界扫描测试的实现需要带有边界扫描功能的器件支持，与IEEE 1149.1 一样，IEEE 1149.6 也定义了器件外部配置的专用管脚，包括测试时钟(Test Clock，TCK)、测试模式选择(Test Mode Select，TMS)、测试数据输入(Test Data In，TDI)、测试数据输出(Test Data Out，TDO)与测试复位TRST*(Test Reset，TRST*，该管脚可选)。同时，器件内核逻辑与外部I/O 管脚之间嵌入了边界扫描单元，这些单元均具有移位寄存器的特征，在内部依次串接后，首尾分别与测试管脚TDI和TDO 连接，形成一条芯片内部的边界扫描链，如图2所示。高速数字边界扫描器件的基本结构通常包含:边界扫描单元、TAP控制器、指令寄存器、指令译码器、旁路寄存器与其它用户测试数据寄存器等。若电路板上有多个边界扫描器件，它们各自的扫描链则以菊花链形式连接，构成一条更长的边界扫描链。当测试进行时，外部测试控制器将通过这条链向各器件串行移入测试指令与测试向量，并采集反馈的测试响应，完成测试任务。

1.3 IEEE 1149.6 交流测试指令

IEEE 1149.6 标准是IEEE 1149.1 标准的扩展，兼容原来所有的测试指令，同时，为了满足交流耦合、差分互连测试的需要，额外增加了两条用于交流外测试的指令，即EXTEST_PULSE 和EXTEST_TRAIN。

IEEE 1149.6 标准提供的两条新指令EXTEST_PULSE 和EXTEST_TRAIN 指令为交流测试模式指令，使用与IEEE 1149.1 相同的边界扫描寄存器的数据和控制单元。这些指令用于生成和采集交流测试信号，主要用来调制测试数据，对包含交流管脚的器件，测试数据将通过交流耦合通道进行传播，一般情况下都使用EXTEST_PULSE 指令，除非有特别要求才使用EXTEST_TRAIN 指令。

EXTEST_PULSE 指令是为交流管脚定义的新的测试功能，无论EXTEST_PULSE 指令何时有效，所有直流管脚都按IEEE 1149.1 标准的EXTEST 指令执行。EXTEST_PULSE 指令使能交流管脚的信号通路边沿检测功能，交流管脚上测试接收器甚至在信号因交流耦合衰减时，也能重建驱动器的原始波形。

图3 EXTEST_PULSE 指令有效时的交流测试信号

2 基于IEEE 1149.6 标准的测试实例

目前一些大规模FPGA 均支持IEEE 1149.6 标准，如Altera 公司的Cylone IV 系列和Stratix V 系列，Xilinx 公司的Virtex-6，Virtex-7 等，德州仪器(TI)公司的双路1.5Gbps 缓冲器SCAN15MB200 和1.5Gbps LVDS 交叉点开关SCAN90CP02 也支持IEEE 1149.6 标准，下面以SCAN90CP02 为例介绍IEEE 1149.6 标准的测试验证过程。

2.1 测试验证硬件的设计

DEMO 板主要由两片SCAN90CP02 芯片构成，如图4所示。在差分、交流耦合互连网络中插入了多个开关，可以设置互连中如驱动器正/负端开路，接收器正/负端开路，终端匹配电容短路等多个故障。另一方面，在两片芯片的扫描链中设置了两个开关，既可以选择对单/双芯片进行操作，也可以设置扫描链路故障;此外，借助于芯片本身具有的故障插入能力，还可以设置驱动器正/负端呆滞1 或呆滞0 故障。

图4 差分/交流耦合边界扫描链路

2.2 差分/交流耦合高速数字电路的测试

IEEE 1149.6 标准的主要任务是解决差分/交流耦合高速数字网络的互连测试问题，图4所示电路中，差分/交流耦合互连在U1 的OUT1+、OUT1-与U2 的IN1+、IN1-之间，通过故障模拟电路可以模拟各种故障现象。交流互连测试流程与数字电路的互连测试流程相同，仅采用交流测试指令EXTEST_PULSE 指令。

1.正常互连交流测试

当不设置任何故障的情况时，互连情况如图5所示:

图5 正常互连示意图

测试开始时，首先通过PRELOAD 指令在OUT1测试驱动单元内预装0 或1 值，然后送入EXTEST_PULSE 指令。当它有效时，OUT1 内预装的值将与全局交流测试信号相异或，送到驱动器后TX+/-端将产生相应的上升沿/下降沿，测试结果如表1所示。

表1 正常互连交流测试结果

2.TX+开路故障测试

TX+开路故障如图6所示，测试结果如表2所示，RX+捕获的值总与RX-的值一致，但是如果存在TX+与VDD 短路、TX+与GND 短路、RX+开路、TX-与RX+短路等故障，故障测试结果与该测试结果相同。

图6 TX+开路故障示意图

表2 TX+开路故障测试结果

3.TX-开路故障测试

TX-开路故障如图7所示，测试结果如表3所示，RX+捕获的值总与RX-的值一致，但是如果存在TX-与VDD 短路、TX-与GND 短路、RX-开路、TX+与RX-短路等故障，故障测试结果与该测试结果相同。

图7 TX-开路故障示意图

4.TX+与TX-短路故障测试

TX+与TX-短路故障如图8所示，测试结果如表4所示，由于TX+与TX-短路，RX+与RX-接收到一个不稳定的电平，经测试接收器后，收到的数据也是不确定的，在此分别用V1、V2 和V3、V4 表示RX+和RX-内捕获的值，RX+与RX-短路故障测试结果与该测试结果相同。

图8 TX+与TX-短路故障示意图

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表4 TX+与TX-短路故障测试结果

5.RX+与GND 短路故障测试

RX+与GND 短路故障如图9所示，测试结果如表5所示，当RX+与VDD 短路时，RX+与RX-将总是捕获逻辑“0”，RX-与GND 短路故障测试结果与该测试结果相同。

图9 RX+与GND 短路故障示意图

表5 RX+与GND 短路故障测试结果

6.RX+与VDD 短路故障测试

RX+与VDD 短路故障如图10所示，测试结果如表6所示，当RX+与VDD 短路时，RX+与RX-将总是捕获逻辑“1”。RX-与VDD 短路故障测试结果与该测试结果相同。

图10 RX+与VDD 短路故障示意图

表6 RX+与VDD 短路故障测试结果

7.耦合电容短路故障测试

表7 TX+与RX+的耦合电容短路故障测试结果

TX+的耦合电容短路故障如图11所示，测试结果如表7所示，由测量结果可知RX+捕获的值与RX-相同。此时TX+与RX+直流耦合，TX+端的信号几乎无延时的到达RX+端。如果用EXTEST_PULSE 指令，RX+脚测试接收单元不能正确采样信号的上升沿，使得测试无法进行;如果用EXTEST 指令，测试接收单元的迟滞比较器将与参考直流电平比较，捕获的值将覆盖迟滞存储器内的初始值。应用这种方法，测试前需用PRELOAD 指令在测试接收单元的迟滞存储器内预置初始值，从而检测出耦合电容短路。

3 总结

通过对IEEE 1149.6 标准的研究，对高速差分耦合通道中的故障模式有了较为深刻的了解，随着高速信号测试需求的逐渐增加，IEEE 1149.6 的应用前景将会越来越广，目前很多边界扫描测试工具中已经兼容了IEEE 1149.6 标准，在测试领域已实现与IEEE 1149.1 标准的融合，为数字电路高速通道的测试提供了一种简单有效的手段。

［1］谭剑波，尤路，黄新，张卿等，边界扫描测试技术［M］.北京:国防工业出版社，2013.

［2］“IEEE Standard for Boundary-Scan Testing of Advanced Digital Networks”，IEEE Standard 1149.6-2003，IEEE Standards Board，345 East 47th St.New York NY 10017，2003.

［3］尤路，谭剑波，夏勇.基于边界扫描技术的通用测试系统设计.［J］合肥工业大学学报，2013，36(4):452-455.

［4］黄新，雷加，颜学龙.基于网络的边界扫描测试技术的研究与实现.［J］计算机测量与控制，2010，18(7):1476-1478+1482.

［5］Kenneth P.Parker.The Boundary-Scan Handbook Second Edition.KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS，2003.