ARM Cortex-M3 微處理器測試方法研究與實現

0 引言

隨著半導體技術的發展，集成電路制程工藝從深亞微米發展到納米級，晶體管集成度的大幅提高使得芯片復雜度增加，單個芯片的功能越來越強。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的授權。采用ARM 技術知識產權( IP 核)的微處理器，即ARM 微處理器，已遍及工業控制。消費類電子產 品。通信系統。網絡系統。無線系統等各類產品市場，基于ARM 技術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份額。ARM 芯片的廣泛應用和發展也給測試帶來了挑戰，集成電路測試一般采用實際速度下的功能測試，但半導體技術的發展使得測試開發工程資源按幾何規律增長，自動測試 設備(ATE)的性能趕不上日益增加的器件I/O 速度的發展，同時也越來難以滿足ARM 等微處理器測試所用的時序信號高分辨率要求，因而必須不斷提高自動測試設備的性能，導致測試成本不斷攀升。此外，因為ARM 芯片的復雜度越來越高，為對其進行功能測試，人工編寫測試向量的工作量是極其巨大的，實際上一個ARM 芯片測試向量的手工編寫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生方法，并在BC3192 測試系統上實現了對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鐘，并能夠模擬微處理器的仿真通信接口來控制微處理器工作，同時配合仿真時序施加激勵向量，從而達到測試目 的。

按微處理器仿真通信接口大致分兩類，一類是具有仿真接口(如JTAG)的微處理器，一類是沒有仿真接口的微處理器，對于配備類似JTAG 接口的微處理器，測試儀通過仿真一個JTAG 接口對被測芯片進行功能或參數測試。沒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，還提供了專門的指令追蹤單元(ITM)。JTAG(Joint Test Action Group,聯合測試行動小組)是一種國際標準測試協議(IEEE 1149.1 兼容)，主要用于芯片內部測試。現在多數的高級器件都支持JTAG協議，如ARM、DSP、FPGA 器件等。標準的JTAG 接口是4 線：

TMS、TCK、TDI、TDO,分別為模式選擇。時鐘。數據輸入和數據輸出線。JTAG 最初是用來對芯片進行測試的，因此使用JTAG 接口測試微處理器具有很多優點。

用JTAG 接口對微處理器進行仿真測試，是通過測試系統用測試矢量模擬一個JTAG 接口實現對微處理器的仿真控制，其核心是狀態機的模擬，圖2 所示為測試系統使用的JTAG TAP 控制器的狀態轉換圖。

通過測試儀來模擬狀態轉換就可以實現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 接口做了一個抽象層，如圖3 所示。圖中抽象層將類型多樣的控制函數轉化成芯片能識別的數據流來控制被測芯片的工作狀態。

1。2 引導模式/FLASH 編程模式

針對沒有配備仿真調試接口的微處理器，可以利用引導功能實現對微處理器的測試。因沒有配備仿真調試 功能，不能實現仿真測試。因此針對這一類的微處理器測試中，需要在芯片中加載測試代碼。大多數的微處理器芯片都具有上電引導功能，可以利用引導功能將測試 代碼加載到微處理器中，進而實現功能和直流參數測試。而對于內部配備FLASH 的微處理器可以先將測試代碼下載到片內FLASH 中，以實現對微處理器的功能和參數測試。

為了實現對微處理器的測試控制，通常，測試系統利用微處理器的片上通信接口與片上測試程序通信，互相配合完成功能和參數測試。