数字系统测试与可测性设计实验指导书ATPG应用
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atpg原理-回复ATPG原理及其应用1. 引言在集成电路设计和制造过程中，自动测试模式生成（Automatic Test Pattern Generation，简称ATPG）是一个重要的环节。
ATPG可以根据设计规则检查的设计文件自动生成模拟制造过程中不可达故障（faults）对应的测试模式，并验证设计的正确性。
2. ATPG原理ATPG原理是基于故障模型的。
故障模型是对集成电路故障的数学描述，在故障模型中，一个故障是由一个或多个信号断开或短接导致的。
常用的故障模型有单激励故障模型（Stuck-at Fault Model）和传播路径故障模型（Path Delay Fault Model）等。
2.1 单激励故障模型（SAF）在单激励故障模型中，故障是指一个节点被“固定”在高电平或低电平状态，不受外界输入电平变化的影响。
所以，对于每个节点，都可以定义一个故障模式，即如果节点被固定为高电平，则故障模式为SA1；如果节点被固定为低电平，则故障模式为SA0。
2.2 传播路径故障模型（PDCF）在传播路径故障模型中，故障是指一个路径中的延迟过高（高延迟故障）或延迟过低（低延迟故障）。
该模型通常用来检测时序电路的失效。
3. ATPG流程ATPG流程是一个基于模式生成器的迭代过程。
其大致步骤如下：3.1 初始化首先，需要对电路结构进行初始化，将所有故障置为未检测状态。
3.2 模式生成然后，根据故障模型，生成针对每个故障的测试模式。
模式生成的方法有很多种，如随机模式生成、启发式模式生成和形式化验证模式生成等。
3.3 模式应用将生成的测试模式应用于电路中，通过观察输出信号，确定是否检测到故障。
若检测到故障，则将对应的故障置为已检测状态。
3.4 判断是否完成判断是否已经检测到所有故障。
如果是，则结束流程；如果不是，则返回第3.2步继续生成模式。
4. ATPG应用ATPG在集成电路设计和制造过程中起着非常重要的作用。
数字系统设计与CPLD应用专题实验指导书120222剖析
数字系统设计与FPGA专题实验指导书西安交通大学电信学院数据广播研究中心符均Dec 24 2012前言课程中文名称：数字系统设计与FPGA专题实验课程英文名称：Digital System Design and FPGA Topic Lab.课程编号：INFT3009实验学时：32学分：1适用专业：信息专业先修课程：数字逻辑电路开课学院：电信学院开课学期：第六学期教材及实验指导书：符均，《数字系统设计与FPGA应用专题实验指导书》，写作中一、实验课程简介本课程通过一系列实验由浅入深，教导学生学习数字系统设计方法，学习系统的模块设计方法。
学习可编程逻辑器件的原理与应用，学习相关软件及设计方法，并涉及简单的系统在片技术，通过学习，学生能自主设计以可编程逻辑器件为核心构建的基本数字系统。
二、实验课性质、目的和任务性质：专业专题实验目的：通过学习，学生能自主设计以可编程逻辑器件为核心构建的基本数字系统。
任务：独立设计出一个简单的FPGA应用程序并验证三、实验课教学基本要求1．讲解实验原理和基本知识2．指导学生设计实验，和验证指导3．指导学生进行独立设计选题第一节FPGA原理1．1 简介PLD是可编程逻辑器件（Programable Logic Device）的简称，FPGA是现场可编程门阵列（Field Programable Gate Array)的简称，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以我们有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或PLD/FPGA。
PLD是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它的影响丝毫不亚于70年代单片机的发明和使用。
PLD能做什么呢？可以毫不夸张的讲，PLD能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74电路，都可以用PLD来实现。
PLD如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。
通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。
2013年版数字系统设计(双语)实验指导书(1)
数字系统设计实验指导书Experiments Handbook of Digital System Design实验一：8位简单算逻运算单元电路设计8 bit Simple ALU实验学时：4学时实验类型：设计型一、目的与任务要求学生在理论课学习的基础上，掌握采用Verilog HDL、基于自顶向下的模块化设计方法；掌握在Quartus II EDA平台进行设计输入、编译、仿真的全过程。
二、内容与要求1. 内容在Quartus II EDA平台上，运用基于模块化的设计方法，采用Verilog HDL，设计一个8位简单ALU及其数据通道，功能如表，分别根据操作码实现加、减、逻辑与、或等八种运算，数据通道在读写命令控制下，完成从寄存器读出操作数及写入运算结果。
要求：其输入操作数为实验学生学号末尾开始尽量非零的四位数对应的8421码组合（例如，学号11070023两个操作数分别为32和71，对应的8421码00110010，2.要求预习实验内容，编写Verilog HDL程序。
课上，进行编程输入、编译、时序仿真。
课后写出实验报告（实验名称、实验内容、顶层框图、V erilog HDL程序、仿真波形、资源分配、实验小结）三、考核与成绩评定本实验为学生必做实验，本实验分值为20 分考核内容：预习25%，实验过程50%，实验报告25%。
成绩评定方法：根据考核内容进行综合评定。
四、实验说明本实验的重点在于自顶向下的模块化设计的概念及设计方法。
五、参考资料ALU及数据通道参考教材《VerilogHDL高级数字系统设计》P478和P208实验三、基于循环算法的数字签名分析电路的验证Verification of Repetitive Algorithm based Digital SignatureAnalysis Circuit实验学时：2 实验类型：验证型一、目的与任务：要求学生在理论课学习的基础上，分析基于CRC码进行数字签名验证功能需求，学习用Verilog HDL中循环算法进行行为建模的功能设计，在EDA平台-QuartusII下，完成设计的输入及编译综合以及仿真验证。
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atpg原理-回复原理：ATPG（自动测试模式生成）是一种用于芯片测试的电子设计自动化（EDA）技术。
它通过生成测试模式（或称为刺激模式）来检测设计中的故障或缺陷，以保证芯片在使用过程中的正确性和可靠性。
ATPG原理属于计算机辅助设计（CAD）工具的一部分，广泛应用于集成电路设计和验证领域。
本文将以ATPG原理为主题，详细介绍ATPG技术的基本概念、流程和应用，并解释其在芯片测试中的重要性和优势。
一、ATPG的基本概念1. 设计规则检查（DRC）：DRC用于验证设计中是否存在规则冲突或违反，以确保芯片的制造可行性。
DRC通常在逻辑综合之后进行，并对电路的物理约束进行检查。
2. 逻辑综合：逻辑综合将高级语言描述的电路转换成低级语言或门级网表的形式，以便用于后续的物理设计和验证。
3. ATPG生成：ATPG生成是ATPG工具的核心步骤，其目标是根据设计规范和故障模型生成测试模式。
这些测试模式用于模拟电路的输入，并检测设计中的故障。
4. 故障模型：故障模型是一种描述设计中可能出现的故障类型和行为的数学模型。
常见的故障模型包括斯台特故障模型、单精度卡诺故障模型和扩展斯台特故障模型等。
二、ATPG的应用和优势1. 芯片级测试：ATPG可以帮助设计人员在芯片制造之前对芯片进行全面的测试，以确保其质量和可靠性。
通过生成测试模式，ATPG可以检测设计中的故障，帮助设计人员及时发现和修复问题。
2. 故障覆盖率分析：ATPG生成的测试模式可以用于评估故障覆盖率，即测试模式能够探测到设计中的故障的百分比。
通过分析故障覆盖率，设计人员可以判断测试的有效性和全面性，并根据需要进行改进。
3. 故障模拟验证：ATPG生成的测试模式可以用于故障模拟验证，以验证芯片设计的正确性。
通过模拟电路输入并应用测试模式，设计人员可以检测到设计中的故障和不确定性，并进行相应的修复和优化。
4. 故障调试：在芯片测试过程中，如果检测到故障，ATPG可以帮助设计人员确定导致故障的具体原因。
《数字系统设计》实验指导书
数字系统设计实验指导书编者：陈汉林电子信息工程系2007 年 7月目录第一部分《数字系统设计》实验说明 (2)一、考核方式及成绩评定参考标准 (2)二、实验报告格式要求 (2)三、进度安排 (3)四、注意事项 (3)第二部分《数字系统设计》实验项目 (4)实验一出租车计费系统设计 (4)实验二频率计设计 (5)第三部分GEXIN EDAPRO/240H实验仪 (8)第四部分KH-310智能型可编程数字开发系统芯片IO对照表 (21)1第一部分《数字系统设计》实验说明一、考核方式及成绩评定参考标准每个实验设计结束后要求提交实验报告，并通过老师验收。
每次实验成绩由实验报告和验收成绩共同决定。
评分标准如下：1.根据实验拟定设计方案，简述系统工作原理，画出系统工作原理框图；（15分）2.根据技术指标要求，完成各单元电路的设计；（15分）3.总体程序框架合理、结构清晰明了；（10分）4.系统功能实现正确，仿真结果正确，在实验系统上运行正确；（30分）5.有创新点，扩展功能的实现；（10分）6.实验报告格式正确，内容完整，描述清楚，画图工整。
（20分）二、实验报告格式要求《数字系统设计》实验报告采用统一格式，包括字体、图文要求，如果格式不符，则根据情况给予扣分。
书写格式:1.报告用A4纸打印。
2.报告最多不超过10页。
3.页面设置：上2，下2，左2，右2，页眉1.5，页脚1.75。
4.采用单倍行距，标准字符间距，西文、数字等符号均采用Times New Roman 体字。
5.标题用五号黑体字，正文用五号宋体字。
6.每个表格应有自己的表序和表题，表序和表题应写在表格上方正中，表序后空一格书写表题。
表序为：表1、表2……，表格内容为小5号宋体字，表序和表题为小5号黑体字。
7.插图必须精心制作，不得徒手画，照片图应清晰，线条要匀称，图面要整洁美观。
每幅插图应有图序和图题，图序和图题应放在图位下方居中处。
图序为：图1、图2…….，图序和图题用小5号黑体字。
数字系统设计及实验实验报告
数字系统设计及实验实验报告一、实验目的数字系统设计及实验课程旨在让我们深入理解数字逻辑的基本概念和原理，掌握数字系统的设计方法和实现技术。
通过实验，我们能够将理论知识应用于实际，提高解决问题的能力和实践动手能力。
本次实验的具体目的包括：1、熟悉数字电路的基本逻辑门、组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计方法。
2、掌握使用硬件描述语言（如 Verilog 或 VHDL）进行数字系统建模和设计。
3、学会使用相关的电子设计自动化（EDA）工具进行电路的仿真、综合和实现。
4、培养团队合作精神和工程实践能力，提高解决实际问题的综合素质。
二、实验设备和工具1、计算机：用于编写代码、进行仿真和综合。
2、 EDA 软件：如 Quartus II、ModelSim 等。
3、实验开发板：提供硬件平台进行电路的下载和测试。
4、数字万用表、示波器等测量仪器：用于检测电路的性能和信号。
三、实验内容1、基本逻辑门电路的设计与实现设计并实现与门、或门、非门、与非门、或非门和异或门等基本逻辑门电路。
使用 EDA 工具进行仿真，验证逻辑功能的正确性。
在实验开发板上下载并测试实际电路。
2、组合逻辑电路的设计与实现设计一个 4 位加法器，实现两个 4 位二进制数的相加。
设计一个编码器和译码器，实现数字信号的编码和解码。
设计一个数据选择器，根据控制信号选择不同的输入数据。
3、时序逻辑电路的设计与实现设计一个同步计数器，实现模 10 计数功能。
设计一个移位寄存器，实现数据的移位存储功能。
设计一个有限状态机（FSM），实现简单的状态转换和控制逻辑。
四、实验步骤1、设计方案的确定根据实验要求，分析问题，确定电路的功能和性能指标。
选择合适的逻辑器件和设计方法，制定详细的设计方案。
2、代码编写使用硬件描述语言（如 Verilog 或 VHDL）编写电路的代码。
遵循代码规范，注重代码的可读性和可维护性。
3、仿真验证在 EDA 工具中对编写的代码进行仿真，输入不同的测试向量，观察输出结果是否符合预期。
可测性设计
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边界扫描技术
❖ 选择集成电路 ➢ 在设计数字电路板时，应尽可能选择支持IEEE1149.1标
总结
总之，测试是很必要的
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准的集成电路。 ➢ 优先选用同时支持IEEE1149.1和IEEE1532标准的可编程
集成电路。IEEE1532标准能使来自不同厂家的可编程逻 辑集成电路使用相同软件进行编程。
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边界扫描技术
❖ 设计边界扫描链
➢ 由于LATTICE、XILINX、ALTERA、TI和AD公司的编程 软件工具不兼容，因此，为了便于使用各自的编程软件 工具进行编程，不同公司的可编程集成电路应放置在不 同的扫描链上，每一个扫描链提供一个独立的用于编程 和测试的JTAG接口。根据IEEE1149.1标准，JTAG测试 接口包括TMS、TCK、TRST、TDI和TDO等5种信号。 为了适应多JTAG接口的要求，边界扫描测试系统应提供 多个JTAG接口，例如ScanWorks最多能提供16个JTAG 接口。
TDO。为了保证这些信号的完整性，需要对进入数字电 路板的接口信号进行缓冲，特别是TCK和TMS。常用的 缓冲集成电路有54LS244。若54LS244不能满足速度要 求，则可以采用速度更快的FPGA作为缓冲器。 ➢ TRST是复位信号，常用接法如图2所示。该接法可以提 高驱动能力，解决因集成电路内部上拉电阻并联后阻值 过小而引起的TRST不能驱动为低电平的问题。
可测性设计技术
可测性设计技术摘要本文从可测性设计与VLSI测试，VLSI设计之间的关系出发，将与可测性设计相关的VLSI 测试方法学、设计方法学的内容有机地融合在一起，文中简要介绍了VLSI可测性设计的理论基础和技术种类，可测性设计的现状，发展趋势，可测试性设计的内涵、意义和分类，并且探讨了可测性设计的实现方法。
关键词：可测性设计，自动测试生产，扫描技术，边界扫描技术，嵌入式自测试。
1可测性设计技术概述可测性的起源于发展过程20世纪70年代，美军在装备维护过程中发现，随着系统的复杂度不断提高，经典的测试方法已不能适应要求，甚至出现测试成本与研制成本倒挂的局面。
20世纪80年代中，美国军方相继实施了综合诊断研究计划。
并颁布《系统和装备的可测性大纲》，大纲将可测性作为与可靠性及维修等同的设计要求，并规定了可测性分析，设计及验证的要求及实施方法。
该标准的颁布标志这可测性作为一门独立学科的确立。
尽管可测性问题最早是从装备维护的角度提出，但随着集成电路（IC）技术的发展，满足IC测试的需求成为推动可测性技术发展的主要动力。
从发展的趋势上看，半导体芯片技术发展所带来的芯片复杂性的增长远远超过了相应测试技术的进步。
随着数字电路集成度不断提高，系统日趋复杂，对其测试也变得越来越困难。
当大规模集成电路LSI和超大规模集成电路VLSI问世之后，甚至出现研制与测试费用倒挂的局面。
这就迫使人们想到能否在电路的设计阶段就考虑测试问题，使设计出来的电路既能完成规定的功能，又能容易的被测试，这就是所谓的可测性设计技术。
因此也就出现了可测性的概念。
可测性的基本原理可测试性大纲将可测试性(testability)定义为：产品能及时准确地确定其状态（可工作、不可工作、性能下降），隔离其内部故障的设计特性。
以提高可测试性为目的进行的设计被称为可测试性设计(DFT: design for testability)。
可测试性是测试信息获取难易程度的表征。
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《数字系统测试与可测性设计》实验指导书（二）实验教师：2012年4月9日I．实验名称和目的实验名称：ATPG应用实验目的：了解Mentor公司的FastScan-(ATPG生成工具)业界最杰出的测试向量自动生成工具。
了解测试各种基准电路的标准输入格式，运用FastScan工具生成测试向量。
深入理解单固定故障模型相关概念。
II．实验前的预习及准备工作：1、充分理解课堂上学习的故障模型相关概念。
2、Mentor公司的测试相关工具的介绍缩略语清单：ATPG ：Automatic Test Pattern GenerationATE ：Automated Test EquipmentBIST ：Built In Self TestCUT ：Chip/Circuit Under TestDFT ：Design For TestabilityDRC ：Design Rule Check ingPI ：Primary InputPO ：Primary Output组合ATPG生成工具FastScanFastScan是业界最杰出的测试向量自动生成（ATPG）工具，为全扫描IC设计或规整的部分扫描设计生成高质量的测试向量。
FastScan支持所有主要的故障类型，它不仅可以对常用的Stuck-at模型生成测试向量，还可针对transition模型生成at-speed测试向量、针对IDDQ模型生成IDDQ测试向量。
此外FastScan还可以利用生成的测试向量进行故障仿真和测试覆盖率计算。
另外，FastScan MacroTest模块支持小规模的嵌入模块或存储器的测试向量生成。
针对关键时序路径，Fastscan CPA模块可以进行全面的分析。
主要特点：•支持对全扫描设计和规整的部分扫描设计自动生成高性能、高质量的测试向量；•提供高效的静态及动态测试向量压缩性能，保证生成的测试向量数量少，质量高；•支持多种故障模型：stuck-at、toggle、transition、critical path和IDDQ;•支持多种扫描类型：多扫描时钟电路，门控时钟电路和部分规整的非扫描电路结构；•支持对包含BIST电路，RAM/ROM和透明Latch的电路结构生成ATPG；•支持多种测试向量类型：Basic,clock-sequential,RAM-Sequential,clock PO,Multi-load; •利用简易的Procedure文件，可以很方便地与其他测试综合工具集成；•通过进行超过140条基于仿真的测试设计规则检查，保证高质量的测试向量生成；•FastScan CPA选项支持at-speed测试用的路径延迟测试向量生成；•FastScan MacroTest 选项支持小规模的嵌入模块或存储器的测试向量生成；•FastScanDiagnostics 选项可以通过分析ATE 机上失败的测试向量来帮助定位芯片上的故障；•ASICVector Interfaces 选项可以针对不同的ASIC 工艺与测试仪来生成测试向量； 最新的ATPG Accelerator 技术可以支持多CPU 分布式运算；•智能的 ATPG 专家技术简单易用，用户即使不懂ATPG ，也能够由工具自动生成高质量的测试向量；•支持32位或64位的UNIX 平台（Solaris,HP-PA)及LINUX 操作平台；FastScan 的A TPG 流程由上图可知，在启动FastScan 时，FastScan 首先读入、解释并检查门级网表和一个DFT 库。
如果遇到问题，FastScan 会退出并发布一个消息。
如果没有遇到问题，FastScan 直接进入到配置(Setup)模式。
在配置模式，可以使用交互方式或者使用Dofile 批处理方式，来建立关于电路和扫描的基本信息，以及指定在设计展平(flattening)阶段时影响生成仿真模型的条件。
完成所有配置后，退出配置模式就直接进入到DRC 检查阶段，进行DRC 检查。
如果检查通过，那么直接进入到A TPG 模式。
进入A TPG 模式后由上图可看出，有四个过程：生成错误列表，生成测试模式，压缩测试模式和储存测试向量。
FastScan 的输入需要以下几个文件：带Scan chain的电路网表，库描述文件和FastScan的三个控制文件(*.dofile，*.testproc，Timplate)，下面分别进行详细解释。
1.电路网表(*.v)已经带有扫描链的Verilog格式的网表。
2.库描述文件(fs_lib)用于连接厂家提供的Mentor模型库。
3.timeplate文件timeplate文件描述了ATPG向量中各时间点(输入跳变点，输出取样点，时钟沿位置，周期等) timescale 和测试过程文件(procedure file)文件名，可以根据需要加以修改。
FastScan是以事件为基础的。
其时序模型是基于以测试周期划分事件的，主要包含了下列一些事件：force_pi：对PI(Primary Input)输入值。
measure_po：测量PO(Primary Output)的输出值。
capture_clock_on：把捕获时钟打开。
capture_clock_off：把捕获时钟关闭。
ram_clock_on：把用于读写RAM的时钟打开。
ram_clock_off：把用于读写RAM的时钟关闭。
其基本格式如下：timeplate “timeplate_nam e”=timeplate_statemen t;...end;以下是一个实例：// Example Timeplare// 指定了以后所有的时间单位为纳秒(ns)，刻度为1，这一步是必须的。
set time scale 1nS;// 指定采样(strobe)窗口的宽度为1，由于前面定义了时间刻度为1ns，所以strobe 窗口实际宽度为1nsset strobe_window time 1;// 定义了名字为tp0的timeplate文件timeplate "tp0" =// 定义了在0时刻对PI输入force_pi 0;// 定义了在80时刻对PO采样measure_po 80;// 定义了在100时刻把捕获时钟打开capture_clock_on 100;// 定义了在120时刻把捕获时钟关闭capture_clock_off 120;// 定义了周期为200，即在200时刻所有动作结束，重新开始新一周期动作period 200;end;// 指定后面要用到的测试过程文件名为design.testproc，scan group名为grp1set procedure file "grp1" "design.testproc";4.design.dofile.dofile文件主要是Mentor提供的一个批处理文件，可以自动控制FastScan的操作。
下列design.dofile中主要描述了Scan chain的组成管脚和group定义(见下例中add scan chains 命令和add scan group命令)。
时钟的定义及其值，由于FastScan认为所有改变时序元件的状态的信号都为时钟，包括了复位信号，置位信号和系统时钟信号等。
reset信号表示为时钟，其值赋为无效电平。
在测试状态下需要保持恒定逻辑值的管脚如TEST_ENABLE，测试覆盖率的设定。
//sample .dofile// 定义了scan groupadd scan groups grp1 design.testproc// 定义了Scan chain的组成管脚add scan chains chain1 grp1 SCAN_IN SCAN_OUT// 使RESET信号无效add clocks 1 RESET// 使SCAN_CLOCK信号有效add clocks 0 SCAN_CLOCK// 设置TEST_ENABLE为恒1add pin constraints TEST_ENABLE C1// 设置最大覆盖率set atpg li -test_coverage 905.测试过程文件(*.testproc)测试过程文件定义了扫描电路的操作，主要包括时钟的定义和一些管脚的逻辑值设定，可以手工生成，也可自动生成。
测试过程文件仅仅包含了扫描相关事件的时序信息，然而ATPG过程本身不需要测试过程文件来包含实际时序信息，自动测试设备(ATE)和某些仿真器需要这些信息。
因此必须修改用于ATPG的测试过程文件来包含实际时序信息。
定义了扫描电路的操作。
测试过程文件有自己的规则如：每一句必须占一单行，双斜杠//后面的内容都是注释，所有语句必须在procedure和end之间，可以有空白行等等。
其基本格式如下：procedure <procedure_type> <procedure_name>=procedure_statemen t;...end;在一个测试过程文件中通常有以下几个过程：•Test_Setup(optional)这个过程用来为Load_Unload过程设置非扫描元件的状态。
如果在设置了管脚约束之后运行ATPG，需要在这个过程中限制这些管脚，否则FastScan自动会为你限制这些管脚，但可能会导致时序冲突。
在下面这个实例中，设置了SCAN_ENABLE和TEST_ENABLE的初始值，并定义了周期。
procedure test_setup =// at time 0 force the SCAN_ENABLE a value of 0force SCAN_ENABLE 0 0;// at time 0 force the TEST_ENABLE a value of 1force TEST_ENABLE 1 0;// 表明整个周期在400ns结束，即周期为400nsperiod 400;end;•Shift(required)这个过程描述了如何通过翻转时钟，在输入端输入值以及采样输出端等方式来将数据顺着扫描链移动一个位置。
其数据流向如下图：ͼ1 移位过程在这个过程中，必须要包括force命令，force_sci命令(或者force_sci_equiv命令)和measure_sco命令。
在下面这个实例中，定义了一个典型扫描移位操作。
由于我们前面定义了时间刻度为1ns ，所以在测试过程文件中所有的时间都以1ns 为刻度，即所有时间数字都倍乘1ns 。
procedure shift =// force scan chain input at time 20nsforce_sci 20;// measure scan chain output at time 40nsmeasure_sco 40;// pulse the clockforce cp.0 1 100;force cp.0 0 200;// a unit of dead time for stabilityperiod 400;end;针对上面实例的详细时序见下图：ͼ1 移位过程时序显然在这个过程包含了四个扫描事件：在20ns 时刻输入，在40ns 采样，时钟在100ns 变为1，在200ns 变为0，周期为400ns 。