掃描鏈寄存器

掃描鏈寄存器結(jié)構(gòu)特殊，通過重新配置傳統(tǒng)觸發(fā)器的工作模式，構(gòu)建了貫穿整個芯片的可控可觀測測試通路。在芯片測試模式下，掃描鏈寄存器將內(nèi)部狀態(tài)信息串行移出供分析，同時將測試向量串行移入施加激勵，極大提高了復(fù)雜數(shù)字電路的測試覆蓋率和故障檢測能力。從處理器到ASIC，從FPGA到SoC，掃描鏈技術(shù)已成為超大規(guī)模集成電路制造測試的標(biāo)準(zhǔn)方法。

1.掃描鏈寄存器基本架構(gòu)

1.1多路選擇器設(shè)計

掃描鏈寄存器的核心特征是在常規(guī)D觸發(fā)器前端增加了二選一多路選擇器。這個選擇器由測試模式信號控制，正常工作時選擇功能數(shù)據(jù)輸入（D），測試模式下選擇掃描輸入（SI）。這種設(shè)計僅增加少量面積開銷就實現(xiàn)了測試功能。

1.2級聯(lián)連接方式

芯片內(nèi)所有掃描鏈寄存器的掃描輸出（SO）與下一級的掃描輸入（SI）依次連接，形成一條或多條串行移位路徑。典型設(shè)計中，單個掃描鏈長度控制在1000-2000個觸發(fā)器以內(nèi)，以平衡測試時間和面積開銷。

1.3時鐘域處理

跨時鐘域的掃描鏈需要特殊設(shè)計，通常采用鎖存器隔離或同步器橋接。每個時鐘域獨立形成掃描鏈，測試時需按特定順序激活各域時鐘，避免亞穩(wěn)態(tài)問題。

2.掃描鏈工作模式

2.1正常功能模式

測試模式信號為低電平時，掃描鏈寄存器作為普通寄存器工作，系統(tǒng)執(zhí)行設(shè)計規(guī)定的邏輯功能。此時掃描輸入端口的狀態(tài)不影響電路行為，多路選擇器選擇功能數(shù)據(jù)通路。

2.2移位模式

測試模式信號為高電平且測試時鐘有效時，所有掃描鏈寄存器構(gòu)成移位寄存器。測試向量通過掃描輸入端口串行移入，同時內(nèi)部狀態(tài)從掃描輸出端口串行移出，每個時鐘周期完成一位數(shù)據(jù)傳遞。

2.3捕獲模式

在施加測試向量后，短暫切換至功能模式（通常1-2個周期），使電路產(chǎn)生對測試激勵的響應(yīng)。響應(yīng)結(jié)果被捕獲到掃描鏈寄存器中，然后再次進入移位模式將結(jié)果移出。

3.掃描鏈設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

3.1掃描鏈劃分

大型設(shè)計通常采用多掃描鏈并行結(jié)構(gòu)以縮短測試時間。通過平衡各鏈長度，使總測試時間由最長鏈決定。劃分時需考慮物理布局位置，減少布線擁塞。

3.2時鐘控制方案

設(shè)計專用測試時鐘網(wǎng)絡(luò)，支持移位和捕獲階段的不同時鐘需求。內(nèi)建自測試（BIST）結(jié)構(gòu)中還需集成時鐘發(fā)生器，提供精確的測試時鐘序列。

3.3功耗管理

掃描移位時的高翻轉(zhuǎn)率可能導(dǎo)致超標(biāo)功耗。采用時鐘門控、分段激活或低功耗移位順序等技術(shù)控制測試功耗，避免損壞芯片或影響測試結(jié)果。

3.4壓縮技術(shù)

通過添加解壓縮器和壓縮器電路，將長測試向量壓縮存儲，測試時實時解壓。這種嵌入式壓縮技術(shù)可減少90%以上的測試數(shù)據(jù)量，顯著降低測試成本。

4.掃描鏈寄存器應(yīng)用優(yōu)勢

4.1故障覆蓋率提升

掃描鏈技術(shù)使內(nèi)部節(jié)點可控可觀測，能將固定型故障（stuck-at）覆蓋率提高到95%以上。結(jié)合過渡延遲測試模式，還能檢測時序相關(guān)故障。

4.2測試開發(fā)效率

自動測試向量生成（ATPG）工具可直接基于掃描鏈結(jié)構(gòu)生成測試向量，大幅縮短測試開發(fā)周期。標(biāo)準(zhǔn)化的掃描接口簡化了測試程序移植。

4.3診斷能力增強

通過分析失敗測試向量的響應(yīng)模式，可精確定位制造缺陷位置。掃描鏈提供的內(nèi)部狀態(tài)訪問能力支持更細致的故障診斷和良率分析。

4.4生產(chǎn)測試成本

雖然增加少量芯片面積，但顯著減少測試時間和測試設(shè)備復(fù)雜度，整體降低生產(chǎn)成本。對于高產(chǎn)量芯片，掃描鏈技術(shù)帶來的成本節(jié)約非常可觀。

5.掃描鏈實現(xiàn)考量

5.1面積開銷評估

典型掃描鏈寄存器比普通寄存器多20%-30%的面積。需在預(yù)布局階段評估掃描鏈對芯片尺寸的影響，關(guān)鍵路徑可能需避免插入掃描單元。

5.2時序影響分析

掃描多路選擇器會增加數(shù)據(jù)路徑延遲。綜合時需設(shè)置不同模式下的時序約束，確保掃描插入不違反正常功能時序要求。

5.3測試接口設(shè)計

遵循標(biāo)準(zhǔn)測試接口架構(gòu)（如JTAG），合理規(guī)劃掃描輸入/輸出引腳布局。多掃描鏈設(shè)計需要相應(yīng)的選擇和解碼邏輯。

5.4可靠性驗證

進行掃描鏈完整性驗證，確保所有寄存器正確連接且無短路/開路。制造測試前需先驗證掃描鏈本身功能正常，稱為掃描鏈自檢。