Аппаратное обеспечение систем поддержки ГС ScanWorks и ScanExpress

Но трудно разобраться,
где правда, где туман,
В потоке информации …
А. Макаревич

Основные поставщики средств и систем граничного сканирования (ГС) непрерывно обновляют свой инструментарий, так что новичку (а иногда и вполне продвинутому пользователю) очень непросто разобраться в назначении и отличиях отдельных программных и/или аппаратных модулей той или иной системы и сравнить аналогичные по назначению фрагменты систем разных производителей средств ГС. Как уже отмечалось [1], ни аппаратные, ни программные модули этих систем не взаимозаменяемы, поэтому выбор наиболее подходящей для пользователя системы представляет собой непростую оптимизационную задачу, а попытки ее решения не всегда происходят при полном понимании технических характеристик и особенностей предлагаемых к выбору систем.
В шестой статье нашего цикла [1] были рассмотрены основы построения и особенности программного обеспечения систем поддержки граничного сканирования американских фирм Asset и Corelis, однако не рассматривались их аппаратные средства, предназначенные для сопряжения с тестируемыми ПП и узлами. В этой статье мы сосредоточим внимание на аппаратном обеспечении двух широко распространенных тестовых систем ГС: ScanWorks и ScanExpress.

Диапазон аппаратных средств системы ScanWorks фирмы Asset довольно широк. Эта система может работать либо на основе обычного персонального компьютера (ПК), либо в виде встроенного ГС-контроллера. В наиболее распространенной конфигурации системы на базе ПК собираются стенды разработки и отладки программ ГС-тестирования, а также тестовые стенды прогона ГС-программ на производственных линиях. В качестве встроенного ГС-контроллера система с успехом применяется в тестерах ICT фирмы Agilent, таких как 3070 и i5000, а также для функционального тестирования на базе шасси PXI.

Аппаратуру системы ScanWorks можно представить в виде следующих пяти групп: контроллеры, интерфейсные адаптеры, буферные платы, модули ввода-вывода, аксессуары и кабели. Рамки журнальной статьи ограничивают нас рассмотрением лишь первых двух групп продукции. Все без исключения пользователи системы применяют те или иные контроллеры, которые, как правило, поставляются с одним или несколькими интерфейсными адаптерами. Основная функция ГС-контроллера ScanWorks — управление потоком тест-векторов из ПК при их подаче на тестируемую ПП или узел. Именно в ГС-контроллере, как правило, (но не всегда) происходит аппаратное преобразование данных и команд ГС-тестирования, поступающих из ПК от ПО системы, в сигналы управления контроллером ТАР тестируемой ПП в протоколах граничного сканирования IEEE 1149.1 или IEEE 1149.6 [2,3].

Система ScanWorks работает с контроллерами пяти типов, которые обеспечивают решение любых задач ГС-тестирования для любых схем, ПП и узлов:
– однопортовый контроллер PCI-100;
– многопортовый контроллер PCI-410;
– портативный контроллер USB-100;
– однопортовый контроллер PXI-100;
– семейство дистанционных контроллеров RIC-1000.
Шина ввода-вывода PCI является на сегодня наиболее эффективной шиной ПК для ГС-тестирования. Наряду с высокой надежностью, эта шина обеспечивает достаточную для тест-программ пропускную способность. На базе этой шины работают контроллеры PCI-100 и PCI-410. Весьма эффективным инструментальным расширением шины PCI является шина PXI (PCI Extentions for Instrumentations), на базе которой работает контроллер PХI-100. Контроллер USB-100 системы поддерживает широко распространенный последовательный интерфейс передачи данных USB. Система ScanWorks поддерживает также интерфейс с обычным параллельным портом ПК. Такая возможность аппаратного сопряжения, не требующая дополнительных инвестиций, используется, тем не менее, довольно редко, поскольку не поддерживает прогон многих тестов из-за недостаточной скорости обмена данными. Интерфейс с параллельным портом может с успехом применяться для внутрисхемного программирования ПЛИС и FPGA, но совершенно непригоден для прожига ИС флэш-памяти.

Наряду с перечисленными выше локальными контроллерами система ScanWorks поддерживает семейство дистанционных контроллеров, обеспечивающих связь со сколь угодно удаленным объектом тестирования (система, блок) посредством сети Ethernet в протоколе TCP/IP. Применение таких контроллеров позволяет управлять программами ГС-тестирования и обеспечивать их сопровождение в рамках «глобальной деревни», и при правильной сетевой организации является целесообразным решением с экономической точки зрения.

Шины связи с портом ТАР тестируемых ПП для каждого из контроллеров работают в диапазоне напряжений 3,3…5 В и имеют выходные формирователи с ограниченной нагрузочной способностью. Это означает, что напрямую к каждому из таких контроллеров можно подключить не слишком длинную ГС-цепочку (или цепочки) ПП, работающую только в этом же диапазоне напряжений. Сами по себе тестируемые ПП должны находиться в непосредственной близости от ПК (примерно 1 м). По этой причине в абсолютном большинстве случаев контроллеры системы ScanWorks используются со специальными интерфейсными адаптерами, подключаемыми между контроллером и тестируемой ПП. Назначение такого адаптера — поддержка ряда рабочих напряжений в диапазоне 1,8…5 В и увеличение нагрузочной способности и помехозащищенности, а, следовательно, — значительное увеличение допустимого расстояния между тестовым стендом на базе ПК и тестируемой ПП без дополнительных ограничений частоты TCK.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рассмотрим более подробно первые три из приведенных пяти типов контроллеров вместе с их интерфейсными адаптерами, начав с наиболее распространенного и недорогого однопортового контроллера PCI-100, своего рода «рабочей лошадки» ГС-тестирования (см. рис. 1). Система ScanWorks способна одновременно поддерживать до восьми однопортовых контроллеров PCI-100 на одном стенде тестирования. Более того, на каждом из таких контроллеров подключением специальной буферной платы ветвления можно обеспечить одновременное управление четырьмя одинаковыми портами ТАР на четырех тестируемых ПП. Рабочая частота ТСК, обеспечиваемая контроллером, может меняться восемью программируемыми ступенями от 130 кГц до 16,6 МГц.

Интересной особенностью всех контроллеров ScanWorks (и PCI-100 в т.ч.) является поддержка двух режимов выдачи рабочей частоты ТСК — управляемого (gated) и свободного (free-running). Первый из них, включенный по умолчанию, предназначен для того, чтобы предотвратить вхождение контроллера ТАР в состояния Pause-IR и Pause-DR. Как было отмечено в [4, см. рис. 3], в состояния сдвига Shift-IR и Shift -DR можно вернуться, пройдя последовательность промежуточных состояний Exit1-IR, Pause-IR, Exit2-IR (cоответственно, Exit1-DR, Pause-DR, Exit2-DR). Эти переходы предназначены для использования их внешним контроллером ГС, управляющим загрузкой битов кода команды, но не снабженным памятью, достаточной для вдвигания всей требуемой последовательности битов в один прием. Таким образом, длинная последовательность битов может быть прервана на время нахождения контроллера ТАР в состоянии Pause-IR (или Pause-DR), пока внешним контроллером ГС будет подготовлена следующая порция данных. Именно для этой цели применяется управляемый режим выдачи рабочей частоты ТСК, часто используемый для поддержки внутрисхемного конфигурирования FPGA и некоторых ИС, не снабженных ГС. Другое назначение этого режима — поддержка ГС на системном уровне при помощи ИС адресуемого порта сканирования ASP фирмы Texas Instruments, который мы планируем рассмотреть в одной из следующих статей цикла.

В свободном режиме выдачи рабочей частоты сигнал ТСК непрерывно поступает на тестируемую ПП без предотвращения прохождения состояний Pause-IR и Pause-DR в случае необходимости. Контроллер PCI-100 поддерживает 16 независимых и индивидуально управляемых двунаправленных сигналов, дающих возможность контролировать отдельные входы или фиксировать состояния отдельных выходов ИС тестируемой ПП, позволяя влиять на ее тестопригодность. Классическими примерами применения таких сигналов являются рассмотренные ранее сигналы управления разрешением записи /WE или чтением состояния контакта готовности RDY/BSY при прожиге ИС флэш-памяти (cм. рис. 10 [5]). Допустимое расстояние между тестовым стендом с PCI-100 и тестируемой ПП — до 6 м.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Контроллер PCI-410, предназначенный для серийного производства и тестирования ПП, работает с четырехпортовым интерфейсным адаптером (см. рис. 2), который может быть удален от тестового стенда с PCI-410 на расстояние до 15 м. Система ScanWorks одновременно поддерживает до трех таких 4-портовых контроллеров на одном тестовом стенде, и каждый контроллер может одновременно управлять двумя адаптерами. Легко подсчитать, что контроллер PCI-410 способен одновременно управлять 24-мя ГС-цепочками, что значительно повышает производительность тестового стенда на его основе. Контроллер PCI-410 поддерживает 20  независимых и индивидуально управляемых двунаправленных сигналов. Его рабочая частота ТСК может меняться 35-ю программируемыми ступенями от 160 кГц до 50 МГц. Адаптер контроллера поддерживает рабочие напряжения цепочек ГС-тестируемой схемы на 16-ти уровнях в диапазоне 1,5…5,3 В и запитывается от самого контроллера, не нуждаясь во внешнем источнике питания.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Контроллер USB-100 обеспечивает гибкий и недорогой однопортовый интерфейс с тестируемой ПП. Его рабочая частота ТСК может меняться 18-ю программируемыми ступенями от 80 кГц до 20 МГц. Адаптер контроллера (см. рис. 3) поддерживает рабочие напряжения цепочек ГС-тестируемой схемы на 8-ми уровнях в диапазоне 0,8…3,3 В и запитывается от самого контроллера.
В заключение краткого обзора следует упомянуть о наиболее современных аппаратных средствах фирмы Asset, представляющих собой встроенные средства тестирования системы ScanWorks, размещаемые на самих тестируемых ИС [6], обсуждение которых выходит за рамки данной статьи.

* * *

Аппаратные средства системы ScanExpress фирмы Corelis представлены весьма широким диапазоном контроллеров (см. табл. 1), совместимых со всеми современными шинами передачи данных: USB, PCI, cPCI, PXI и PCI Express, LAN, Ethernet, ISA, VME, VXI и др. Как и в ScanWorks, контроллеры системы ScanExpress используются со специальными интерфейсными адаптерами, подключаемыми между контроллером и тестируемой ПП.

Назначение адаптера то же — поддержка широкого диапазона рабочих напряжений и увеличение нагрузочной способности и помехозащищенности управляемой контроллером ГС-шины. Система ScanExpress работает также с разнообразными расширителями и мультиплексорами количества ТАР-портов (х4, х8, х16, х32), используемыми для повышения производительности при тестировании большого числа одинаковых ПП в условиях средне- и крупносерийного производства. Рассмотрим вкратце лишь несколько контроллеров, приведенных в таблице 1.

В наиболее распространенных конфигурациях системы ScanExpress на базе ПК собираются стенды ГС-тестирования и внутрисхемного программирования и прожига в лабораторных условиях и на производственных линиях. Эта система в виде встроенного ГС-контроллера также широко применяется в тестерах ICT Agilent-3070, CheckSum Analyst и Teradyne, и в тестерах Flying Probe фирмы Scorpion. Наряду с ГС-контроллерами система ScanExpress совместима с рядом специализированных тестовых модулей ГС, среди которых можно выделить модули тестирования ScanIO-300LV и ScanPCI, ГС-тестер микросхем ScanPlus Chip Tester и модули тестирования разъемов карточек памяти ScanDIMM. Рассмотрим только широко применяемые в промышленности модули ScanDIMM.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Наиболее распространенным и недорогим контроллером ScanExpress является четырехпортовый контроллер PCI-1149.1/Turbo, изображенный на рисунке 4 совместно с интерфейсным адаптером. Длина кабеля между контроллером и адаптером — до 9 м. Контроллер поддерживает 16 индивидуально управляемых независимых и двунаправленных однобитных каналов, предназначенных для контроля отдельных входов или фиксации состояний отдельных выходов ИС тестируемой ПП. Все рабочие напряжения адаптера (как в цепях ТАР, так и в двунаправленных каналах) программно управляемы в диапазоне 1,3…3,3 В с инкрементом 0,05 В. Рабочая частота ТСК контроллера также выбирается тремя программируемыми ступенями (1 МГц, 0,5 МГц и 0,25 МГц) в диапазоне 390 кГц…80 МГц.
Интересной особенностью этого и некоторых других контроллеров ScanExpress является наличие в них порта непосредственного программирования в протоколе ГС микросхем ЭСППЗУ и флэш-памяти, поддерживающих последовательные шины I2C, SMB и SPI. Интерфейс порта упомянутых шин независим от интерфейса ГС-тестирования, что дает возможность пользователю выполнять программирование по этим шинам без лишних переключений и коммутаций на стенде, а скорость (и производительность) внутрисхемного программирования ИС может быть увеличена вплоть до ее теоретических пределов, поскольку она никак не связана ограничениями ГС-интерфейса тестируемой ПП.

Весьма схожие с контроллером PCI-1149.1/Turbo по рабочим характеристикам контроллеры NetUSB-1149.1/Е и NetUSB-1149.1/SЕ применяются для подключения к ПК тестового стенда посредством интерфейса USB 2.0 или в рамках сети локального доступа (LAN), работающей в протоколе 10/100 Ethernet.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Они снабжаются четырех- или восьмипортовыми адаптерами (см. рис. 5), имеющими дополнительные возможности значительного увеличения числа одновременно тестируемых ПП. Высокоскоростные однопортовый USB-контроллер USB-1149.1/E и четырехпортовый USB-контроллер USB-1149.1/4E поддерживают рабочие частоты ТСК вплоть до 100 МГц, выбираемые тремя программируемыми ступенями (1 МГц, 0,5 МГц и 0,05 МГц), но снабжены лишь тремя двунаправленными управляемыми контактами ввода-вывода.
Очень популярными в современной схемотехнике являются пластинки памяти типа DIMM, использующие своеобразный разъем с высокой плотностью контактов для подключения к основной ПП. Тестирование подобных разъемов в системах ГС является классической задачей построения кластерного теста, и мы в нескольких статьях нашего цикла уже неоднократно упоминали и более-менее детально рассматривали ГС-тесты кластеров с элементами, не содержащими ГС-структур.

Для тестирования разъемов DIMM, имеющих любое стандартное число контактов (144, 168, 184, 200 или 240), в системе ScanExpress предусмотрены специальные модули (см. рис. 6) и программные средства поддержки кластерных тестов таких разъемов. С помощью этих модулей можно легко обнаруживать неисправности типа обрыв или к.з. не только на функциональных контактах, но также на контактах питания и земли. Для этого тестовый модуль вставляется в тестируемый разъем вместо пластинки DIMM-памяти и через находящийся на нем интерфейсный разъем подключается к одному из ТАР-портов того или иного контроллера, представляя собой отдельную ГС-цепочку.

Продолжение в следующем номере журнала: будут рассмотрены основные типы и характеристики аппаратного обеспечения систем поддержки граничного сканирования ProVision и onTAР.