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利用边界扫描测试和厂痴罢改善贬补蝉飞别濒濒平台主板的测试覆盖率

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利用边界扫描测试和 SVT 改善基于 Haswell 的电脑主板的测试覆盖率 张峻 （安捷伦科技（中国）有限公司 上海 200080） 摘要：针对使用 Intel?最新一代 CPU“Haswell”开发的笔记本电脑、超极本电脑，其主板 测试覆盖率普遍低于 50%的问题，提出基于边界扫描测试结合 SVT?测试在不增加测试点的 情况下提高测试覆盖率的方案。该方案以便携型边界扫描测试仪和 SVT?测试盒为硬件，在 边界扫描测试软件中无缝集成 SVT?测试程序，结构简单、成本低廉、易于复制，适用于研 发、新品导入、量产、维修等多种环境。 关键词：Haswell；边界扫描；SVT?；测试覆盖率 中图分类号：TN407；文献标识码：A；国家标准学科分类代码：460.4030 Using Boundary Scan Test and SVT to Improve Test Coverage of Haswell Platform Based Motherboard Zhang Jun (Agilent Technologies(China) Co.,Ltd., Shanghai 200080, China) Abstract: Inaccordance withlowtestcoverage of Intel? Haswell basedmotherboardon notebookandultrabook. Thispaperpropose touse boundaryscantestplussiliconview technologytoimprove testcoverage withoutaddingtestpoints. The hardware isportable boundaryscan analyzerandSVT? in-target-port,andseamlessintegrateSVTprograminto boundary scan developmentsoftware. Thissolutionhasthe characteristicssuchassimple structure,lowcost andeasyduplication. Itcanbe usedinmultiple environmentsuchasR&D, NPI,massproductionandrepair. Keywords:Haswell;BoundaryScan;SVT?;TestCoverage 1. 引言 笔记本电脑（包括平板电脑、超极本）的发展趋势呈现出 3 个特点：一方面，用户期待产 品全能互联，比如通过无线网卡连接 WIFI、3G（甚至 4G）热点网上冲浪、通过 HDMI 或 Thounderbolt 接口连接外部显示器播放高清视频、通过蓝牙和手机平板互传图片等，这样 主板上需要布置多种高速接口控制电路。另一方面，用户要求产物更轻更薄，这就促成了 内存不再使用 DIMM 插槽，而是将 BGA 封装的多颗内存芯片直接焊接在主板上的设计趋 势。最后，用户渴望更长的续航时间---并且不增加电池厚度和重量。兼具低电压、低功耗、 小而强（尺寸小功能强悍）特点的芯片成了唯一选择，而这样的芯片通常是 BGA 封装。基 于 Intel?最新的 HaswellCPU 平台的产物即是反映这 3 个特点的典型代表。
所谓“有所得必有所失”，这样的主板设计顺应了客户的需求，却给测试工程师带来了困 扰。众所周知，功能测试只能指出模块级别的缺陷，而在线测试（in-circuit-test，简称 ICT） 作为生产线上唯一可以诊断到引脚级别的测试段，其效果和测试点数量息息相关。测试工 程师发现，而为了保证信号稳定性，硬件工程师拒绝在高速接口控制电路布置测试点； BGA 封装的 DDR 内存颗粒使得布置测试点变成了一种奢望；想在主板上越来越多的 BGA 芯片引脚附近布置测试点成了不可能的任务。面对布置了测试点的网络数量普遍小于主板 上网络总数 50%的主板，测试工程师面临诸多挑战，例如，高速信号网络的开短路缺陷由 于没有测试点儿抓不到；测试设备（机器和夹具）本身的负载和噪声导致高速器件测试不 稳定（如 DDR3 在 ICT 上测试不稳定）；越来越短的上市时间使得引脚众多功能丰富的 BGA 芯片很难在短时间内开发出测试库等。 2.边界扫描测试 为了应对这种挑战，目前流行的做法是利用便携型边界扫描（boundary scan，简称 BScan） 测试仪，作为较低测试覆盖率下有益的补充。边界扫描测试的原理本文不做赘述，其优点 有五：其一，根据“二八定律”，主板 80%的硬件成本花在了 20%的元器件上（最主要的 功能也由这些芯片实现），而这些元器件中的绝大部分是基于边界扫描测试协议的 IC（如 CPU、PCH、GPU 等）或直接连接在这类 IC 上的芯片（如 DDR3RAM），利用边界扫描测 试可以验证主板上最重要的功能芯片是否正常。其二，边界扫描测试仅需要 4 个测试点 （TCK、TMS、TDI、TDO，TRST 是可选信号）即可测试成百上千个引脚的 BGA 器件（或边 界扫描链路）是否存在硬件故障，可谓“四两拨千斤”，大大提升测试覆盖率。其三，边 界扫描测试仪身材小巧，仅需市电，不仅适用于研发人员在办公室快速验证原型机，小批 量试产时快速检测，大规模生产时单独作为测试站分担一部分测试项目（如 DDR 内存测 试、固件更新、S/N 烧录等），还能帮助维修人员精确定位故障 IC 至引脚级别提高维修效 率。其四，可将边界扫描测试仪集成于 ICT 测试机内，在 ICT 测试程序里调用边界扫描测 试程序以提高自动化率。最后，边界扫描测试程序开发简单，无需掌握 ICT 知识，也不要 制作夹具，仅利用器件的 BSDL 文件即可生成测试程序，适应产物快速上市的要求。市面 上的边界扫描测试仪品牌很多，功能大同小异，用户可从界面是否简洁直观、软件是否易 学易用、是否支持中文操作、本地化技术支持是否强大等方面多加考量。 3.SVT?原理及优点 除了边界扫描测试外，嵌入式测试（embeddedtesting）技术也是 SoC 供应商用来提高自 家芯片测试覆盖率的手段。例如 Intel?在今年发布 Haswell 的同时，也推出了名为“Silicon ViewTechnology”（简称 SVT?）的嵌入式测试技术，帮助使用 Haswell 芯片的用户在平台 调试、电气验证、批量生产时改善测试覆盖率。由于 SVT?推出时间尚短，很多读者可能还 不是特别了解，笔者先简单介绍一下 SVT 原理及优点。 SVT?是 Haswell 平台（及后续产物）内嵌的功能测试技术，包含硬件和软件，图一为硬件 套装，包含一个测试盒、电缆和电源。其工作原理是在 BIOS 里预设 4 个检查点 （checkpoint），开机后 BIOS 运行到每个 checkpoint 暂停，SVT?程序对在此 checkpoint 之
前完成初始化的外设（如 CPU、USB 端口等）输入特定数据，然后读回测量值并存储。将 测得的值与参考值比较，以此判断外设接口是否工作正常。由于 CPU 和 PCH 是主板的核 心，它们控制着几乎所有外设，所以在不增加测试点的前提下，可以大大提高测试覆盖率。 图二是 Intel?推荐的每个 checkpoint 做的测试项。需要指出的是，不同的 BIOS 开发者的外 设启动项目和顺序会略有差异，因此需要编写与之对应的 SVT?程序。 图一 SVT?硬件套装 图二 Intel?推荐的 BIOS 启动顺序
SVT?的优点有三。一是 PCB 板上不需要布置测试点，即可实现对诸多外设接口及外设控制 芯片的测试；二是 PCB 无需进入操作系统，只要启动 BIOS，即可对其进行诊断。假如 PCB 有因内存缺陷导致的“无法开机”故障，功能测试对此无能为力，但却恰好是 SVT?的用武 之地。三是 SVT?的测试速度快，完成全部测试项仅需 1~2 分钟，而在功能测试中完成同 样测试项则需 8~10 分钟。图三是 Haswell 的设计公板（CustomerReference Board，简称 CRB）的 SVT?测试架构示意图。 图三 SVT?测试架构 4.边界扫描结合 SVT?的方案 图四是“边界扫描+SVT”的测试覆盖示意图，可以看到边界扫描测试负责电压监控、边 界扫描各项测试、DDR3RAM 测试、连接器测试等，而 SVT 负责各类外设接口测试。
图四 “边界扫描 + SVT”测试覆盖率示意图 那么，能不能将边界扫描测试仪和 SVT?的软硬件整合到一起从而最大程度地改善测试覆盖 率呢？答案是 YES，但是有条件！笔者在本文中分享几例实战经验。 a).边界扫描测试仪的驱动能力 众所周知，边界扫描的可测性设计原则中，建议在 TCK、TMS、TDI、TDO 和 TRST 信号网 络布置上拉或下拉电阻。不同于一般采用 100 欧姆以上电阻的常规应用，Haswell 的参考 设计中使用的是 51 欧姆电阻，这就对边界扫描分析仪的驱动能力提出了要求。比如测试 CPU 时，其参考电压是 1.1V，如果仪器驱动能力不够，会出现测试程序中施加 1.1V，PCB 上只能得到 0.5V 的情况。 b).边界扫描测试时一些关键信号的处置 Haswell CPU 在边界扫描测试过程中有些信号必须保持特定状态（如 VR_EN, CATERRB 等）， 否则会导致 CPU 测试结束后 PCB 掉电，PCH 也存在类似情况。这就要求开发者事先考虑到 这些，为这些信号布置测试点且边界扫描测试仪有足够数量的 I/O 端口，以备需要时方便 地驱动或测量。 c). DDR3 RAM 测试库 DDR3 RAM 测试历来是难点，因为它特别容易受测试机台负载的干扰导致测试不稳定，所 以许多 ICT 都不测 DDR3RAM。边界扫描测试仪由于结构简单负载小，可以在这里测试 DDR3 RAM，但前提是要准备合适的测试库文件。虽然各大 DDR 供应商的产物引脚分布相
同，电气指标相近，但不意味着可以一库通吃。特别要注意的是各厂商在 latencytime 上 的细微差别，有时候这就是导致 DDR 测试失败或不稳定的原因。 d).边界扫描测试端口的单独控制 由于边界扫描测试的多是高速信号电路，为了避免测试一条链路时被其他链路干扰，边界 扫描测试仪的每个调试端口（一般都有 4 个）应该可以单独控制使能或禁止。 e).SVT?调试端口的处置 SVT?调试时需要在原型机上焊接一个 60 引脚的调试接口（debugconnector），在量产时 无需安装此接口，只要将其中 20 个引脚对应的网络布置测试点供 SVT?程序执行时使用即 可。这 20 个测试点的分布位置对程序稳定性很重要，如无丰富经验，建议采用双行程夹 具（dual stage fixture）来提高 SVT?测试的稳定性。 最后以 Haswell 设计公板“HarrisBeach CRB”为例，展示某边界扫描测试仪是如何集成 SVT?的。图五是“HarrisBeach”PCB 的简况。可以看到 PCB 只有 42%的网络有测试点。图 中蓝色方框是 HaswellCPU，红色方框是 SVT?用的调试端口 XDP（extendeddebugport）。 图六是集成后的夹具外观。图七是在边界扫描软件中调用 SVT?测试。图八是边界扫描和 SVT?的测试项目。表一显示有 4 片 PCB 在 SVT?测试失败，同样也在功能测试或 ICT 测试失 败，从而证明了 SVT?的价值。 图五 Haswell 设计公板
图六 “边界扫描测试仪 + SVT?”夹具外观图 图七 边界扫描测试软件中调用 SVT?测试程序
图八 边界扫描和 SVT?的测试项 表一 在 SVT?测试失败的 PCB 在功能测试或 ICT 中同样失败 6.结论 利用边界扫描测试和 SVT?，一方面可以弥补 ICT 部分无法测到或被迫放弃的网络，另一方 面可以将部分项目从功能测试中移至 SVT?，从而提高了测试覆盖率。在 Haswell 平台应用 越来越广泛的今天，是一种值得推广的测试手段。

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  • 1. 利用边界扫描测试和 SVT 改善基于 Haswell 的电脑主板的测试覆盖率 张峻 （安捷伦科技（中国）有限公司 上海 200080） 摘要：针对使用 Intel?最新一代 CPU“Haswell”开发的笔记本电脑、超极本电脑，其主板 测试覆盖率普遍低于 50%的问题，提出基于边界扫描测试结合 SVT?测试在不增加测试点的 情况下提高测试覆盖率的方案。该方案以便携型边界扫描测试仪和 SVT?测试盒为硬件，在 边界扫描测试软件中无缝集成 SVT?测试程序，结构简单、成本低廉、易于复制，适用于研 发、新品导入、量产、维修等多种环境。 关键词：Haswell；边界扫描；SVT?；测试覆盖率 中图分类号：TN407；文献标识码：A；国家标准学科分类代码：460.4030 Using Boundary Scan Test and SVT to Improve Test Coverage of Haswell Platform Based Motherboard Zhang Jun (Agilent Technologies(China) Co.,Ltd., Shanghai 200080, China) Abstract: Inaccordance withlowtestcoverage of Intel? Haswell basedmotherboardon notebookandultrabook. Thispaperpropose touse boundaryscantestplussiliconview technologytoimprove testcoverage withoutaddingtestpoints. The hardware isportable boundaryscan analyzerandSVT? in-target-port,andseamlessintegrateSVTprograminto boundary scan developmentsoftware. Thissolutionhasthe characteristicssuchassimple structure,lowcost andeasyduplication. Itcanbe usedinmultiple environmentsuchasR&D, NPI,massproductionandrepair. Keywords:Haswell;BoundaryScan;SVT?;TestCoverage 1. 引言 笔记本电脑（包括平板电脑、超极本）的发展趋势呈现出 3 个特点：一方面，用户期待产 品全能互联，比如通过无线网卡连接 WIFI、3G（甚至 4G）热点网上冲浪、通过 HDMI 或 Thounderbolt 接口连接外部显示器播放高清视频、通过蓝牙和手机平板互传图片等，这样 主板上需要布置多种高速接口控制电路。另一方面，用户要求产物更轻更薄，这就促成了 内存不再使用 DIMM 插槽，而是将 BGA 封装的多颗内存芯片直接焊接在主板上的设计趋 势。最后，用户渴望更长的续航时间---并且不增加电池厚度和重量。兼具低电压、低功耗、 小而强（尺寸小功能强悍）特点的芯片成了唯一选择，而这样的芯片通常是 BGA 封装。基 于 Intel?最新的 HaswellCPU 平台的产物即是反映这 3 个特点的典型代表。
  • 2. 所谓“有所得必有所失”，这样的主板设计顺应了客户的需求，却给测试工程师带来了困 扰。众所周知，功能测试只能指出模块级别的缺陷，而在线测试（in-circuit-test，简称 ICT） 作为生产线上唯一可以诊断到引脚级别的测试段，其效果和测试点数量息息相关。测试工 程师发现，而为了保证信号稳定性，硬件工程师拒绝在高速接口控制电路布置测试点； BGA 封装的 DDR 内存颗粒使得布置测试点变成了一种奢望；想在主板上越来越多的 BGA 芯片引脚附近布置测试点成了不可能的任务。面对布置了测试点的网络数量普遍小于主板 上网络总数 50%的主板，测试工程师面临诸多挑战，例如，高速信号网络的开短路缺陷由 于没有测试点儿抓不到；测试设备（机器和夹具）本身的负载和噪声导致高速器件测试不 稳定（如 DDR3 在 ICT 上测试不稳定）；越来越短的上市时间使得引脚众多功能丰富的 BGA 芯片很难在短时间内开发出测试库等。 2.边界扫描测试 为了应对这种挑战，目前流行的做法是利用便携型边界扫描（boundary scan，简称 BScan） 测试仪，作为较低测试覆盖率下有益的补充。边界扫描测试的原理本文不做赘述，其优点 有五：其一，根据“二八定律”，主板 80%的硬件成本花在了 20%的元器件上（最主要的 功能也由这些芯片实现），而这些元器件中的绝大部分是基于边界扫描测试协议的 IC（如 CPU、PCH、GPU 等）或直接连接在这类 IC 上的芯片（如 DDR3RAM），利用边界扫描测 试可以验证主板上最重要的功能芯片是否正常。其二，边界扫描测试仅需要 4 个测试点 （TCK、TMS、TDI、TDO，TRST 是可选信号）即可测试成百上千个引脚的 BGA 器件（或边 界扫描链路）是否存在硬件故障，可谓“四两拨千斤”，大大提升测试覆盖率。其三，边 界扫描测试仪身材小巧，仅需市电，不仅适用于研发人员在办公室快速验证原型机，小批 量试产时快速检测，大规模生产时单独作为测试站分担一部分测试项目（如 DDR 内存测 试、固件更新、S/N 烧录等），还能帮助维修人员精确定位故障 IC 至引脚级别提高维修效 率。其四，可将边界扫描测试仪集成于 ICT 测试机内，在 ICT 测试程序里调用边界扫描测 试程序以提高自动化率。最后，边界扫描测试程序开发简单，无需掌握 ICT 知识，也不要 制作夹具，仅利用器件的 BSDL 文件即可生成测试程序，适应产物快速上市的要求。市面 上的边界扫描测试仪品牌很多，功能大同小异，用户可从界面是否简洁直观、软件是否易 学易用、是否支持中文操作、本地化技术支持是否强大等方面多加考量。 3.SVT?原理及优点 除了边界扫描测试外，嵌入式测试（embeddedtesting）技术也是 SoC 供应商用来提高自 家芯片测试覆盖率的手段。例如 Intel?在今年发布 Haswell 的同时，也推出了名为“Silicon ViewTechnology”（简称 SVT?）的嵌入式测试技术，帮助使用 Haswell 芯片的用户在平台 调试、电气验证、批量生产时改善测试覆盖率。由于 SVT?推出时间尚短，很多读者可能还 不是特别了解，笔者先简单介绍一下 SVT 原理及优点。 SVT?是 Haswell 平台（及后续产物）内嵌的功能测试技术，包含硬件和软件，图一为硬件 套装，包含一个测试盒、电缆和电源。其工作原理是在 BIOS 里预设 4 个检查点 （checkpoint），开机后 BIOS 运行到每个 checkpoint 暂停，SVT?程序对在此 checkpoint 之
  • 3. 前完成初始化的外设（如 CPU、USB 端口等）输入特定数据，然后读回测量值并存储。将 测得的值与参考值比较，以此判断外设接口是否工作正常。由于 CPU 和 PCH 是主板的核 心，它们控制着几乎所有外设，所以在不增加测试点的前提下，可以大大提高测试覆盖率。 图二是 Intel?推荐的每个 checkpoint 做的测试项。需要指出的是，不同的 BIOS 开发者的外 设启动项目和顺序会略有差异，因此需要编写与之对应的 SVT?程序。 图一 SVT?硬件套装 图二 Intel?推荐的 BIOS 启动顺序
  • 4. SVT?的优点有三。一是 PCB 板上不需要布置测试点，即可实现对诸多外设接口及外设控制 芯片的测试；二是 PCB 无需进入操作系统，只要启动 BIOS，即可对其进行诊断。假如 PCB 有因内存缺陷导致的“无法开机”故障，功能测试对此无能为力，但却恰好是 SVT?的用武 之地。三是 SVT?的测试速度快，完成全部测试项仅需 1~2 分钟，而在功能测试中完成同 样测试项则需 8~10 分钟。图三是 Haswell 的设计公板（CustomerReference Board，简称 CRB）的 SVT?测试架构示意图。 图三 SVT?测试架构 4.边界扫描结合 SVT?的方案 图四是“边界扫描+SVT”的测试覆盖示意图，可以看到边界扫描测试负责电压监控、边 界扫描各项测试、DDR3RAM 测试、连接器测试等，而 SVT 负责各类外设接口测试。
  • 5. 图四 “边界扫描 + SVT”测试覆盖率示意图 那么，能不能将边界扫描测试仪和 SVT?的软硬件整合到一起从而最大程度地改善测试覆盖 率呢？答案是 YES，但是有条件！笔者在本文中分享几例实战经验。 a).边界扫描测试仪的驱动能力 众所周知，边界扫描的可测性设计原则中，建议在 TCK、TMS、TDI、TDO 和 TRST 信号网 络布置上拉或下拉电阻。不同于一般采用 100 欧姆以上电阻的常规应用，Haswell 的参考 设计中使用的是 51 欧姆电阻，这就对边界扫描分析仪的驱动能力提出了要求。比如测试 CPU 时，其参考电压是 1.1V，如果仪器驱动能力不够，会出现测试程序中施加 1.1V，PCB 上只能得到 0.5V 的情况。 b).边界扫描测试时一些关键信号的处置 Haswell CPU 在边界扫描测试过程中有些信号必须保持特定状态（如 VR_EN, CATERRB 等）， 否则会导致 CPU 测试结束后 PCB 掉电，PCH 也存在类似情况。这就要求开发者事先考虑到 这些，为这些信号布置测试点且边界扫描测试仪有足够数量的 I/O 端口，以备需要时方便 地驱动或测量。 c). DDR3 RAM 测试库 DDR3 RAM 测试历来是难点，因为它特别容易受测试机台负载的干扰导致测试不稳定，所 以许多 ICT 都不测 DDR3RAM。边界扫描测试仪由于结构简单负载小，可以在这里测试 DDR3 RAM，但前提是要准备合适的测试库文件。虽然各大 DDR 供应商的产物引脚分布相
  • 6. 同，电气指标相近，但不意味着可以一库通吃。特别要注意的是各厂商在 latencytime 上 的细微差别，有时候这就是导致 DDR 测试失败或不稳定的原因。 d).边界扫描测试端口的单独控制 由于边界扫描测试的多是高速信号电路，为了避免测试一条链路时被其他链路干扰，边界 扫描测试仪的每个调试端口（一般都有 4 个）应该可以单独控制使能或禁止。 e).SVT?调试端口的处置 SVT?调试时需要在原型机上焊接一个 60 引脚的调试接口（debugconnector），在量产时 无需安装此接口，只要将其中 20 个引脚对应的网络布置测试点供 SVT?程序执行时使用即 可。这 20 个测试点的分布位置对程序稳定性很重要，如无丰富经验，建议采用双行程夹 具（dual stage fixture）来提高 SVT?测试的稳定性。 最后以 Haswell 设计公板“HarrisBeach CRB”为例，展示某边界扫描测试仪是如何集成 SVT?的。图五是“HarrisBeach”PCB 的简况。可以看到 PCB 只有 42%的网络有测试点。图 中蓝色方框是 HaswellCPU，红色方框是 SVT?用的调试端口 XDP（extendeddebugport）。 图六是集成后的夹具外观。图七是在边界扫描软件中调用 SVT?测试。图八是边界扫描和 SVT?的测试项目。表一显示有 4 片 PCB 在 SVT?测试失败，同样也在功能测试或 ICT 测试失 败，从而证明了 SVT?的价值。 图五 Haswell 设计公板
  • 7. 图六 “边界扫描测试仪 + SVT?”夹具外观图 图七 边界扫描测试软件中调用 SVT?测试程序
  • 8. 图八 边界扫描和 SVT?的测试项 表一 在 SVT?测试失败的 PCB 在功能测试或 ICT 中同样失败 6.结论 利用边界扫描测试和 SVT?，一方面可以弥补 ICT 部分无法测到或被迫放弃的网络，另一方 面可以将部分项目从功能测试中移至 SVT?，从而提高了测试覆盖率。在 Haswell 平台应用 越来越广泛的今天，是一种值得推广的测试手段。