FPGA集成電路的動態(tài)老化試驗

FPGA集成電路的動態(tài)老化試驗1引言FPGA是現(xiàn)場可編程門陣列(FieldProgrammingGateArray)的縮寫，用戶可以編寫程序?qū)PGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)芯片的邏輯功能。近年來，F(xiàn)PGA芯片以其大規(guī)模、高集成度、高可靠性、投資少、保密性好、開發(fā)方便、使用靈活、可在線編程等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著FPGA電路在軍工和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，其高可靠性尤為重要，為了提高電路的可靠性，最好的方法是對電路進(jìn)行篩選，其中老化試驗就是篩選過程中最為重要的環(huán)節(jié)之一。考慮到FPGA電路的工作模式比較復(fù)雜，外部需要存儲器或者FLASH對其進(jìn)行配置，F(xiàn)PGA才能動態(tài)工作，因此國內(nèi)一般的FPGA老化技術(shù)都采用了靜態(tài)老化試驗方法。這種靜態(tài)老化試驗方法存在著一定的缺陷，電路在老化過程中并沒有受到真正的應(yīng)力，因此并不能真正剔除掉早期失效的產(chǎn)品，其可靠性得不到保證。對FPGA電路動態(tài)老化的研究，提高老化試驗條件的嚴(yán)酷度，即可保證電路的高可靠性要求。2動態(tài)老化試驗集成電路的動態(tài)老化理論上要求電路在其最高溫度工作條件下完全模擬實(shí)際工作狀態(tài)，電路內(nèi)部的邏輯單元都有機(jī)會得到翻轉(zhuǎn)，對于一般數(shù)字集成電路都需要外部提供功能測試碼來驅(qū)動電路工作。對于FPGA電路的動態(tài)老化試驗來說，功能測試碼是存儲在外部存儲器中的配置程序，將程序配置到FPGA電路內(nèi)部，使內(nèi)部的門陣列全部工作起來，實(shí)現(xiàn)高覆蓋率的邏輯節(jié)點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)，讓其按照規(guī)定的功能工作。因此本研究工作的關(guān)鍵在如何進(jìn)行FPGA電路的程序配置。3FPGA設(shè)計流程完整的FPGA設(shè)計流程包括邏輯電路設(shè)計輸入、功能仿真、綜合及時序分析、實(shí)現(xiàn)、加載配置、調(diào)試。FPGA配置就是將特定的應(yīng)用程序設(shè)計按FPGA設(shè)計流程轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)位流加載到FPGA的內(nèi)部存儲器中，實(shí)現(xiàn)特定邏輯功能的過程。由于FPGA電路的內(nèi)部存儲器都是基于RAM工藝的，所以當(dāng)FPGA電路電源掉電后，內(nèi)部存儲器中已加載的位流數(shù)據(jù)將隨之丟失。所以，通常將設(shè)計完成的FPGA位流數(shù)據(jù)存于外部存儲器中，每次上電自動進(jìn)行FPGA電路配置加載。4FPGA配置原理以Xilinx公司的QproVirtexHi-Rel系列XQV100電路為例，F(xiàn)PGA的配置模式有四種方案可選擇：MasterSerialMode，SlaveSerialMode，MasterselectMAPMode，SlaveselectMAPMode。配置是通過芯片上的一組專/復(fù)用引腳信號完成的，主要配置功能信號如下：(1)M0、M1、M2：下載配置模式選擇;(2)CLK：配置時鐘信號;(3)DONE：顯示配置狀態(tài)、控制器件啟動;(4)PROG_B：初始化引出端;(5)INT_B：配置延遲控制，配置錯誤顯示;(6)DOUT：菊花鏈中的配置數(shù)據(jù)輸出。(7)DIN：串行數(shù)據(jù)輸入;FPGA電路在選定模式下的配置過程包括四個主要階段：(1)清除FPGA電路內(nèi)部配置存儲器;(2)初始化FPGA電路配置邏輯功能;(3)加載FPGA電路配置數(shù)據(jù)流;(4)FPGA電路配置完成，啟動電路就緒序列。主串模式電路連接圖見圖1

圖1FPGA配置主串模式連接圖系統(tǒng)或芯片上電后，信號引腳PROG_B被拉低，F(xiàn)PGA的配置RAM存儲器清空;同樣，PROG_B上的邏輯低電平將會復(fù)位配置邏輯，并使FPGA保持在清空配置存儲器狀態(tài)。只要PROG_B引腳保持低電平，則FPGA將繼續(xù)清空它的配置RAM存儲器，并使INIT_B信號保持為低電平以表明配置在被清空。當(dāng)PROG_B被釋放時，F(xiàn)PGA將繼續(xù)使INIT_B保持低電平，直到完成清空