寫在前面：

在安全芯片的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證過(guò)程中，工程師常會(huì)遇到一個(gè)關(guān)鍵概念——BIST（Built-In Self-Test，內(nèi)置自檢測(cè)）。初次接觸這一術(shù)語(yǔ)時(shí)，許多人容易將其簡(jiǎn)單理解為“芯片內(nèi)部的自動(dòng)化測(cè)試功能”，甚至誤認(rèn)為其僅用于生產(chǎn)階段的缺陷篩查。然而，BIST機(jī)制的核心價(jià)值遠(yuǎn)不止于此：它不僅是芯片功能安全的“第一道防線”，更是實(shí)時(shí)檢測(cè)潛伏故障、保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

在功能安全標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 26262、IEC 61508）中，BIST被明確列為“硬件診斷機(jī)制”的重要組成部分。若對(duì)其設(shè)計(jì)原理和分類缺乏深入理解，可能導(dǎo)致安全機(jī)制覆蓋率不足，甚至引發(fā)系統(tǒng)級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文將帶你深入了解BIST機(jī)制的奧秘，讓你明白它是如何在芯片的世界里發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

01.什么是BIST

內(nèi)置自檢測(cè)（Built-In Self-Test，簡(jiǎn)稱BIST）是一種通過(guò)在芯片內(nèi)部集成專用測(cè)試電路，實(shí)現(xiàn)自主生成測(cè)試向量、執(zhí)行檢測(cè)并分析結(jié)果的診斷技術(shù)。其核心目標(biāo)是通過(guò)周期性的自檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)由制造缺陷、老化或環(huán)境應(yīng)力（如輻射、溫度波動(dòng)）引發(fā)的潛伏故障（Latent Faults），確保芯片在生命周期內(nèi)始終滿足功能安全要求。

想象一下，如果芯片是一個(gè)復(fù)雜的城堡，那么BIST就像是城堡內(nèi)部的一支巡邏隊(duì)，時(shí)刻在城堡內(nèi)巡邏，檢查每一個(gè)角落，確保城堡的安全。這支巡邏隊(duì)由三個(gè)主要部分組成：測(cè)試向量生成器（TPG，test pattern generator）、輸出響應(yīng)分析器（ORA，output response analyzer）和內(nèi)建自測(cè)試控制器（BIST controller）。

◆ TPG（test pattern generator）測(cè)試向量生成器

它是巡邏隊(duì)中的“偵察兵”，用來(lái)自動(dòng)生成測(cè)試向量，灌入待測(cè)電路的輸入引腳。

◆ ORA (output response analyzer)輸出響應(yīng)分析器

它是巡邏隊(duì)中的“分析師”，對(duì)待測(cè)電路的輸出進(jìn)行壓縮對(duì)比，來(lái)確定電路是否有錯(cuò)誤。

◆ BIST controller 內(nèi)建自測(cè)試控制器

它是巡邏隊(duì)的“指揮官”，控制何時(shí)將什么樣的數(shù)據(jù)用到被測(cè)電路上，控制被測(cè)電路的時(shí)鐘并決定何時(shí)讀取預(yù)期響應(yīng)。

BIST解決的故障類型為未被檢測(cè)到的多點(diǎn)故障（Multiple-point Faults），這些故障可以分為兩類：

· 系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)邏輯中存在多點(diǎn)故障，它們不能被檢測(cè)或感知。

·系統(tǒng)本身設(shè)計(jì)的安全機(jī)制出現(xiàn)故障，該故障與另一個(gè)獨(dú)立故障結(jié)合后，未能檢測(cè)或感知。

在微控制器（MCU）等安全芯片的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，BIST機(jī)制就像是芯片的“守護(hù)神”，時(shí)刻守護(hù)著芯片的安全。它的主要目的是在芯片運(yùn)行過(guò)程中，及時(shí)發(fā)現(xiàn)那些潛伏的故障（Latent Faults），并在發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，迅速采取相應(yīng)的安全措施，如系統(tǒng)重啟或進(jìn)入安全狀態(tài)等，確保芯片的穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)的安全。

02.BIST類別

BIST機(jī)制就像是芯片內(nèi)部的“多面手”，能夠應(yīng)對(duì)各種不同的故障類型。根據(jù)芯片內(nèi)部電路的不同特點(diǎn)，BIST機(jī)制主要分為兩大類：LBIST（Logic Built-in Self Test，邏輯內(nèi)置自測(cè)試）和MBIST（Memory Built-in Self Test，內(nèi)存內(nèi)置自測(cè)試）。

1：LBIST（Logic Built-in Self Test）：邏輯內(nèi)置自測(cè)試

LBIST就像是芯片內(nèi)部的“邏輯偵探”，專門負(fù)責(zé)檢測(cè)芯片數(shù)字邏輯中的潛在故障。它通過(guò)應(yīng)用偽隨機(jī)模式，這些模式由偽隨機(jī)模式生成器（PRPG）生成，并像電流一樣，應(yīng)用于全掃描電路。這些偽隨機(jī)模式雖然看似隨機(jī)，但實(shí)際上是由確定性算法生成的，能夠全面覆蓋電路中的所有邏輯路徑，就像偵探會(huì)走遍每一個(gè)可能的線索路徑一樣。

同時(shí)，在測(cè)試過(guò)程中LBIST會(huì)使用多輸入簽名寄存器（MISR）對(duì)測(cè)試響應(yīng)進(jìn)行壓縮。MISR就像是一個(gè)“數(shù)據(jù)壓縮機(jī)”，能夠?qū)⒋罅康臏y(cè)試數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化為一個(gè)較短的簽名值，這個(gè)值代表了測(cè)試結(jié)果。最后，LBIST會(huì)將實(shí)際得到的簽名值與設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)模擬測(cè)試確定的預(yù)期簽名值進(jìn)行比對(duì)。如果實(shí)際簽名值與預(yù)期簽名值不匹配，就像偵探發(fā)現(xiàn)線索與預(yù)期不符一樣，說(shuō)明電路中存在故障。此時(shí)，芯片可以采取相應(yīng)的措施，如系統(tǒng)重啟或進(jìn)入安全狀態(tài)等。

1）LBIST通過(guò)一個(gè)偽隨機(jī)模式生成器（PRPG）產(chǎn)生偽隨機(jī)測(cè)試向量。這些向量看起來(lái)是隨機(jī)的，但實(shí)際上是由確定性算法生成的。在全掃描電路設(shè)計(jì)中，這些測(cè)試向量可以全面覆蓋電路中的所有邏輯路徑。

2）使用多輸入簽名寄存器（MISR）對(duì)測(cè)試向量的響應(yīng)進(jìn)行壓縮。MISR能夠?qū)⒋罅康臏y(cè)試數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化為一個(gè)較短的簽名值，這個(gè)值代表了測(cè)試結(jié)果。

3）得到的簽名值（也稱為特征值）需要與預(yù)期的簽名值進(jìn)行比對(duì)。預(yù)期的簽名值通常是在設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)模擬測(cè)試確定的，它代表了電路在無(wú)故障時(shí)的響應(yīng)。

4）如果實(shí)際簽名值與預(yù)期簽名值不匹配，說(shuō)明電路中存在故障。檢測(cè)到故障后，MCU可進(jìn)行系統(tǒng)重啟、進(jìn)入安全狀態(tài)等措施。

2. MBIST（Memory Built-in Self Test）：內(nèi)存內(nèi)置自測(cè)試

MBIST則是芯片內(nèi)部的“內(nèi)存衛(wèi)士”，專門用于檢測(cè)存儲(chǔ)器故障，如SRAM單元中的故障。存儲(chǔ)器就像是芯片的“記憶庫(kù)”，如果記憶庫(kù)出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)芯片的功能都會(huì)受到影響。MBIST通過(guò)包含測(cè)試電路用于加載、讀取和比較測(cè)試圖形，來(lái)確保存儲(chǔ)器的正常工作。

目前，業(yè)界通用的MBIST算法有“March”、“March-C”以及“MATS+”等。這些算法就像是MBIST的“測(cè)試工具”，能夠全面檢測(cè)存儲(chǔ)器的各個(gè)部分。MBIST的測(cè)試框架主要由測(cè)試控制、硬件向量生成和比較器三部分組成。測(cè)試控制就像是MBIST的“指揮官”，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)測(cè)試過(guò)程；硬件向量生成則像是“測(cè)試工具”的“制造者”，負(fù)責(zé)生成各種測(cè)試向量；比較器則像是“測(cè)試工具”的“使用者”，負(fù)責(zé)對(duì)比測(cè)試結(jié)果，判斷存儲(chǔ)器是否存在問(wèn)題。

MBIST測(cè)試的框架由測(cè)試控制、硬件向量生成、比較器組成。

1）測(cè)試控制模塊是MBIST測(cè)試框架的核心，負(fù)責(zé)管理整個(gè)測(cè)試過(guò)程。當(dāng)測(cè)試控制模塊接收到開(kāi)始測(cè)試的指令后，首先會(huì)切換存儲(chǔ)器的輸入輸出到測(cè)試模式，同時(shí)啟動(dòng)硬件向量生成模塊開(kāi)始產(chǎn)生和給出測(cè)試激勵(lì)，同時(shí)計(jì)算存儲(chǔ)器的輸出期待值。

2）硬件向量生成模塊負(fù)責(zé)生成用于內(nèi)存測(cè)試的測(cè)試向量。這些測(cè)試向量由MBIST內(nèi)部邏輯生成，相應(yīng)模塊可以與被測(cè)試的存儲(chǔ)器一同工作在內(nèi)部功能時(shí)鐘下，無(wú)需由機(jī)臺(tái)慢速時(shí)鐘移入測(cè)試向量，可節(jié)省大量的測(cè)試時(shí)間。

3）比較器用于將存儲(chǔ)器單元返回的數(shù)據(jù)和原始輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。當(dāng)存儲(chǔ)器被測(cè)試時(shí)和讀取數(shù)據(jù)時(shí)，比較器的輸入應(yīng)該是相同的數(shù)據(jù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，LBIST和MBIST就像是芯片內(nèi)部的“雙保險(xiǎn)”，共同保障芯片的穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)的安全。它們各自針對(duì)不同的電路部分，發(fā)揮著不可或缺的作用。通過(guò)BIST機(jī)制，芯片能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在的故障，確保在各種復(fù)雜的工作環(huán)境下，都能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

03.英飛凌微控制器BIST介紹

在汽車的功能安全設(shè)計(jì)中，通常使用英飛凌AURIX TC3xx系列微控制器作為模塊的中央處理單元。本文對(duì)其內(nèi)部的BIST設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要解讀：

英飛凌 AURIX TC3xx系列的安全芯片中，設(shè)計(jì)四種BIST：

PMS：PBIST（Power Built-in Self Test）：電源內(nèi)置自測(cè)試，用于測(cè)試供電水平、電源功能和電壓監(jiān)控。

MCU：LBIST（Logic Built-in Self Test）：邏輯內(nèi)置自測(cè)試，用于檢測(cè)MCU數(shù)字邏輯中的潛在故障。

PMS：MONBIST（Monitor Built-in Self Test）：監(jiān)控器內(nèi)置自測(cè)試，用于覆蓋次級(jí)電壓監(jiān)控器和待機(jī)SMU報(bào)警路徑的潛在故障。

VMT：MBIST（Memory Built-in Self Test）：內(nèi)存內(nèi)置自測(cè)試，用于檢測(cè)SRAM單元中的故障。

◆ PBSIT測(cè)試

用于在微控制器（MCU）啟動(dòng)時(shí)檢測(cè)與電源供應(yīng)相關(guān)的故障。電源故會(huì)導(dǎo)致MCU行為不可預(yù)測(cè)，直接違反安全目標(biāo)。具體來(lái)說(shuō)，PBIST在冷啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)執(zhí)行，以測(cè)試供電水平、電源功能和電壓監(jiān)控器。這個(gè)測(cè)試對(duì)于確保MCU在啟動(dòng)階段能夠可靠地檢測(cè)電源相關(guān)問(wèn)題。

◆ LBSIT測(cè)試

用于檢測(cè)微控制器（MCU）數(shù)字邏輯中的潛在故障。LBIST通過(guò)應(yīng)用偽隨機(jī)模式，這些模式由偽隨機(jī)模式生成器（PRPG）生成，并應(yīng)用于全掃描電路，同時(shí)使用多輸入簽名寄存器（MISR）壓縮測(cè)試響應(yīng)的簽名。（默認(rèn)配置下，6ms）

◆ MONBSIT測(cè)試

用于在系統(tǒng)啟動(dòng)后執(zhí)行，以覆蓋次級(jí)電壓監(jiān)控器和待機(jī)SMU報(bào)警路徑的潛在故障。MONBIST在PBIST（Power Built-in Self Test）和PORST（Power-On Reset Signal）釋放后執(zhí)行，以確保這些關(guān)鍵監(jiān)控功能的正常運(yùn)行。

◆ MBSIT測(cè)試

用于檢測(cè)SRAM單元中的故障。每個(gè)任務(wù)周期內(nèi)執(zhí)行一次，在測(cè)試前需要使用正確的ECC數(shù)據(jù)初始化SRAM。在測(cè)試期間，SRAM不能被訪問(wèn)。測(cè)試模塊可以配置為執(zhí)行測(cè)試序列，其中所有由范圍定義的地址都會(huì)被讀取和寫入，遵循特定的測(cè)試模式。

04.總結(jié)

BIST機(jī)制作為安全芯片的重要組成部分，就像是芯片的“內(nèi)部醫(yī)生”，能夠隨時(shí)對(duì)芯片進(jìn)行自我檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在的故障。通過(guò)LBIST和MBIST兩大類機(jī)制，BIST能夠全面覆蓋芯片的數(shù)字邏輯電路和存儲(chǔ)器，確保芯片在各種復(fù)雜的工作環(huán)境下都能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。無(wú)論是英飛凌的AURIX TC3xx系列芯片，還是其他廠商如NXP的安全芯片，BIST機(jī)制都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。未來(lái)，隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，BIST機(jī)制也將不斷優(yōu)化和升級(jí)，為芯片的安全性和可靠性提供更強(qiáng)有力的保障。

作者：邊俊

磐時(shí)創(chuàng)始人/首席安全專家