寫在前面：

在安全芯片的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證過程中，工程師常會遇到一個關(guān)鍵概念——BIST（Built-In Self-Test，內(nèi)置自檢測）。初次接觸這一術(shù)語時，許多人容易將其簡單理解為“芯片內(nèi)部的自動化測試功能”，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)時檢測潛伏故障、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)級風(fēng)險。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（Built-In Self-Test，簡稱BIST）是一種通過在芯片內(nèi)部集成專用測試電路，實(shí)現(xiàn)自主生成測試向量、執(zhí)行檢測并分析結(jié)果的診斷技術(shù)。其核心目標(biāo)是通過周期性的自檢，及時發(fā)現(xiàn)由制造缺陷、老化或環(huán)境應(yīng)力（如輻射、溫度波動）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)，時刻在城堡內(nèi)巡邏，檢查每一個角落，確保城堡的安全。這支巡邏隊(duì)由三個主要部分組成：測試向量生成器（TPG，test pattern generator）、輸出響應(yīng)分析器（ORA，output response analyzer）和內(nèi)建自測試控制器（BIST controller）。

◆ TPG（test pattern generator）測試向量生成器

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

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

它是巡邏隊(duì)中的“分析師”，對待測電路的輸出進(jìn)行壓縮對比，來確定電路是否有錯誤。

◆ BIST controller 內(nèi)建自測試控制器

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

BIST解決的故障類型為未被檢測到的多點(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，該故障與另一個獨(dú)立故障結(jié)合后，未能檢測或感知。

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”，時刻守護(hù)著芯片的安全。它的主要目的是在芯片運(yùn)行過程中，及時發(fā)現(xiàn)那些潛伏的故障（Latent Faults），并在發(fā)現(xiàn)故障時，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)置自測試）和MBIST（Memory Built-in Self Test，內(nèi)存內(nèi)置自測試）。

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

LBIST就像是芯片內(nèi)部的“邏輯偵探”，專門負(fù)責(zé)檢測芯片數(shù)字邏輯中的潛在故障。它通過應(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，就像偵探會走遍每一個可能的線索路徑一樣。

同時，在測試過程中LBIST會使用多輸入簽名寄存器（MISR）對測試響應(yīng)進(jìn)行壓縮。MISR就像是一個“數(shù)據(jù)壓縮機(jī)”，能夠?qū)⒋罅康臏y試數(shù)據(jù)簡化為一個較短的簽名值，這個值代表了測試結(jié)果。最后，LBIST會將實(shí)際得到的簽名值與設(shè)計(jì)時通過模擬測試確定的預(yù)期簽名值進(jìn)行比對。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，說明電路中存在故障。此時，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通過一個偽隨機(jī)模式生成器（PRPG）產(chǎn)生偽隨機(jī)測試向量。這些向量看起來是隨機(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）對測試向量的響應(yīng)進(jìn)行壓縮。MISR能夠?qū)⒋罅康臏y試數(shù)據(jù)簡化為一個較短的簽名值，這個值代表了測試結(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。預(yù)期的簽名值通常是在設(shè)計(jì)時通過模擬測試確定的，它代表了電路在無故障時的響應(yīng)。

4）如果實(shí)際簽名值與預(yù)期簽名值不匹配，說明電路中存在故障。檢測到故障后，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)置自測試

MBIST則是芯片內(nèi)部的“內(nèi)存衛(wèi)士”，專門用于檢測存儲器故障，如SRAM單元中的故障。存儲器就像是芯片的“記憶庫”，如果記憶庫出現(xiàn)問題，整個芯片的功能都會受到影響。MBIST通過包含測試電路用于加載、讀取和比較測試圖形，來確保存儲器的正常工作。

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“測試工具”，能夠全面檢測存儲器的各個部分。MBIST的測試框架主要由測試控制、硬件向量生成和比較器三部分組成。測試控制就像是MBIST的“指揮官”，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個測試過程；硬件向量生成則像是“測試工具”的“制造者”，負(fù)責(zé)生成各種測試向量；比較器則像是“測試工具”的“使用者”，負(fù)責(zé)對比測試結(jié)果，判斷存儲器是否存在問題。

MBIST測試的框架由測試控制、硬件向量生成、比較器組成。

1）測試控制模塊是MBIST測試框架的核心，負(fù)責(zé)管理整個測試過程。當(dāng)測試控制模塊接收到開始測試的指令后，首先會切換存儲器的輸入輸出到測試模式，同時啟動硬件向量生成模塊開始產(chǎn)生和給出測試激勵，同時計(jì)算存儲器的輸出期待值。

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

3）比較器用于將存儲器單元返回的數(shù)據(jù)和原始輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。當(dāng)存儲器被測試時和讀取數(shù)據(jù)時，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”，共同保障芯片的穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)的安全。它們各自針對不同的電路部分，發(fā)揮著不可或缺的作用。通過BIST機(jī)制，芯片能夠及時發(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。本文對其內(nèi)部的BIST設(shè)計(jì)進(jìn)行簡要解讀：

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)置自測試，用于測試供電水平、電源功能和電壓監(jiān)控。

MCU：LBIST（Logic Built-in Self Test）：邏輯內(nèi)置自測試，用于檢測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)置自測試，用于覆蓋次級電壓監(jiān)控器和待機(jī)SMU報警路徑的潛在故障。

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

◆ PBSIT測試

用于在微控制器（MCU）啟動時檢測與電源供應(yīng)相關(guān)的故障。電源故會導(dǎo)致MCU行為不可預(yù)測，直接違反安全目標(biāo)。具體來說，PBIST在冷啟動時自動執(zhí)行，以測試供電水平、電源功能和電壓監(jiān)控器。這個測試對于確保MCU在啟動階段能夠可靠地檢測電源相關(guān)問題。

◆ LBSIT測試

用于檢測微控制器（MCU）數(shù)字邏輯中的潛在故障。LBIST通過應(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，同時使用多輸入簽名寄存器（MISR）壓縮測試響應(yīng)的簽名。（默認(rèn)配置下，6ms）

◆ MONBSIT測試

用于在系統(tǒng)啟動后執(zhí)行，以覆蓋次級電壓監(jiān)控器和待機(jī)SMU報警路徑的潛在故障。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測試

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

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”，能夠隨時對芯片進(jìn)行自我檢查，及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在的故障。通過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，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，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

磐時創(chuàng)始人/首席安全專家