Aurix TC3xx功能安全系列专题（一） LBIST逻辑自检

引言

众所周知，ISO26262-2018第5章节对安全相关的组件提出了单点故障和潜在故障要求，下表为其在不同ASIL等级下潜在失效的量化指标:

英飞凌Aurix TC3xx作为满足ASIL D的32位高性能MCU，提供了大量安全机制来覆盖MCU不同的失效模式。针对潜在失效部分，TC3xx有PBIST（电源自检），LBIST (逻辑自检), MBIST(内存自检)，MONBIST(二级电压监控自检)等特性来满足客户系统级的功能安全需求。本文主要介绍TC3xx的逻辑自检功能。

1. LBIST的检测范围

LBIST检测的范围主要包括以下内容：

1) 所有数字模块, 除了PMS子模块，包括：

CPU
外设
Port(Pad除外)
HSM
PMS的寄存器接口(EVR，SCR WUT，SMU_STDBY..)

2) 所有安全机制的检测，包括：

SRAM ECC
Pflash ECC
MPU
Bus SM
SMU Alarms
SMU_Core

因此，不需要额外的软件来Cover这部分安全机制

Tips：值得注意的是, LBIST虽然不检测SRAM，PFLASH以及DFLASH(这些是MBIST测试的内容)，但是，SRAM的冗余寄存器在Scan Chain里面, 因此LBIST测试执行完成之后 ，SRAM的内容是不可靠的，需要被重新初始化。默认情况下，SRAM会在冷启动复位的时候被重新初始化(除非改变HF_PROCONRAM.RAMIN的配置)

2. LBIST Controller的结构和配置

2.1 LBIST Controller的结构

通常来说，BIST测试电路包括三部分内容，TPG(Test Pattern Generation)，ORA(Output Response Analyzer)，以及BIST Controller。在Aurix TC3xx中，其对应关系如下:

TRG --- TC3xx采用的是伪随机Pattern发生器PRPG，通过LFSR(线性反馈移位寄存器)来产生伪随机的测试向量；

ORA --- TC3xx采样的是Compactor + MISR， Compactor模块可以对测试的结果通过异或门进行压缩，并最终产生MISR签名。用于与期望的签名值进行比较；

BIST Controller --- TC3xx采用的是LBIST Controller，通过几个主要的LBIST控制寄存器来实现诸如Seed，Pattern等参数的配置。具体结构示意图如下：

2.2 LBIST Controller的配置

客户在使用的时候, 需要根据自身的需求，对LBISTCTRLx(x=0-3)这四个寄存器进行配置，然后通过BMI的方式或者软件触发的方式来开启LBIST测试。首先，PRPG开始对Pattern进行转换，通过Scan Chains扫描通道对逻辑电路部分进行测试，测试的结果经过压缩后从MISR(多输入签名寄存器)输出测试的签名结果，存放在相应的寄存器当中，用于后续客户与期望的签名进行比较，从而判断LBIST测试是否成功。 LBISTCTRLx(0-3)的定义如下图：

其中比较关键的几个寄存器的位如下：

1) LBISTCTRL0.PATTERNS: 决定执行的LBIST Pattern的个数

2) LBISTCTRL0.LBISTREQ/LBISTREQRED: 这两个位域设置为1则触发LBIST

3) LBISTCTRL0.LBISTRES: 设置为1可以复位LBIST Controller，复位之后， LBISTDONE会被清零，SIGNATURE值也会被清零

4) LBISTCTRL0.LBISTDONE：用于表征LBIST Controller的执行状态，0表示自从上次Power on Reset之后没有LBIST执行，1表示至少有一次成功执行完了LBIST测试

3. LBIST的触发方式

LBIST检测支持两种触发方式，一种是通过BMI配置触发，另一种是软件触发。

3.1 BMI触发

Aurix TC3xx在上电的时候会检测有效的BMHD，其内部的BMI结构中包含了LBIST是否使能的信息，如果LBISTENA位设置为1，则TC3xx在SSW运行的过程中会触发LBIST自检。否则不进行该操作。BMI的结果如下图所示：

UCB_SSW的区域会存放LBIST相关配置寄存器的值，在上电的时候加载到实际的SCU_LBISTCTRLx寄存器当中。

值得注意的是，其中SCU_LBISTCTRL1的第27bit, BODY位是由HWCFG6引脚的电平决定

HWCFG6配置为低电平 --- BODY = 1

HWCFG6配置为高电平 --- BODY = 0

但是HWCFG6的电平不会影响UCB_SSW的结果，而是直接锁存到真实的SCU_LBISTCTRL1当中。UCB_SSW里面的内容定义如下图所示：

下图是实际观测到的UCB_SSW里面的LBIST寄存器的配置：

可以看到它只支持Configuration A的配置。针对Configuration A的定义，可以在各个芯片具体的Appendix UM里面找到，以TC39x为例：

3.2软件触发

软件触发是通过手动配置相关寄存器来实现LBIST测试，具体操作步骤如下：

先将LBISTCTRL0寄存器的LBISTRES寄存器置1，来复位LBIST Controller，这时候LBIST相关的结果寄存器都会清除，可以通过读取LBISTCTRL0.LBISTDONE是否为0判断
通过配置SCU_LBISTCTRL1来选择相应的BODY， SCU_LBISTCTRL2可以不配置, 采用默认值
配置SCU_LBISTCTRL0，需要将LBISTREQRED和LBISTREQ bit都置1，这样就会触发LBIST的测试。

无论硬件BMI的方式触发，还是软件触发，在执行完LBIST测试之后，系统都会自动进行warm reset。所以对于冷启动的LBIST测试而言，该测试的执行时序越靠前，整体的系统初始化时间越短。

4. LBIST的执行与结果判定

当采用BMI触发LBIST或者软件触发LBIST测试之后， LBIST分别会在SSW和Application SW里面执行相应的LBIST测试。对于Configuration A的LBIST测试，其执行时间大概是6ms左右。如果测试过程中有任何异常，则TC3xx的复位状态寄存器RSTSTAT的LBPORST位会被置1，否则硬件会自动触发LBIST复位，Aurix的复位状态寄存器中的LBTERM位会被置1，根据这一位的信息确定上次的复位类型是LBIST复位。

再次基础上，客户软件去检查LBIST的测试结果，通过读取LBISTCTRL3寄存器的值，与期望的值进行比较，如果与期望值一致，则测试通过，否则测试不通过。

一般而言，推荐客户在第一次上电的时候，使用硬件BMI的方式触发LBIST测试，如果发现测试不通过，则在用户软件里面通过软件触发的方式进行一次或多次重复测试，如果三次测试仍然失败，这时候有理由怀疑芯片本身可能存在失效的风险，客户需要根据自己的系统功能定义采取进一步的措施。

Tips： 因为LBIST测试会触发复位，此时RAM中的数据会丢失，建议客户将LBIST测试次数的counter计数放到LMU中。