寫在前面：

在安全芯片的設計與驗證過程中，工程師常會遇到一個關鍵概念——BIST（Built-In Self-Test，內置自檢測）。初次接觸這一術語時，許多人容易將其簡單理解為“芯片內部的自動化測試功能”，甚至誤認為其僅用于生產階段的缺陷篩查。然而，BIST機制的核心價值遠不止于此：它不僅是芯片功能安全的“第一道防線”，更是實時檢測潛伏故障、保障系統可靠運行的關鍵設計。

在功能安全標準（如ISO 26262、IEC 61508）中，BIST被明確列為“硬件診斷機制”的重要組成部分。若對其設計原理和分類缺乏深入理解，可能導致安全機制覆蓋率不足，甚至引發系統級風險。因此，本文將帶你深入了解BIST機制的奧秘，讓你明白它是如何在芯片的世界里發揮著至關重要的作用。

01.什么是BIST

內置自檢測（Built-In Self-Test，簡稱BIST）是一種通過在芯片內部集成專用測試電路，實現自主生成測試向量、執行檢測并分析結果的診斷技術。其核心目標是通過周期性的自檢，及時發現由制造缺陷、老化或環境應力（如輻射、溫度波動）引發的潛伏故障（Latent Faults），確保芯片在生命周期內始終滿足功能安全要求。

想象一下，如果芯片是一個復雜的城堡，那么BIST就像是城堡內部的一支巡邏隊，時刻在城堡內巡邏，檢查每一個角落，確保城堡的安全。這支巡邏隊由三個主要部分組成：測試向量生成器（TPG，test pattern generator）、輸出響應分析器（ORA，output response analyzer）和內建自測試控制器（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)輸出響應分析器

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

◆ BIST controller 內建自測試控制器

它是巡邏隊的“指揮官”，控制何時將什么樣的數據用到被測電路上，控制被測電路的時鐘并決定何時讀取預期響應。

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

· 系統執行任務邏輯中存在多點故障，它們不能被檢測或感知。

·系統本身設計的安全機制出現故障，該故障與另一個獨立故障結合后，未能檢測或感知。

在微控制器（MCU）等安全芯片的設計和應用中，BIST機制就像是芯片的“守護神”，時刻守護著芯片的安全。它的主要目的是在芯片運行過程中，及時發現那些潛伏的故障（Latent Faults），并在發現故障時，迅速采取相應的安全措施，如系統重啟或進入安全狀態等，確保芯片的穩定運行和數據的安全。

02.BIST類別

BIST機制就像是芯片內部的“多面手”，能夠應對各種不同的故障類型。根據芯片內部電路的不同特點，BIST機制主要分為兩大類：LBIST（Logic Built-in Self Test，邏輯內置自測試）和MBIST（Memory Built-in Self Test，內存內置自測試）。

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

LBIST就像是芯片內部的“邏輯偵探”，專門負責檢測芯片數字邏輯中的潛在故障。它通過應用偽隨機模式，這些模式由偽隨機模式生成器（PRPG）生成，并像電流一樣，應用于全掃描電路。這些偽隨機模式雖然看似隨機，但實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）對測試響應進行壓縮。MISR就像是一個“數據壓縮機”，能夠將大量的測試數據簡化為一個較短的簽名值，這個值代表了測試結果。最后，LBIST會將實際得到的簽名值與設計時通過模擬測試確定的預期簽名值進行比對。如果實際簽名值與預期簽名值不匹配，就像偵探發現線索與預期不符一樣，說明電路中存在故障。此時，芯片可以采取相應的措施，如系統重啟或進入安全狀態等。

1）LBIST通過一個偽隨機模式生成器（PRPG）產生偽隨機測試向量。這些向量看起來是隨機的，但實際上是由確定性算法生成的。在全掃描電路設計中，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）對測試向量的響應進行壓縮。MISR能夠將大量的測試數據簡化為一個較短的簽名值，這個值代表了測試結果。

3）得到的簽名值（也稱為特征值）需要與預期的簽名值進行比對。預期的簽名值通常是在設計時通過模擬測試確定的，它代表了電路在無故障時的響應。

4）如果實際簽名值與預期簽名值不匹配，說明電路中存在故障。檢測到故障后，MCU可進行系統重啟、進入安全狀態等措施。

2. MBIST（Memory Built-in Self Test）：內存內置自測試

MBIST則是芯片內部的“內存衛士”，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”，負責協調整個測試過程；硬件向量生成則像是“測試工具”的“制造者”，負責生成各種測試向量；比較器則像是“測試工具”的“使用者”，負責對比測試結果，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，負責管理整個測試過程。當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生和給出測試激勵，同時計算存儲器的輸出期待值。

2）硬件向量生成模塊負責生成用于內存測試的測試向量。這些測試向量由MBIST內部邏輯生成，相應模塊可以與被測試的存儲器一同工作在內部功能時鐘下，無需由機臺慢速時鐘移入測試向量，可節省大量的測試時間。

3）比較器用于將存儲器單元返回的數據和原始輸入數據進行比較。當存儲器被測試時和讀取數據時，比較器的輸入應該是相同的數據。

在實際應用中，LBIST和MBIST就像是芯片內部的“雙保險”，共同保障芯片的穩定運行和數據的安全。它們各自針對不同的電路部分，發揮著不可或缺的作用。通過BIST機制，芯片能夠及時發現并處理潛在的故障，確保在各種復雜的工作環境下，都能夠穩定可靠地運行。

03.英飛凌微控制器BIST介紹

在汽車的功能安全設計中，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。本文對其內部的BIST設計進行簡要解讀：

英飛凌 AURIX TC3xx系列的安全芯片中，設計四種BIST：

PMS：PBIST（Power Built-in Self Test）：電源內置自測試，用于測試供電水平、電源功能和電壓監控。

MCU：LBIST（Logic Built-in Self Test）：邏輯內置自測試，用于檢測MCU數字邏輯中的潛在故障。

PMS：MONBIST（Monitor Built-in Self Test）：監控器內置自測試，用于覆蓋次級電壓監控器和待機SMU報警路徑的潛在故障。

VMT：MBIST（Memory Built-in Self Test）：內存內置自測試，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相關的故障。電源故會導致MCU行為不可預測，直接違反安全目標。具體來說，PBIST在冷啟動時自動執行，以測試供電水平、電源功能和電壓監控器。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問題。

◆ LBSIT測試

用于檢測微控制器（MCU）數字邏輯中的潛在故障。LBIST通過應用偽隨機模式，這些模式由偽隨機模式生成器（PRPG）生成，并應用于全掃描電路，同時使用多輸入簽名寄存器（MISR）壓縮測試響應的簽名。（默認配置下，6ms）

◆ MONBSIT測試

用于在系統啟動后執行，以覆蓋次級電壓監控器和待機SMU報警路徑的潛在故障。MONBIST在PBIST（Power Built-in Self Test）和PORST（Power-On Reset Signal）釋放后執行，以確保這些關鍵監控功能的正常運行。

◆ MBSIT測試

用于檢測SRAM單元中的故障。每個任務周期內執行一次，在測試前需要使用正確的ECC數據初始化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

BIST機制作為安全芯片的重要組成部分，就像是芯片的“內部醫生”，能夠隨時對芯片進行自我檢查，及時發現并處理潛在的故障。通過LBIST和MBIST兩大類機制，BIST能夠全面覆蓋芯片的數字邏輯電路和存儲器，確保芯片在各種復雜的工作環境下都能穩定可靠地運行。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機制都發揮著至關重要的作用。未來，隨著芯片技術的不斷發展，BIST機制也將不斷優化和升級，為芯片的安全性和可靠性提供更強有力的保障。

作者：邊俊

磐時創始人/首席安全專家