李盛杰

(航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心 北京 100854)

UART測試技術(shù)研究*

李盛杰

(航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心 北京 100854)

通用異步收發(fā)器(UART)是一種串行的數(shù)據(jù)總線收發(fā)器,用于異步的高速串行通信。德州儀器公司生產(chǎn)的雙端口異步通用收發(fā)器TL16C752B因其高性能而應(yīng)用廣泛,論文以TL16C752B為樣本,通過分析雙端口異步通用收發(fā)器的電路結(jié)構(gòu),分析芯片的主要邏輯功能,研究了其邏輯功能、直流電參數(shù)、交流電參數(shù)的測試技術(shù),并在集成電路測試系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn),可用于提高電子系統(tǒng)的可靠性,并可推廣到其它通用異步收發(fā)器的測試。

通用異步收發(fā)器; 測試技術(shù); 功能測試

Class Number TP393

1 引言

通用異步收發(fā)器(UART)是一種串行的數(shù)據(jù)總線收發(fā)器,用于異步的高速串行通信。該總線可雙向通信,實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收,是電子系統(tǒng)中不可缺少的高速串行通信部件[1],對類器件的測試是產(chǎn)品可靠性保證的重要環(huán)節(jié),對其測試技術(shù)的研究具有重要的意義。

德州儀器公司(TI)推出的通用異步收發(fā)器TL16C752B是一款新型的雙端口UART,該器件內(nèi)置有兩套可獨(dú)立工作的UART系統(tǒng),并且具有64字節(jié)的發(fā)送緩沖器和64字節(jié)的接收緩沖器,能更好的實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)總線與并行數(shù)據(jù)總線高速轉(zhuǎn)換和設(shè)備的高速通信[2]。該芯片可使通信系統(tǒng)具有高實(shí)時(shí)性,可用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高校多串口通信,在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用,在UART中具有很高的代表性,也給測試環(huán)節(jié)增加了很大的難度[3～4]。

本文選取了TI公司的一款高性能雙端口通用異步收發(fā)器TL16C752B,詳細(xì)分析了雙端口異步通用收發(fā)器UART的電路結(jié)構(gòu),分析了通用異步收發(fā)器的邏輯功能,研究了通用異步收發(fā)器邏輯功能、直流電參數(shù)、交流電參數(shù)的測試技術(shù),并在集成電路測試系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

2 電路結(jié)構(gòu)

2.1 基本電路結(jié)構(gòu)

TL16C752B的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)包括并行數(shù)據(jù)總線接口、內(nèi)部晶振邏輯、預(yù)分頻可編程波特率發(fā)生器模塊、控制和狀態(tài)模塊、發(fā)送模塊、接受模塊和多個(gè)內(nèi)部寄存器,并且A、B兩個(gè)端口可以獨(dú)立控制,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。其引腳除“XTAL1”、“XTAL2”、“A0”、“A1”、“A2”、“IOW”、“IOR”、“RESET”外,A、B兩個(gè)端口均有不同的引腳,例如“TXA”、“TXB”、“INTA”、“INTB”等[5]。

圖1 TL16C752B內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制和狀態(tài)模塊

TL16C752B的控制和狀態(tài)模塊包含全局控制邏輯、DMA控制邏輯、寄存器控制邏輯、中斷控制邏輯和Modem控制邏輯等,可以通過對多個(gè)內(nèi)部寄存器的讀寫進(jìn)行控制邏輯的配置和狀態(tài)的讀取、判別。

2.3 預(yù)分頻可編程波特率發(fā)生器模塊

TL16C752B的發(fā)送和接收波特率是通過預(yù)分頻可編程波特率發(fā)生器模塊進(jìn)行控制的,其工作原理如圖2所示。首先由外部信號與內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生輸入時(shí)鐘,通過預(yù)分頻邏輯產(chǎn)生參考時(shí)鐘,最后由波特率發(fā)生器邏輯產(chǎn)生用于數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的內(nèi)部波特率時(shí)鐘[6]。

圖2 TL16C752B預(yù)分頻可編程波特率發(fā)生器工作原理

2.4 內(nèi)部寄存器

TL16C752B包含多個(gè)內(nèi)部寄存器,對不同寄存器的訪問是通過地址引腳完成的,但同一地址在讀、寫狀態(tài)下可能訪問不同的寄存器,且有些內(nèi)部寄存器是只讀或只寫的。另外有些內(nèi)部寄存器的訪問需要先對某些寄存器的內(nèi)容進(jìn)行配置后進(jìn)入特殊模式,然后在根據(jù)地址引腳的狀態(tài)進(jìn)行選擇,如表1所示。

表1 內(nèi)部寄存器

3 基本功能

雙端口通用異步收發(fā)器TL16C752B的主要功能是完成串行數(shù)據(jù)總線與并行數(shù)據(jù)總線之間的轉(zhuǎn)換以及實(shí)現(xiàn)一些中斷和與Modem交互的功能。TL16C752B的主要功能包括:重置功能、硬件控制傳輸功能、軟件控制傳輸功能、中斷功能和DMA功能。為了提高信號傳輸?shù)乃俣群拖到y(tǒng)運(yùn)行的效率,在TL16C752B的使用中會用到發(fā)送FIFO和接收FIFO,但該芯片可以通過FIFO控制寄存器FCR配置為無FIFO的單字節(jié)工作模式[7]。

3.1 重置功能

TL16C752B的重置是通過其“RESET”引腳來實(shí)現(xiàn)的,此引腳為高電平有效。重置后,接收保持寄存器RHR和接收保持寄存器THR的指針邏輯會被清空,寄存器IER、IIR、FIFO Rdy、LCR、MCR、LSR、MSR、EFR、TCR、TLR會被重置為固定狀態(tài),但寄存器DLL、DLH、SPR、Xon1、Xon2、Xoff1、Xoff2的內(nèi)容會保持不變,不會被重置。一般重置是使用該器件的第一步操作。

3.2 硬件控制傳輸功能

TL16C752B的硬件控制傳輸功能是通過外部引腳“RTS”來判別接收寄存器中的字節(jié)數(shù)與設(shè)置的停止觸發(fā)字節(jié)數(shù)、恢復(fù)觸發(fā)字節(jié)數(shù)的關(guān)系,通過引腳“CTS”來控制是否發(fā)送下一個(gè)字節(jié)。正常使用中,串行數(shù)據(jù)總線兩端負(fù)責(zé)發(fā)送和接收的一對異步收發(fā)器的引腳“RTS”與“CTS”是相連接的,將接收端異步收發(fā)器的接收FIFO的狀態(tài)反饋給發(fā)送端的異步收發(fā)器,用來控制發(fā)送端的異步收發(fā)器是否繼續(xù)發(fā)送串行數(shù)據(jù)。

3.3 軟件控制傳輸功能

TL16C752B的軟件控制傳輸功能是通過比較或發(fā)送寄存器Xoff1、Xoff2的內(nèi)容或其相與的結(jié)果來控制結(jié)束發(fā)送或結(jié)束接收,通過比較或發(fā)送寄存器Xon1、Xon2的內(nèi)容或其相與的結(jié)果來控制恢復(fù)發(fā)送或恢復(fù)接收。串行數(shù)據(jù)總線發(fā)送端的異步收發(fā)器通過比較接收到的數(shù)據(jù)與寄存器Xoff1、Xoff2、Xon1、Xon2的內(nèi)容來判別是否繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)串行數(shù)據(jù)總線接收端的接收保持寄存器的字節(jié)數(shù)超過停止觸發(fā)字節(jié)數(shù)時(shí),向外發(fā)送寄存器Xoff1、Xoff2的內(nèi)容或其相與的結(jié)果,當(dāng)接收保持寄存器的字節(jié)數(shù)回到繼續(xù)觸發(fā)字節(jié)數(shù)時(shí),向外發(fā)送寄存器Xon1、Xon2的內(nèi)容或其相與的結(jié)果。

3.4 中斷功能

TL16C752B芯片在數(shù)據(jù)傳輸過程中,滿足中斷條件時(shí),會產(chǎn)生中斷信號,引腳“INT”產(chǎn)生高電平信號輸出。TL16C752B芯片具有6類中斷,包含6級中斷優(yōu)先級,其中斷類型的使能是通過對中斷使能寄存器IER的配置實(shí)現(xiàn)的,不同種類中斷的編碼可以由中斷識別寄存器IIR讀出。

3.5 DMA功能

TL16C752B芯片的DMA功能分為兩種模式,單一DMA模式和塊DMA模式,通過FIFO控制寄存器FCR進(jìn)行配置。在單一DMA模式中,發(fā)送FIFO為空時(shí)引腳“TXRDY”輸出低電平信號,發(fā)送FIFO中有內(nèi)容時(shí)引腳“TXRDY”輸出高電平信號,接收FIFO中有內(nèi)容時(shí)引腳“RXRDY”輸出低電平信號,接收FIFO為空時(shí)引腳“RXRDY”輸出高電平信號。在塊DMA模式中,當(dāng)發(fā)送FIFO中的剩余空間達(dá)到發(fā)送觸發(fā)字節(jié)數(shù)時(shí)引腳“TXRDY”輸出低電平信號,當(dāng)發(fā)送FIFO無剩余空間時(shí)引腳“TXRDY”輸出高電平信號,當(dāng)接收FIFO中的內(nèi)容達(dá)到接收觸發(fā)字節(jié)時(shí)引腳“RXRDY”輸出低電平信號,當(dāng)接收FIFO為空時(shí)引腳“RXRDY”輸出高電平信號[8]。

4 測試方法及實(shí)現(xiàn)

集成電路的測試主要包括功能測試、直流電參數(shù)測試和交流電參數(shù)測試。對于雙端口通用異步收發(fā)器TL16C752B芯片,需要通過配置相應(yīng)寄存器來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能,而直流電參數(shù)測試和交流電參數(shù)測試都是先通過功能的實(shí)現(xiàn)來激發(fā)相應(yīng)的信號輸出后再完成參數(shù)測試的,因此TL16C752B芯片的功能測試是測試的重點(diǎn)和難點(diǎn),是整個(gè)測試的關(guān)鍵部分[9]。

4.1 功能測試

通過前文對TL16C752B芯片的電路結(jié)構(gòu)和基本功能的分析,根據(jù)TL16C752B器件手冊中描述的功能,該器件功能測試按順序包括:重置功能測試、內(nèi)部寄存器測試、串并行轉(zhuǎn)換傳輸測試、硬件控制功能測試、軟件控制功能測試、中斷功能測試、DMA功能測試。并且所有測試都應(yīng)涵蓋A、B兩個(gè)端口。

4.1.1 重置功能測試

通過集成電路測試系統(tǒng)對器件引腳“RESET”施加高電平,完成重置后,對該引腳施加低電平,然后對各內(nèi)部寄存器進(jìn)行訪問,并將結(jié)果與器件重置后內(nèi)部寄存器的復(fù)位狀態(tài)進(jìn)行比較,寄存器復(fù)位狀態(tài)如表2所示,其中寄存器FCR的狀態(tài)是不能被讀出的,需要在功能測試的其他項(xiàng)目中進(jìn)行測試。寄存器DLL、DLH、SPR、Xon1、Xon2、Xoff1、Xoff2是不能被重置復(fù)位的,其內(nèi)容不受重置狀態(tài)的影響,因此該功能需在內(nèi)部寄存器測試中進(jìn)行測試。

表2 內(nèi)部寄存器復(fù)位狀態(tài)

4.1.2 內(nèi)部寄存器測試

內(nèi)部寄存器測試即對寄存器進(jìn)行寫讀功能測試,但只能對可讀可寫寄存器IER、LCR、MCR、SPR、DLL、DLH、EFR、Xon1、Xon2、Xoff1、Xoff2、TCR、TLR進(jìn)行寫讀測試,其它只寫或只讀寄存器RHR、THR、FCR、IIR、LSR、MSR、FIFO Rdy則在其它測試項(xiàng)目中對寄存器進(jìn)行配置時(shí)測試。一部分寄存器的訪問時(shí)通過寄存器地址和其它寄存器的配置完成的,因此為了更準(zhǔn)確地定位故障點(diǎn),內(nèi)部寄存器的測試需要有先后順序。寄存器LCR、SPR是可以直接通過地址進(jìn)行訪問的,因此在內(nèi)部寄存器的測試順序中排在最前端。寄存器DLL、DLH、EFR、Xon1、Xon2、Xoff1、Xoff2的訪問需要寄存器地址與寄存器LCR共同完成,因此這些寄存器的測試順序排在第二位。寄存器IER、MCR的個(gè)別位的訪問需要寄存器地址和寄存器EFR共同完成,順序排在第三位。寄存器TCR、TLR的訪問需要寄存器地址和寄存器EFR、MCR功能完成,寄存器FIFO Rdy需要寄存器地址與寄存器MCR共同完成,因此寄存器TCR、TLR、FIFO Rdy的測試順序排在最后。同時(shí)可對重置功能中未被測試的寄存器DLL、DLH、SPR、Xon1、Xon2、Xoff1、Xoff2進(jìn)行測試,判別是否這些寄存器的內(nèi)容不會因重置操作而改變。

4.1.3 串并行轉(zhuǎn)換傳輸測試

串并行轉(zhuǎn)換傳輸測試是為了測試TL16C752B的基本串行并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換傳輸功能,因此采用無FIFO的單字節(jié)模式進(jìn)行。測試時(shí)首先重置芯片,重置后FIFO控制寄存器的復(fù)位內(nèi)容即為無FIFO模式,然后通過配置寄存器LCR、EFR、MCR對預(yù)分頻器的分頻數(shù)進(jìn)行設(shè)置,通過配置寄存器LCR、DLL、DLH對可編程波特率發(fā)生器的除數(shù)進(jìn)行設(shè)置,通過配置寄存器LCR對數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位進(jìn)行設(shè)置,最后實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)總線和并行數(shù)據(jù)總線之間的相互轉(zhuǎn)換,通過對比串行數(shù)據(jù)與并行數(shù)據(jù)的內(nèi)容時(shí)候一致進(jìn)行測試。同時(shí)可對內(nèi)部寄存器測試中沒有進(jìn)行測試的寄存器RHR、THR、LSR進(jìn)行測試。

4.1.4 硬件控制功能測試

重置芯片后,配置FIFO控制寄存器FCR進(jìn)入FIFO模式,配置增強(qiáng)特征寄存器EFR設(shè)置接收或發(fā)送的硬件控制模式,配置觸發(fā)水平寄存器TCR,設(shè)置預(yù)分頻器、可編程波特率發(fā)生器、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位,然后進(jìn)行串行數(shù)據(jù)與并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換傳輸功能,測試引腳“RTS”的輸出信號是否能正常反饋接收保持寄存器的狀態(tài),測試引腳“CTR”時(shí)候能正常控制發(fā)送狀態(tài)。

4.1.5 軟件控制功能測試

重置芯片后,配置FIFO控制寄存器FCR進(jìn)入FIFO模式,配置增強(qiáng)特征寄存器EFR設(shè)置軟件控制模式的比較或發(fā)送關(guān)鍵字節(jié)的組合形式,配置寄存器Xon1、Xon2、Xoff1、Xoff2設(shè)置比較或發(fā)送關(guān)鍵字節(jié)的基本內(nèi)容,設(shè)置停止觸發(fā)字節(jié)數(shù)、恢復(fù)觸發(fā)字節(jié)數(shù)、預(yù)分頻器、可編程波特率發(fā)生器、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位,然后進(jìn)行串行數(shù)據(jù)與并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換傳輸功能。測試器件接收串行數(shù)據(jù)時(shí),接收保持寄存器的內(nèi)容時(shí)候在達(dá)到停止觸發(fā)字節(jié)數(shù)或恢復(fù)觸發(fā)字節(jié)數(shù)后,會發(fā)送正確的關(guān)鍵字節(jié)內(nèi)容。測試器件發(fā)送串行數(shù)據(jù)時(shí),接收到關(guān)鍵字節(jié)內(nèi)容后,是否能停止或恢復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.1.6 中斷功能測試

重置芯片后,配置中斷使能寄存器IER設(shè)置6類中斷的使能,然后對器件施加不同的中斷源,監(jiān)控引腳“INT”的輸出信號,測試中斷狀態(tài)的進(jìn)入和恢復(fù)是否與中斷源的產(chǎn)生和中斷恢復(fù)條件的達(dá)成相符,以及中斷識別寄存器IIR的內(nèi)容是否與中斷類型相符[10]。測試的中斷類型包括接受線狀態(tài)中斷、接收超時(shí)中斷、RHR中斷、THR中斷、Modem狀態(tài)中斷、Xoff中斷和CTS、RTS中斷。同時(shí)可對內(nèi)部寄存器測試中沒有進(jìn)行測試的寄存器IIR、MSR進(jìn)行測試。

4.1.7 DMA功能測試

重置芯片后,配置FIFO控制寄存器FCR設(shè)置DMA的模式,并分別對單一DMA模式和塊DMA模式進(jìn)行測試。分別測試當(dāng)接收FIFO、發(fā)送FIFO的字節(jié)數(shù)達(dá)到規(guī)定字節(jié)數(shù)時(shí),引腳“RXRDY”、“TXRDY”的輸出信號是否與DMA狀態(tài)一致。同時(shí)可對內(nèi)部寄存器測試中沒有進(jìn)行測試的寄存器FIFO Rdy進(jìn)行測試。

4.2 直流電參數(shù)測試

TL16C752B芯片的直流電參數(shù)測試與一般數(shù)字集成電路的測試方法一致,均為根據(jù)器件手冊規(guī)定的條件施加激勵,使器件達(dá)到規(guī)定的狀態(tài),然后對其直流參數(shù)進(jìn)行測試。使器件達(dá)到規(guī)定狀態(tài)的途徑可參照功能測試的方法,選取其中一種途徑即可。

4.3 交流電參數(shù)測試

TL16C752B芯片的交流電參數(shù)測試也與一般數(shù)字集成電路的測試方法一致,可以在功能測試中通過時(shí)序的設(shè)置完成測試,也可通過搜索掃描法進(jìn)行測試,輸出交流參數(shù)還可用交流參數(shù)測試模塊直接測量。測試過程所需的功能可參照功能測試的方法,選取其中一種途徑即可。

5 結(jié)語

通用異步收發(fā)器應(yīng)用與電子系統(tǒng)的高速串行通信,德州儀器公司生產(chǎn)的雙端口異步通用收發(fā)器TL16C752B因其高性能而應(yīng)用廣泛。本文以TL16C752B為樣本,通過分析雙端口異步通用收發(fā)器UART的電路結(jié)構(gòu),分析UART的主要邏輯功能,研究了其邏輯功能、直流電參數(shù)、交流電參數(shù)的測試技術(shù),并在集成電路測試系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn),可用于提高電子系統(tǒng)的可靠性,該方法可廣泛應(yīng)用于UART類器件的電參數(shù)測試。

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Test Technology of UART

LI Shengjie

(Defense Technology Research and Test Center of China Aerospace Science & Industry Corporation, Beijing 100854)

Universal asynchronous receiver/transmitter (UART) is a kind of serial data bus receiver and transmitter which is used for high speed serial communication. TL16C752B, a dual port UART which is developed by Texas Instruments is widely used because of its high performance. Through the research of TL16C752B which is a sample of UART, the structure and the main logic functions of UART is analyzed, and the test technology of logic function and electrical characteristics is researched. The test technology can be used to improve the reliability of electronic systems and can be in tests of other UART ICs.

UART, test technology, function test

2016年9月8日,

2016年10月25日

李盛杰,男,碩士研究生,工程師,研究方向:集成電路測試技術(shù)。

TP393

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.040