蘇 琳，郎 猛

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽 110000）

1 引言

隨著消費(fèi)類電子產(chǎn)品和工業(yè)控制產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣，實(shí)時(shí)時(shí)鐘的需求也在不斷增加。在當(dāng)前國際形勢下，研發(fā)一種能適應(yīng)嚴(yán)苛環(huán)境的高精度、高集成度時(shí)鐘模塊的需求日漸迫切[1]。在芯片設(shè)計(jì)過程中，邏輯功能驗(yàn)證是其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，作為芯片封裝后的一種檢驗(yàn)手段，結(jié)合設(shè)計(jì)初期的邏輯仿真及后期的參數(shù)指標(biāo)測試，可最大限度發(fā)現(xiàn)芯片邏輯上、工藝上的錯(cuò)誤與缺陷，對減少流片次數(shù)、降低研制成本具有現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義。本研究中選用的時(shí)鐘模塊的計(jì)時(shí)范圍為100年，由于此功能的特殊性，在實(shí)際應(yīng)用中要完整驗(yàn)證是不可能的，因此需要探尋一種適當(dāng)可行的驗(yàn)證方法，以提供一種合理、快速的驗(yàn)證過程，為產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)提供測試手段[2]。

2 功能特點(diǎn)

研究中使用的時(shí)鐘模塊為筆者單位自行研制，具有高精度、斷電工作等特點(diǎn)，兼?zhèn)銻TC、日歷、鬧鐘報(bào)警、閏年補(bǔ)償、時(shí)間12/24小時(shí)格式切換、四個(gè)中斷輸出及可選擇頻率方波輸出等功能。為其設(shè)置114字節(jié)的靜態(tài)RAM存儲(chǔ)空間，并內(nèi)置鋰電池與頻率為32.768 kHz的柱形無源晶振，當(dāng)電源掉電，電路將檢測到主電源故障，可自動(dòng)切換到內(nèi)置備用電池供電。該模塊也支持Intel和Motorola兩鐘總線訪問模式，具有較高的集成度和環(huán)境適應(yīng)性[3]。

模塊包含四個(gè)控制寄存器，依次編號為A、B、C、D。控制寄存器A設(shè)置時(shí)間更新、振蕩器使能和方波/周期性頻率輸出速率；控制寄存器B為使能寄存器，主要包括周期性中斷使能、鬧鐘中斷使能、更新結(jié)束中斷使能、方波使能、夏令時(shí)使能；控制寄存器C為中斷標(biāo)志寄存器，主要包括中斷請求標(biāo)志、周期性中斷標(biāo)志、鬧鐘中斷標(biāo)志、更新結(jié)束中斷標(biāo)志；控制寄存器D主要檢測電池電量情況，用以判斷RTC和RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)是否可靠。

3 功能驗(yàn)證

3.1 周期頻率驗(yàn)證

寄存器A的位定義如表1所示。其中DV2、DV1、DV0是振蕩器控制位，“010”是唯一開啟振蕩器并使能計(jì)時(shí)鏈的組合形式，寫入后500 ms開始數(shù)據(jù)更新。11x組合將打開振蕩器，并使計(jì)時(shí)鏈保持在復(fù)位狀態(tài)，其他組合態(tài)將關(guān)閉振蕩器[4]。

表1 控制寄存器A

初次使用RTC涉及到振蕩器的打開操作，即設(shè)置DV2=0，DV1=1，DV0=0，其它流程默認(rèn)振蕩器已開啟。

周期性方波功能相當(dāng)一種可選擇的頻率發(fā)生器。寄存器A的RS3、RS2、RS1、RS0稱為速率選擇器，對應(yīng)15種輸入，可選擇13種獨(dú)立輸出；選擇器為“0”時(shí)為禁止輸出。設(shè)置選擇器（RS3、RS2、RS1、RS0）為n，則分頻數(shù)F(n)在不同取值下的形式如下：

當(dāng)n=0， F(n)=None；

當(dāng)1≤n≤2， F(n)=2(9-n)；

當(dāng)3≤n≤15，F(xiàn)(n)=2(16-n)。

因?yàn)镽TC模塊內(nèi)置晶振頻率為32.768 kHz，所以對RTC提供32768個(gè)脈沖即可模擬1 s周期的狀態(tài)。為了能精確驗(yàn)證計(jì)數(shù)鏈，在設(shè)計(jì)驗(yàn)證板卡時(shí)預(yù)留了程序脈沖接入端。

使用周期性中斷會(huì)使驗(yàn)證過程更高效便捷。如表2所示為寄存器B中的周期性中斷使能（PIE）；如表3所示為寄存器C中的周期性中斷標(biāo)志（PF）。兩者共同決定中斷是否發(fā)生。

表2 控制寄存器B

PF以寄存器A中RS3～RS0位指定的速率產(chǎn)生周期性置位。當(dāng)PIE置1，將允許中斷；清0時(shí)，阻止中斷，PF=PIE=1，使得中斷請求標(biāo)志IRQF置1，同時(shí)拉低IRQ并觸發(fā)中斷。PF位不可寫，可通過讀寄存器C或由RESET清除。

開啟周期性中斷，記錄1 s期間（以32768個(gè)脈沖模擬）的中斷次數(shù)，其數(shù)值應(yīng)與設(shè)定的分頻數(shù)一致，即選擇器（RS3、RS2、RS1、RS0）設(shè)定為n,分段函數(shù)F(n)的值等于中斷發(fā)生的次數(shù)，15組均符合則視為驗(yàn)證通過。

各個(gè)部分可能涉及不同的控制寄存器，以及其它存儲(chǔ)單元，作為兼容設(shè)計(jì)，在具體場合下還需參考相應(yīng)部分的描述，流程內(nèi)則以標(biāo)號形式引入，不做過多文字表述，有些只陳述方法。

3.2 時(shí)鐘和中斷鏈驗(yàn)證

實(shí)時(shí)時(shí)鐘的驗(yàn)證須結(jié)合更新結(jié)束中斷才更方便，因此，要用到寄存器B及寄存器C。

寄存器B中的更新使能位（SET）面向用戶層，便于讀寫操作。清0時(shí)，更新傳輸功能保持正常；置1時(shí)，禁止任何更新傳輸。用戶程序可以對時(shí)鐘和日歷字節(jié)進(jìn)行讀寫操作，而不會(huì)出現(xiàn)因時(shí)鐘跳變及進(jìn)位引起的讀寫錯(cuò)誤。更新結(jié)束中斷使能（UIE）為1，則允許對應(yīng)的更新結(jié)束中斷標(biāo)志（UF）驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生IRQ信號，SET變高，將屏蔽UIE位。數(shù)據(jù)模式（DM）位表示時(shí)鐘和日歷信息格式，DM=1為二進(jìn)制格式，為0則為BCD格式。24/12位決定小時(shí)字節(jié)的格式，1代表24小時(shí)制，0代表12小時(shí)制。夏令時(shí)設(shè)置位（DSE）置1時(shí)有效[5]。中斷請求標(biāo)志（IRQF）位在PF=PIE=1、AF=AIE=1、UF=UIE=1任一條件成立情況下，則IRQF=1；全部條件均不成立，則IRQF=0。更新結(jié)束中斷標(biāo)志（UF）為UF=UIE=1，使得IRQ信號變低并使IRQF置1，該位不可寫，可通過讀寄存器C或RESET變低清除。

對RTC時(shí)鐘管腳每發(fā)32768個(gè)脈沖，應(yīng)產(chǎn)生一次秒計(jì)數(shù)，并產(chǎn)生更新結(jié)束中斷，來檢查秒計(jì)數(shù)邏輯的正確性，從而在中斷處理程序中完成數(shù)據(jù)格式、范圍和計(jì)數(shù)功能驗(yàn)證。分鐘驗(yàn)證則“跳過”秒級計(jì)數(shù)，即每次預(yù)置seconds=59；小時(shí)驗(yàn)證則跳過秒和分計(jì)數(shù)，即每次預(yù)置seconds=59,minutes=59。使得分鐘和小時(shí)的每次計(jì)數(shù)時(shí)間等于秒周期，并且每一時(shí)段都能遍歷到，既驗(yàn)證了各段計(jì)數(shù)鏈，也驗(yàn)證了中斷鏈。通過這種方式，將顯著提高驗(yàn)證效率，且不損失邏輯的完備性。如圖1所示為完整的驗(yàn)證流程圖。

圖1 時(shí)鐘和中斷鏈驗(yàn)證流程圖

3.3 閏年、小時(shí)制與夏令時(shí)驗(yàn)證

閏年定義為普通年份數(shù)字可被4整除且不被100整除的、世紀(jì)年份數(shù)字可被400整除的。此處驗(yàn)證閏年2月份是否為29天，即驗(yàn)證從28天跳到29天的過程和29天跳到3月第1天的過程，亦即時(shí)間設(shè)置為閏年28日23:59:59跳一秒后驗(yàn)證其是否為29日00:00:00，再設(shè)置為29日23:59:59跳一秒后驗(yàn)證其是否為3月1日00:00:00。

12小時(shí)制PM/AM轉(zhuǎn)換時(shí)刻為12:59:59到1:00:00，驗(yàn)證方法同樣是檢驗(yàn)該跳點(diǎn)變化時(shí)刻的時(shí)間和狀態(tài)指示變化是否符合規(guī)則[6]。

寄存器的第0位是夏令時(shí)使能（DSE），可讀寫位，置1時(shí)產(chǎn)生兩次夏令時(shí)調(diào)整，即4月的第一個(gè)星期日，時(shí)間向前跳1小時(shí)，從1:59:59 AM變?yōu)?:00:00 AM。10月的最后一個(gè)星期日，時(shí)間向后退1小時(shí)，從1:59:59 AM變?yōu)?:00:00 AM。DSE清0，則表明為非夏令時(shí)狀態(tài)。時(shí)間可通過設(shè)置自動(dòng)判斷4月的第一個(gè)星期日和10月最后一個(gè)星期日。

3.4 日歷驗(yàn)證方法

日期驗(yàn)證：以隨機(jī)數(shù)方式選取年份（00～99），時(shí)間預(yù)置到每天的最后一秒。1月份按31天進(jìn)行遍歷，驗(yàn)證日期計(jì)數(shù)器是否正常；2月至12月份只驗(yàn)證月末日期自動(dòng)調(diào)整功能是否正常。

星期驗(yàn)證：只要遍歷連續(xù)7天的結(jié)果，符合星期數(shù)從1到7的循環(huán)遞增規(guī)律即可。

月份驗(yàn)證：從1遍歷到12，月份驗(yàn)證將時(shí)間預(yù)置到每個(gè)月的最后一秒時(shí)刻，年份按隨機(jī)數(shù)方式選取或取21。

年份驗(yàn)證：從0遍歷到99，年份驗(yàn)證則將時(shí)間預(yù)置到每年的最后一秒時(shí)刻。

預(yù)置1能跳過前端計(jì)數(shù)，減少無端耗時(shí)；預(yù)置2能快速抵達(dá)跳點(diǎn)位置，以檢驗(yàn)變化過程是否符合計(jì)數(shù)規(guī)則。二者皆為加速試驗(yàn)進(jìn)程。

3.5 鬧鐘驗(yàn)證

RTC中鬧鐘具有中斷功能，驗(yàn)證過程既需針對邏輯關(guān)系，也涉及到中斷鏈路。如圖2所示為鬧鐘驗(yàn)證流程。

圖2 鬧鐘驗(yàn)證流程圖

鬧鐘中斷使能（AIE）和鬧鐘中斷標(biāo)志（AF）共同決定中斷的發(fā)生。AF=AIE=1成立是中斷的條件，此刻IRQF置1，IRQ信號變低。

鬧鐘具有兩種形式[7]：一種是按設(shè)定時(shí)間發(fā)生的鬧鐘方式，每天發(fā)生一次，驗(yàn)證方法是采用隨機(jī)數(shù)來設(shè)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘。鬧鐘單元?jiǎng)t設(shè)成實(shí)時(shí)時(shí)鐘的下一秒，以期最短時(shí)間內(nèi)發(fā)生并記錄鬧鐘中斷，此過程重復(fù)若干次，可在一定程度上印證鬧鐘功能的有效性，極限做法是驗(yàn)證24小時(shí)任一秒時(shí)刻。

另一種則是設(shè)置隨意碼發(fā)生的鬧鐘方式。以設(shè)定的結(jié)果整點(diǎn)（或整分或整秒）發(fā)生。

為描述方便，設(shè)SEC、MIN、HOU為秒、分和時(shí)的鬧鐘單元。

整點(diǎn)方式：HOU=11xxxxxxB；

整分方式：HOU=MIN=11xxxxxxB；

整秒方式：HOU=MIN=SEC=11xxxxxxB。

以此類推，此處只給出隨意碼整秒方式流程。

4 功能驗(yàn)證與SPICE仿真

針對初樣樣品，以80C51單片機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一套驗(yàn)證板并通過上述驗(yàn)證方法基于C語言編寫驗(yàn)證流程，實(shí)現(xiàn)樣品的自動(dòng)檢測、自動(dòng)判斷，為后續(xù)生產(chǎn)中的批量測試提供參考依據(jù)。所設(shè)計(jì)驗(yàn)證板的電路原理如圖3所示。

圖3 驗(yàn)證板電路圖

以上述驗(yàn)證手段與流程為參照，編寫Verilog代碼，通過SPICE仿真軟件對芯片功能進(jìn)行后仿真，分別對小時(shí)、分鐘、天、周、月、年、閏年、24/12小時(shí)制、夏令時(shí)、鬧鐘、中斷等功能進(jìn)行驗(yàn)證。此處選取計(jì)時(shí)和夏令時(shí)仿真為例。

計(jì)時(shí)仿真：控制寄存器A中bit1位為24/12控制位，置1代表24小時(shí)模式，0代表12小時(shí)模式；bit2位為BCD和二進(jìn)制切換位，置1為二進(jìn)制格式，置2為BCD格式。在此采用24小時(shí)BCD格式的計(jì)時(shí)方式。為了得到更加全面的驗(yàn)證，設(shè)置仿真開始時(shí)間為2021年12月31日，仿真結(jié)束時(shí)間為2022年1月1日。計(jì)時(shí)仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 仿真開始時(shí)間

圖5 仿真結(jié)束時(shí)間

夏令時(shí)仿真：控制寄存器B的最低位DSE位可讀/寫位，置1時(shí)產(chǎn)生兩次夏令時(shí)調(diào)整。4月的第一個(gè)星期天，時(shí)間從1:59:59 AM調(diào)整到3:00:00 AM。10月的最后一個(gè)星期天，時(shí)間從1:59:59 AM變?yōu)?:00:00 AM。此處以4月份的夏令時(shí)為例，使能DSE，內(nèi)部邏輯會(huì)在午夜時(shí)判斷第一個(gè)星期天的條件，做出時(shí)間調(diào)整。夏令時(shí)仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 夏令時(shí)調(diào)整前時(shí)間

圖7 夏令時(shí)調(diào)整后時(shí)間

5 結(jié)束語

本驗(yàn)證方法適用于多種同類型的時(shí)鐘模塊或芯片。隨著研究的深入，通過對相關(guān)兼容產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)，邏輯關(guān)聯(lián)及中斷應(yīng)答機(jī)制的確認(rèn)都得到了實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也基本實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘模塊或芯片的全功能測試，為產(chǎn)品研制提供了有效的驗(yàn)證手段。然而由于驗(yàn)證項(xiàng)較多且具有時(shí)間接續(xù)性，會(huì)出現(xiàn)單片測試時(shí)間較長的情況，在大批量生產(chǎn)中建議抽取主要功能進(jìn)行測試。