【芯片测试】：6. 向量、Sequencer 指令与高速串行 IO

Pattern 详解：向量、Sequencer 指令与高速串行 IO

系列： Advantest V93000 SmarTest 8 核心概念解析｜第 6 篇（共 8 篇）
适合读者： 需要理解数字测试激励数据结构的工程师

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前言

Pattern（模式）是 SmarTest 测试中最"庞大"的数据单元，可能包含数亿个向量，占据数 GB 的存储空间。理解 Pattern 的结构，不仅关系到写出正确的测试，更关系到如何在有限的测试机内存中高效组织数据。

本篇覆盖三个层次：

1. 基础：Pattern 的文件结构、Vector 的格式、Signal Group
2. 存储：向量内存的硬件组织与优化（Memory Pooling）
3. 高级：SOC 多核测试的 Virtual Pattern，以及高速串行接口的 Link Scale / HSIO

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一、Pattern 的基本结构

一个 Pattern 是**向量序列（vectors）和 Sequencer 指令（sequencer instructions）**的组合，存储为 .pat 文件（本质是 zip 压缩包，包含多个子文件）：

pattern_file.pat (zip archive)
    ├── program     ← Sequencer 指令（循环、跳转、Action 锚点等）
    ├── vectors     ← 向量数据（状态字符阵列）
    ├── comments    ← 注释（可选）
    └── metadata    ← 元数据（可选）

Vector（向量）

Vector 是一个状态字符的线性数组，每个位置对应一个 DUT 信号（或信号组）在当前 device cycle 的波形。

向量示例（5个信号，向量编号31245）：

信号:  CLK  DATA0  DATA1  RESETn  IO_OUT
向量:   1     0      1      H       X

含义：CLK 驱动高，DATA0 驱动低，DATA1 驱动高，
      RESETn 输出期望高，IO_OUT 不关心（don't care）

每个状态字符（如 0、1、H、L、X、Z）都在 wavetable 中有对应的波形定义（参见第 4 篇）。每个向量中，每个信号必须有且仅有一个状态字符。

Pattern 可以用在哪里

• 直接绑定在 Test Suite 上：最简单用法，一个 test suite 直接指定一个 pattern
• 通过 Operating Sequence 调用：多个 pattern 和 action 按时序编排后，由 test suite 使用 operating sequence

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二、Signal Group in Pattern：批量广播

什么是 Signal Group

Signal Group 允许把多个拥有相同波形需求的信号合并成一个"组"，在 pattern 中只写一列状态字符，SmarTest 自动将该状态字符广播给组内所有信号。

适用场景

场景 1：多核 SOC 中的相同 IP 核

例如一个 DUT 上有 16 个 CPU core，每个 core 的 CLK 信号都需要相同的时钟波形。使用 signal group IO07_CPU，将 16 个 CLK 信号合并，pattern 中只写一列。

场景 2：多个相同功能模块

PCIe 接收信号组 RXp3 包含 8 路 PCIe 信号，测试时发送相同激励，使用 signal group 可以大幅减少 pattern 的列数和 binding 时间。

内存的注意点

虽然一个 signal group 在 pattern 中看起来只有一列，但底层每个信号仍然有自己独立的 pogo pin 和向量内存 。数据在 binding 时被复制到每个信号各自的内存中。如果要避免这种内存复制，需要使用 Pin Scale Intra-site Memory Sharing（同一 channel group 内存共享）。

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三、Sequencer 指令：控制 Pattern 执行流程

Pattern 不是线性播放的，Sequencer 指令可以在向量中插入控制流：

指令类别	功能
Loop / Repeat	重复执行一段向量 N 次
GenVec	生成并执行 N 个向量
Call / Jump	跳转到 pattern 的另一处
MatchLoop	循环执行直到 DUT 响应匹配期望值（动态等待）
BreakPoint	在并行 pattern 中标记同步点；配合 break vector 使用
Action Anchor	在特定向量位置触发一个 Action（仪器操作）
CTIM / CLEV	在 pattern 执行中途切换 timing set 或 level set

MatchLoop 是一个特别有用的指令，常用于：

• 等待 DUT 完成内部初始化（busy-wait）
• 等待 DUT 输出特定响应后才继续

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四、向量内存的硬件组织

数字卡的物理结构

以 PS5000 为例，一张卡有多个逻辑板（Logical Board） ，每个逻辑板对应 DUT board 上一个 pogo block（16 个 pogo pin）。每个逻辑板内有两个测试处理器（Test Processor） ，每个处理器控制一个 8-channel group 的内存。

PS5000 卡（单张）
    ├── Logical Board 1
    │    ├── Test Processor A → 8-channel group（CH01~CH08）
    │    └── Test Processor B → 8-channel group（CH09~CH16）
    ├── Logical Board 2
    │    ├── ...

关键约束： 内存共享和 pooling 只能发生在同一个 channel group 内（PS5000 Xtreme Pooling 是例外）。

Pin Scale Memory Pooling：自动利用碎片内存

不同信号对向量内存的需求差异极大：

• 深扫描信号（Deep Scan）：通过高速串行接口传输大量扫描数据，需要 GB 级内存
• 控制信号（CLK、RESET、SYNC 等）：只需要少量向量内存

这种不均衡导致大量内存碎片。Memory Pooling 机制自动利用"富余"信号的空闲内存来存储"缺口"信号的向量数据：

Channel Group（8 channels）
    CH01: Signal S01（需要 48 MiB，已许可 64 MiB，剩余 16 MiB）
    CH06: Signal S07（需要 62 MiB，已许可 112 MiB，剩余 50 MiB）
                   ↑
    S02 需要 110 MiB，但自身只有 64 MiB 许可
    → Memory Pooling 自动将 S02 的额外数据存入 S07 的剩余空间
    → S02 可以访问 S07 的"捐出"内存，无需物理搬运

Memory Pooling 是完全透明的，无需修改测试程序或 pattern，系统自动完成。

约束：

• Donor 和 Recipient 必须在同一个 4/8-channel group 内
• Recipient 的许可内存级别必须 ≥ Donor（只能向"上捐"）
• 不支持级联（A 捐给 B，B 无法再捐给 C）

Xtreme Memory Pooling（PS5000、PSMLS B 专属）

当深扫描信号需要的数据超过整个 channel group 的容量时，Xtreme Memory Pooling 允许跨 channel group 转移数据：

Channel Group A（内存空闲）     Channel Group B（深扫描，内存饱和）
        ↓                                  ↑
    存储 B 的向量数据  →→→  运行时复制到 B  →→→  执行完释放  →→→  接收下一批

这实现了"流水线式"的数据供给，使得深扫描信号可以执行远超单个 channel group 容量的向量序列。

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五、Virtual Pattern：SOC 多核测试的抽象

随着 SOC 的复杂度增加，DUT 内部有多个 IP 核（Core A、B、C...），每个核有自己的接口信号。但这些核的信号不一定直接连接到测试机的 pogo pin------它们可能是 DUT 内部路由，只能通过扫描链间接访问。

SmarTest 引入Virtual Signal 和 Virtual Pattern来处理这种情况。

三个层次的信号

层次	名称	描述
物理层	DUT Pin / Pogo Pin	实际与测试机接触的管脚
逻辑层	DUT Signal	测试程序中使用的逻辑信号名（通过 .dbd 映射到 pogo pin）
虚拟层	Virtual Signal	IP Core 的内部信号，不直接连接 pogo pin

Virtual Vector 与 Virtual Pattern

Virtual Vector：m 个 virtual signal 在一个 core cycle 的状态字符数组（类比 DUT 的 vector）

Virtual Pattern：一系列 virtual vector 的序列，描述某个 IP Core 的激励或期望响应（类比 DUT 的 parallel pattern）

例如一个有 5 个 IP 核（A、B、C、D、E）的 SOC：

Core A:  Asig0  Asig1
         虚拟向量序列 → Virtual Pattern A

Core B:  Bsig0  Bsig1  Bsig2  ...  Bsig7
         虚拟向量序列 → Virtual Pattern B

Core C:  Csig0  Csig1  ...  Csig4
         虚拟向量序列 → Virtual Pattern C

...（D、E 类似）

每个 IP Core 有自己独立的 Virtual Pattern，它们捕获了该 Core 在功能测试中应该发送和接收的完整数据序列。

重要限制

• Virtual Pattern 不能是 site-specific（不支持不同 site 发不同数据）
• SmarTest 8 的 .pat 文件原生支持 virtual pattern 格式
• Virtual Pattern 不通过标准 pogo pin 接口直接执行，而是由 Link Scale / HSIO 序列化后传输

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六、Link Scale / HSIO：高速串行扫描

传统的 ATE 测试使用并行 pogo pin 接口 传输向量数据。随着 DUT 数据量增加，并行接口的带宽和引脚资源不足，出现了通过**高速串行接口（HSIO）**传输扫描数据的方案------这就是 Link Scale。

Link Scale 的架构

Link Scale 使用 USB3 或 PCIe4 这两种 HSIO 协议与 DUT 通信：

测试机 Link Scale 卡
        ↓（USB3 或 PCIe4 高速串行链路）
DUT 上的 DUT Scan Controller（DFT 组件）
        ↓（内部路由）
各 IP Core 的 Scan Chain

DUT 上必须有一个DUT Scan Controller，它负责接收 HSIO 数据包，解包后将扫描数据路由到各个内部扫描链。

Link Scale HSIO Pattern

Link Scale HSIO Pattern 是在 Virtual Pattern 基础上，增加了序列化信息和 DUT Scan Controller 控制指令的扩展格式：

Link Scale HSIO Pattern = 序列化的 Virtual Pattern 数据
                        + （可选）DUT Scan Controller 控制指令

一个 HSIO Pattern 可以包含多个 Virtual Pattern，或包含让 DUT Scan Controller 自动生成 Virtual Pattern 的指令（DUT 自生成模式）。

前向映射（Forward Mapping）

前向映射是将 Virtual Pattern 的状态字符序列化为 HSIO 比特流的过程，规则包括：

• 添加包头元信息（描述 pattern 结构）

• 将信号名称替换为 DUT 内部标识符

• 按 LSB/MSB 顺序、大端/小端字节序排列比特

  Virtual Pattern A → [包头] [信号ID映射] [数据比特流] → USB3/PCIe4 传输
  Virtual Pattern B → [包头] [信号ID映射] [数据比特流] ↗
  （两个 pattern 可打包在同一个 HSIO 数据包中）

后向映射（Backward Mapping）

DUT 响应的序列化输出需要被还原为与 Virtual Pattern 对应的数据结构，这个过程叫后向映射（Back Mapping）：

DUT HSIO 输出流  →  反序列化  →  按信号分配的并行结构  →  标记失败周期

结果有两种形式：

• Raw Result Data：直接从 HSIO 比特流中提取的原始失败比特
• Back-mapped Data：将失败比特映射回 Virtual Signal 的失败周期（更易于分析）

工具链分工

Link Scale 的前向/后向映射不是 SmarTest 功能，而是由第三方 EDA 工具完成（例如 Synopsys TestMAX ALE）。SmarTest 的职责是：

1. 接受已序列化好的 HSIO Pattern
2. 通过 Link Scale 卡物理传输
3. 收集 DUT 的 HSIO 响应输出
4. 将 raw 结果或 back-mapped 结果提供给测试方法

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七、Pattern 相关的数量限制速查

限制项	数值
每个 wavetable 最大波形数	256
Pattern 文件大小	无硬性上限（受内存约束）
向量数必须是 X-Mode 的倍数	X8 模式 → 向量数必须是 8 的倍数
每个 tester cycle 最大 drive/receive edge 数（X1，PS1600/PS5000）	8
Signal Group 内信号数	无硬性上限

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总结

概念	一句话	关键点
Pattern	向量序列 + sequencer 指令	.pat 是 zip 文件，包含 program/vectors 等
Vector	所有信号在一个 device cycle 的状态字符数组	每信号一个状态字符
Signal Group	相同波形信号的批量广播	省列宽，但底层仍有独立内存
Memory Pooling	利用闲置内存为高需求信号服务	自动透明，跨 channel group 需 Xtreme Pooling（仅 PS5000、PSMLS B）
Virtual Pattern	针对 IP Core 内部信号的抽象向量序列	不直接连 pogo pin，需序列化传输
Link Scale / HSIO	通过 USB3/PCIe4 串行传输扫描数据	DUT 需要 DUT Scan Controller；前/后向映射由 EDA 工具完成

下一篇将介绍 Action 与 Operating Sequence，讲清楚仪器动作的生命周期，以及如何把 Pattern 和 Action 按时序编排在一起。

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