扫描链原理：扫描链的基本结构、扫描触发器、扫描模式与功能模式切换

大家好，我是你们的DFT讲师。今天我们来聊聊扫描链的核心原理。说实话，扫描链是DFT里最基础也最重要的技术之一。你想想看，芯片里成千上万个寄存器，怎么才能知道它们工作正不正常？扫描链就是干这个的。

扫描链的基本结构

扫描链说白了，就是把芯片里所有的触发器串成一串。就像一串珍珠项链，每个触发器就是一颗珍珠。测试时，测试数据从一端灌进去，经过每个触发器，最后从另一端流出来。

我刚开始接触DFT时，总觉得这玩意儿挺神奇的。为什么要把好好的功能模式改成测试模式？后来才明白，这是为了可控性和可观测性。

一个典型的扫描链包含以下几个部分：

• 扫描输入（Scan In）：测试数据进入芯片的端口
• 扫描输出（Scan Out）：测试数据离开芯片的端口
• 扫描使能（Scan Enable）：控制芯片在功能模式和扫描模式之间切换
• 扫描时钟（Scan Clock）：驱动扫描链工作的时钟信号
• 扫描触发器（Scan Flip-Flop）：经过改造的触发器，支持扫描模式

嗯，这里要注意，扫描链的长度会影响测试时间。链越长，测试向量需要的时间就越长。所以设计时要平衡测试覆盖率和测试时间。

扫描触发器

扫描触发器是扫描链的基本单元。普通的触发器只有数据输入（D）和时钟（CK），但扫描触发器多了一个扫描输入（SI）和扫描使能（SE）。

我记得有一次做项目，设计团队把扫描触发器的SE信号接反了。结果扫描链死活跑不通，查了两天才发现是这个问题。所以大家设计时一定要仔细检查SE的连接。

常见的扫描触发器结构有两种：

类型	结构特点	面积开销	性能影响
多路选择器型（MUX型）	在D输入端前加一个2选1MUX	较小	增加一个MUX延迟
锁存器型（LSSD型）	使用两个锁存器构成主从结构	较大	无MUX延迟，但面积大

实际项目中，MUX型用得最多。为什么？因为面积小，对芯片成本影响小。LSSD型虽然测试方便，但面积太大，现在很少用了。

扫描模式与功能模式切换

芯片有两种工作模式：功能模式和扫描模式。功能模式就是芯片正常工作时，扫描模式就是测试时。

切换靠的是Scan Enable信号。SE=0时，芯片工作在功能模式，触发器接收功能数据。SE=1时，芯片进入扫描模式，触发器接收扫描数据。

我曾经遇到过一个坑：SE信号在芯片内部有毛刺。功能模式下没问题，但一进入扫描模式，毛刺导致触发器误触发，扫描链数据全乱了。后来加了同步器和去毛刺电路才解决。

模式切换的时序要求：

• 进入扫描模式：先拉高SE，再给时钟。SE要在时钟沿之前稳定。
• 退出扫描模式：先停止时钟，再拉低SE。避免在切换过程中数据出错。
• 扫描移位：SE保持高电平，时钟连续翻转，数据从SI移到SO。
• 捕获模式：SE拉低，给一个或几个时钟脉冲，捕获功能路径上的数据。

扫描测试的基本流程是这样的：

1. 拉高SE，进入扫描模式
2. 给N个时钟，把测试向量移入扫描链（N=扫描链长度）
3. 拉低SE，进入捕获模式
4. 给1个时钟，捕获功能路径上的响应
5. 拉高SE，再次进入扫描模式
6. 给N个时钟，把响应数据移出扫描链，同时移入下一个测试向量

说白了，就是「移入-捕获-移出」的循环。每次捕获后，把响应和预期值比较，就知道芯片有没有故障了。

扫描链结构图

下面我用SVG画了一张扫描链的结构图，方便大家理解：

这张图展示了扫描链的核心结构。数据从Scan In进入，经过每个触发器，最后从Scan Out出来。SE和CK控制着整个链的工作模式。

实际项目中的注意事项

做扫描链设计时，有几个坑我踩过，分享给大家：

• 时钟域问题：不同时钟域的触发器不要串在一条扫描链上。否则跨时钟域的数据传输会出问题。我建议每个时钟域单独做扫描链。
• 扫描链平衡：多条扫描链的长度尽量接近。这样测试时间由最长的链决定，链长均衡可以节省测试时间。
• SE信号树：SE信号要驱动所有扫描触发器，负载很大。需要做缓冲树，保证SE信号到每个触发器的延迟一致。
• 测试时钟：扫描测试时用的时钟频率通常比功能时钟低。因为扫描链上的组合逻辑路径可能很长，高频跑不动。

好了，扫描链的基本原理就讲到这里。记住，扫描链的核心就是「串起来、移进去、抓一下、移出来」。掌握了这个思路，后面的ATPG和测试向量生成就水到渠成了。

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