JP2006017707A - 不要な電力消費を減らすことができるスキャンフリップフロップ回路 - Google Patents
不要な電力消費を減らすことができるスキャンフリップフロップ回路 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】 不要な電力消費を減らすことができるスキャンフリップフロップ回路を提供する。
【解決手段】 本発明のスキャンフリップフロップ回路は動作モードに従って外部からの通常論理信号とスキャン論理信号のうちの一つの信号を選択する第1論理および選択された信号を外部からのクロック信号に同期されて第1出力端子および第2出力端子を通じて出力する第2論理を具備する。そして、本発明のスキャンフリップフロップ回路は、通常モードで動作する時には、第1出力端子の出力信号は通常論理信号であり、第2出力端子の出力信号は論理ハイ値に固定され、前記スキャンフリップフロップ回路がスキャンモードで動作する時には、前記第1出力端子と前記第2出力端子の出力は前記スキャン論理信号の論理値と同一であることを特徴とする。
【選択図】 図3
【解決手段】 本発明のスキャンフリップフロップ回路は動作モードに従って外部からの通常論理信号とスキャン論理信号のうちの一つの信号を選択する第1論理および選択された信号を外部からのクロック信号に同期されて第1出力端子および第2出力端子を通じて出力する第2論理を具備する。そして、本発明のスキャンフリップフロップ回路は、通常モードで動作する時には、第1出力端子の出力信号は通常論理信号であり、第2出力端子の出力信号は論理ハイ値に固定され、前記スキャンフリップフロップ回路がスキャンモードで動作する時には、前記第1出力端子と前記第2出力端子の出力は前記スキャン論理信号の論理値と同一であることを特徴とする。
【選択図】 図3
Description
本発明はマイクロコントローラユニット(MCU: Microcontroller Unit)のような半導体集積回路(IC: Integrated Circuit)のテストのためのスキャン回路(scan circuit)に係わり、さらに詳細にはフリップフロップに実現され、通常モードでの動作時中に消費する電力を減らすことができる低電力スキャンフリップフロップ(SCAN Flip−Flop)回路に関する。
マイクロコントローラユニットのような半導体集積回路において、集積された各ゲートの不良の有無を検出するためのスキャンテスト機能はマイクロコントローラユニットに不可欠な機能のうちの一つである。そして、近年、マイクロコントローラユニットに集積されて用いられるゲートの数が増加するにつれて、スキャンテスト機能の重要性はさらに強調されている。
一方、スキャン回路は上記のようなスキャンテスト機能を実行するために使用され、一般には、テストしようとするハードウェアの内部に一連のデータを入力してハードウェアの内部状態を設定し、これを収集して該当のハードウェアが正常であるかどうかをテストするためのものである。このような一般的なタイプのスキャン回路はフリップフロップを利用して実現され、これをスキャンフリップフロップ回路という。
図1は従来の一般的なスキャンフリップフロップ回路を示す回路図である。図1を参照すれば、従来のスキャンフリップフロップ回路100は、入力部116とDフリップフロップ110および出力部118で大まかに構成される。スキャンフリップフロップ回路100は4個の入力端子D、TI、TE、CKと二つの出力端子Q、QNを有し、入力端子には動作モード信号が入力されるモード入力端子TE、通常の論理信号が入力される通常入力端子D、スキャン論理信号が入力されるスキャン入力端子TIおよびクロック信号が入力されるクロック入力端子CKがある。そして、出力端子にはスキャンフリップフロップ回路に入力される通常の論理信号とスキャン論理信号のうちの一つの信号をクロック信号に従ってそのまま出力する第1出力端子Qと、入力信号を反転させて出力する第2出力端子QNがある。
スキャンフリップフロップ回路の入力部116はスキャンフリップフロップ回路100の動作モードに従って通常の論理信号とスキャン論理信号のうちの一つを選択してDフリップフロップ110に出力する。このために、入力部116は通常の論理信号と反転された動作モード信号との論理積演算を実行する第1ANDゲート104と、スキャン論理信号と動作モード信号との論理積演算を実行する第2ANDゲート106と、第1ANDゲート104の出力と第2ANDゲート106の出力とに対して否定論理和演算を実行するNORゲート108で構成される。上述のように、入力部116は上記のような論理ゲートの組み合わせを利用して、スキャンフリップフロップ回路が通常モードで動作するときに(TE=‘0’)、通常の論理信号を選択して出力し、スキャンモードで動作するときに(TE=‘1’)、スキャン論理信号を選択して出力する。一方、上記のように多数個の論理ゲートを含む入力部116は実際の回路では多数のトランジスタにより実現され、これは、スキャンフリップフロップ回路を含む半導体集積回路の面積成分を増加させて回路の集積度を低下させるという問題を生じる。
Dフリップフロップ110は入力部116から入力される通常の論理信号またはスキャン論理信号をクロックパルスに同期して出力する。図1に示したスキャンフリップフロップ回路は立ち上がりエッジ(rising edge)でトリガ(triggering)されるDフリップフロップである。Dフリップフロップは一つの入力端子を備え、クロックパルスが印加された時に入力信号が1であれば、1を出力し、出力信号が0であれば、0を出力するフリップフロップをいう。一般的に、Dフリップフロップは入力信号をクロックパルスの時間の間隔だけ遅延させて出力させるのに使用される。Dフリップフロップは周知の技術であるので、詳細な説明は省略する。
出力部118はDフリップフロップ110の出力端子q、qnに各々連結されたインバータ112、114で構成され、Dフリップフロップ110の出力端子q、qnを通じて出力される信号を各々反転させる。
下の表1は図1のような構成を有する従来スキャンフリップフロップ回路で各入力端子D、TI、TE、CKに入力される値に対応して出力端子Q、QNを通じて出力される値を示す真理表(Truth Table)である。(ただし、Q(n+1)はn+1番目のクロック信号による出力を示す。)
図2は図1のようなスキャンフリップフロップ回路を利用したスキャンチェーン(scan chain)の実施形態を示す図である。図2に示したスキャンチェーンは5個のスキャンフリップフロップ回路202、204、206、208、210と二つの組み合わせ論理回路212、214で構成されており、通常モードでの動作時には、三つのスキャンフリップフロップ回路202、204、206は各々外部から通常論理信号を入力すると仮定する。一方、組み合わせ論理回路は少なくとも一つの出力端子と二つの以上の入力端子とを有し、各組み合わせ論理回路の出力端子の状態は入力端子を通じて同時に入力される入力信号の状態によって決められる。
図2のスキャンチェーンは、全体として見れば、外部からの通常の論理信号が入力される三つの通常入力端子IN1、IN2、IN3と、スキャン論理信号が入力される一つのスキャン入力端子SCAN_INと、回路の動作モード信号が入力されるモード入力端子TESTと、クロック信号が入力されるクロック入力端子CLKと、一つの出力端子OUTまたはSCAN_OUTを含む。そして、図2における各々のスキャンフリップフロップ回路は図1のような構成を有するスキャンフリップフロップ回路である。図2に示したように、外部からのスキャン論理信号が入力されるスキャン入力端子SCAN_INは一番目のスキャンフリップフロップ回路202のスキャン入力端子TIにのみ連結され、その他のスキャンフリップフロップ回路のスキャン入力端子TIは前段のスキャンフリップフロップ回路の出力端子Qと連結されて一つのチェーン形態で構成される。このようなスキャンチェーンにはスキャンモード時に、クロックスキュ(clock skew)によるレーシング(racing)を防止するために、空セル(nil cell)nid1、nid2を各スキャンフリップフロップ回路の出力端子Qとスキャン入力端子TIとの間に挿入する。
一方、図2のようなスキャンチェーンで構成される回路がスキャンモードで動作する時には(TE=‘1’)、各々のスキャンフリップフロップ回路はスキャン入力端子TIを通じて入力される信号を利用してスキャン動作を実行し、最終端のスキャンフリップフロップ回路210を通じてスキャンテスト結果を出力する。一方、図2のような回路が通常モードで動作する場合(TE=‘0’)、各スキャンフリップフロップ回路はスキャン入力端子TIを通じて入力される信号とは関係なしに、通常入力端子Dを通じて入力される信号を利用して動作する。すなわち、通常モードで動作する時には(TE=‘0’)、各スキャンフリップフロップ回路のスキャン入力端子TIを通じて入力される信号は意味を持たない。しかし、表1に示したように、通常モードで動作する場合(TE=‘0’)にも各スキャンフリップフロップ回路において次段のスキャンフリップフロップ回路のスキャン入力端子TIと連結された出力端子Qを通じて出力される信号のトグリング(toggling)が連続的に発生されることによって、不要な電力消費が発生されるという問題がある。
特開2002−311092号公報
本発明の目的は別途のスキャン出力端子を使用してスキャンフリップフロップ回路が通常モードでの動作時に、スキャン出力を一つの論理値に固定することによって、スキャンフリップフロップ回路の不要な電力消費を減らすことにある。
本発明のまた他の目的は、少数のトランジスタでスキャンフリップフロップ回路を構成することによって、スキャンフリップフロップ回路の集積度を高めることにある。
本発明のスキャンフリップフロップ回路は、動作モードに従って外部からの通常論理信号とスキャン論理信号とのうちの一つの信号を選択する第1論理、および選択された信号を外部からのクロック信号に同期して第1出力端子および第2出力端子を通じて出力する第2論理を具備する。そして、本発明のスキャンフリップフロップ回路は、通常モードで動作する時に、第1出力端子の出力信号は通常論理信号であり、第2出力端子の出力信号は論理ハイ値に固定され、前記スキャンフリップフロップ回路がスキャンモードで動作する時には、前記第1出力端子の出力と前記第2出力端子の出力は、前記スキャン論理信号の論理値と同一であることを特徴とする。
本発明のスキャンフリップフロップ回路は通常モードでの動作時に、スキャンチェーンによる不要な電力消費を減らすことができる。また、本発明のスキャンフリップフロップ回路は小面積で実現可能であるので、スキャンフリップフロップ回路を含む半導体回路の集積度を向上させることができる。
以下、添付の図を参照して本発明をより詳細に説明する。
図3は本発明で提案するスキャンフリップフロップ回路の実施形態を示す回路図である。図3を参照すれば、本発明のスキャンフリップフロップ回路300は、大まかには、入力部302とDフリップフロップ308と出力部314とで構成され、4個の入力端子D、TI、TE、CKと二つの出力端子Q、Sとを含む。入力端子には、動作モード信号が入力されるモード入力端子TEと、通常の論理信号が入力される通常入力端子Dと、スキャン論理信号が入力されるスキャン入力端子TIと、クロック信号が入力されるクロック入力端子CKとがある。そして、出力端子には、動作モードに従って通常の論理信号とスキャン論理信号とのうちの一つの信号をクロック信号に従ってそのまま出力する通常出力端子Qと、スキャン出力信号が出力されるスキャン出力端子Sとがある。スキャン出力信号はスキャンフリップフロップ回路が通常モードで動作する時には(TE='0')、常に論理ハイ値‘1’を維持する。
図3で入力部302は通常入力端子Dを通じて入力される通常の論理信号とモード入力端子TEを通じて入力される動作モード信号との論理和演算を実行するORゲート304と、このORゲート304の出力とスキャン入力端子TIを通じて入力されるスキャン論理信号との否定論理積演算を実行するNANDゲート306とから構成される。このような構成を通じて、入力部302はスキャンフリップフロップ回路の動作モードに従って通常の論理信号とスキャン論理信号とのうちの一つを選択して出力する。すなわち、スキャンフリップフロップ回路が通常モードで動作する時には(TE=‘0’)、入力端302は通常の論理信号を選択して出力し、スキャンモードで動作する時には(TE=‘1’)スキャン論理信号を選択して出力する。一方、スキャンフリップフロップ回路が通常モードで動作する時に(TE=‘0’)、通常論理信号が選択されるためには、スキャン入力端子を通じて入力されるスキャン論理信号の値は論理ハイ値‘1’でなければならない。
Dフリップフロップ308は一つの入力端子dと一つの出力端子qとを含む。Dフリップフロップ308は、入力端子dを通じて入力部302から選択されて入力される通常論理信号またはスキャン論理信号を、外部から供給されるクロック信号に従って出力端子qを通じて出力する。Dフリップフロップ308の出力端子qは入力端子dを通じて入力される信号と同一の信号を出力する。
出力部314はDフリップフロップ308の第1出力端子qを通じて入力される信号と、モード入力端子TEを通じて外部から入力される動作モード信号との否定論理積演算を実行するNANDゲート310と、Dフリップフロップ308の第1出力端子qを通じて入力される信号を反転させるインバータ312で構成される。そして、NANDゲート310による演算結果はスキャンフリップフロップ回路300のスキャン出力端子Sを通じて出力され、インバータ312によって反転された信号はスキャンフリップフロップ回路300の通常出力端子Qを通じて出力される。
下の表2は図3のような構成を有する本発明のスキャンフリップフロップ回路で各入力端子D、TI、TE、CKに入力される値に対応して出力端子Q、Sを通じて出力される値を示す真理表(Truth Table)である。(ただし、Q(n+1)はn+1番目のクロック信号による出力を示し、スキャンフリップフロップ回路が通常モードで動作する時には(TE=‘0’)、TI値は常に‘1’である。)
表2に示したように、本発明のスキャンフリップフロップ回路が通常モードで動作する時には(TE='0')、スキャン出力端子Sを通じた出力は入力と関係なしに常に論理ハイ状態‘1’に固定されている。これは、上述の出力部314のNANDゲート310により可能とされる。そして、通常出力端子Qを通じて出力される信号の論理値Q(n+1)は通常入力端子Dを通じて入力される信号の論理値と一致する。そして、本発明のスキャンフリップフロップ回路がスキャンモードで動作する時には(TE='1')、スキャン出力端子Sを通じて出力される信号の論理値と通常出力端子Qを通じて出力される信号の論理値は、スキャン入力端子TIを通じて入力される信号の論理値と一致する。
図4は本発明で提案するスキャンフリップフロップ回路のまた他の実施形態を示す回路図である。図4に示したスキャンフリップフロップ回路400は図3の実施形態で通常出力端子Qを通じた出力の反転値が必要な場合に使用されることができる。このために、図4のスキャンフリップフロップ回路はDフリップフロップ408の第2出力端子qnと連結されたインバータ412を利用して第2出力端子qnからの信号を反転させて反転出力端子QNを通じて出力する。反転出力端子QNを通じて出力される信号の論理値は図4のスキャンフリップフロップ回路が通常モードで動作する時(TE='0')には通常入力端子Dを通じて入力される信号の反転値であり、スキャンモードで動作する時(TE=‘1’)にはスキャン入力端子TIを通じて入力される信号の反転値である。
図5は図3のような本発明のスキャンフリップフロップ回路を利用したスキャンチェーンの一実施形態を示す図である。図5に示したスキャンチェーンは5個のスキャンフリップフロップ回路502、504、506、508、510と二つの組み合わせ論理回路512、514とで構成されており、通常モードで動作する時には(TE=‘0’)、三つのスキャンフリップフロップ回路502、504、506は各々外部から通常論理信号が入力されると仮定する。
図5で三つの入力端子IN1、IN2、IN3はスキャンチェーンが通常モードで動作する時に(TE=‘0’)、外部から通常の論理信号が入力される端子である。そして、スキャンチェーン入力端子SCAN_INはスキャンモードで動作する時に(TE=‘1’)、外部からスキャン論理信号が入力される端子である。一方、スキャンチェーンが通常モードで動作する時には(TE=‘0’)、スキャンチェーン入力端子SCAN_INには論理ハイ値‘1’のスキャン論理信号が入力される。このようなスキャンチェーン入力端子SCAN_INはスキャンチェーンの初段に位置したスキャンフリップフロップ回路502のスキャン入力端子TIにのみ連結されている。そして、その後に続く各スキャンフリップフロップ回路のスキャン出力端子Sは次段のスキャンフリップフロップのスキャン入力端子TIとチェーンの形態で連結される。上述のように、各スキャンフリップフロップ回路のスキャン出力端子Sを通じて出力されるスキャン出力信号は通常モードで動作する時には(TE=‘0’)、常に論理ハイ値‘1’に固定される。すなわち、スキャンチェーンが通常モードで動作する時には(TE=‘0’)、次のスキャンフリップフロップ回路のスキャン論理信号は自動的に論理ハイ値‘1’に設定される。したがって、通常モード時にスキャンチェーンの初段に位置したスキャンフリップフロップ回路502にのみ論理ハイ値‘1’のスキャン論理信号を強制に入力する。そして、スキャンチェーンの最終状態を出力する最終端スキャンフリップフロップ回路510の通常出力端子Qがデータ出力とスキャン出力の両方に使用されなければならないので、スキャンフリップフロップ回路510の出力部は、図1に示した従来スキャンフリップフロップ回路の出力部118に置換される。
以上のように、本発明のスキャンフリップフロップ回路は別途のスキャン出力端子Sを有し、通常モードで動作する時には(TE=‘0’)、入力に関係なしに、スキャン出力端子Sの出力を論理ハイ値‘1’に固定することによって、スキャンチェーンでの不要な電力消費を防止することができる。また、通常モードで動作する時には(TE=‘0’)、スキャン出力端子Sは全体回路の動作と全然関係なく、出力部314のNANDゲート310を最小サイズで実現することができ、これによって、スキャン出力端子Sの遅延時間が増加するため、スキャンチェーンの構成において、チェーン上に挿入されるインバータやバッファの個数を減らすことができるという長所がある。さらに、本発明において、スキャンフリップフロップ回路の入力部302をORゲートとNANDゲートとの組み合わせにより実現することによって、すなわち6個のトランジスタだけで入力部を実現することによって、小面積でスキャンフリップフロップ回路を実現することが可能であるという長所がある。
前記説明および図を通じて本発明で提案するスキャンフリップフロップ回路およびこれを利用したスキャンチェーンについて詳細に説明したが、これは一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想を逸脱しない限度内で多様な変形(modifications)および変更(changes)が可能である。
300,400 スキャンフリップフロップ回路
302,402 入力部
308、408 Dフリップフロップ
314,414 出力部
302,402 入力部
308、408 Dフリップフロップ
314,414 出力部
Claims (13)
- スキャンフリップフロップ回路において、
通常論理信号およびスキャン論理信号が入力され、前記スキャンフリップフロップ回路の動作モードに従って前記通常論理信号または前記スキャン論理信号のうちの一つを選択して出力する入力部と、
前記入力段階で選択された前記通常論理信号または前記スキャン論理信号のうちの一つが入力され、第1フリップフロップ出力端から第1論理信号をクロック信号に従って出力するフリップフロップと、
第1および第2出力端で構成され、前記第1論理信号が入力される出力部とを含み、
前記第1出力端からの信号出力が前記入力部から入力された前記通常論理信号と同一であり、前記スキャンフリップフロップ回路が通常モードで動作するとき、前記第2出力端からの信号出力は論理ハイの値を維持し、
前記スキャンフリップフロップ回路がスキャンモードで動作するとき、前記第1および第2出力端からの信号出力が前記入力部に入力されたスキャン論理信号と同一であることを特徴とするスキャンフリップフロップ回路。 - 前記入力部は動作モード信号が入力され、
前記入力部は前記通常論理信号と前記動作モード信号とが入力されて論理和演算を実行するORゲートと、
前記スキャン論理信号と前記ORゲートの論理出力とが入力されて否定論理積演算を実行するNANDゲートとを含み、
前記スキャンフリップフロップ回路が通常モードで動作するとき、前記スキャン論理信号は論理ハイの値を有することを特徴とする請求項1に記載のスキャンフリップフロップ回路。 - 前記出力部は前記第1論理信号が入力され、これを反転させて出力するインバータと、
前記動作モード信号と前記第1論理信号とが入力されて否定論理積演算を実行し、前記第1出力端から対応される結果を出力するNANDゲートとを含むことを特徴とする請求項2に記載のスキャンフリップフロップ回路。 - 前記フリップフロップはDフリップフロップであることを特徴とする請求項3に記載のスキャンフリップフロップ回路。
- 前記入力部は動作モード信号がさらに入力され、
前記フリップフロップは前記クロック信号に従って前記第1論理信号の論理的補数である第2論理信号を出力して、
前記出力部は、
前記第1論理信号と前記動作モード信号とが入力されて否定論理積演算を実行し、前記第1出力端からスキャン端出力信号を発生するNANDゲートと、
前記第2論理信号が入力され、これを反転させて出力し、前記第2出力端で通常の出力結果を出力するインバータとを含むことを特徴とする請求項1に記載のスキャンフリップフロップ回路。 - 多数のスキャンフリップフロップ回路を含み、
前記多数のスキャンフリップフロップ回路の各々は、
スキャン入力端と、
通常論理信号またはスキャン論理信号が入力され、前記スキャンフリップフロップのための動作モードに従って前記通常論理信号または前記スキャン論理信号のうちの一つを選択して出力する入力部と、
前記入力部で選択された前記通常論理信号または前記スキャン論理信号のうちの一つが入力されて第1フリップフリップ回路の出力端から第1論理信号をクロック信号に従って出力するフリップフロップと、
第1および第2出力端で構成され、前記第1論理信号が入力される出力部とを含み、
前記第1出力端からの信号出力は前記入力部で入力された前記通常論理信号と同一であり、前記スキャンフリップフロップ回路が通常動作モードで動作するとき、前記第2出力端からの信号出力は論理ハイの値を維持し、
前記スキャンフリップフロップ回路がスキャンモードで動作するとき、前記第1および第2出力端からの信号出力は前記入力部で入力された前記スキャンロジックと同一であることを特徴とするスキャンチェーン。 - 前記多数のスキャンフリップフロップ回路のうちの第1スキャンフリップフロップ回路は外部からスキャン論理信号が入力されることを特徴とする請求項6に記載のスキャンチェーン。
- 前記第1スキャンフリップフロップの後に続く多数のスキャンフリップフロップ回路の各々のためのスキャン入力端は、多数のスキャンフリップフロップ回路のうちの前段のスキャンフリップフロップ回路の第1出力端に連結され、
前記スキャンチェーンが通常動作モードで動作するとき、前記外部からのスキャン論理信号は論理ハイの値を維持することを特徴とする請求項7に記載のスキャンチェーン。 - 前記スキャンチェーンは前記第1スキャンフリップフロップ回路の後に続く多数のスキャンフリップフロップ回路の各々のための前記第1出力端と多数のスキャンフリップフロップ回路の第2スキャンフリップフロップ回路の対応するスキャン入力端との間に連結されたインバータをさらに含むことを特徴とする請求項8に記載のスキャンチェーン。
- 前記多数のスキャンフリップフロップ回路の各々の前記入力部は、
前記通常論理信号および前記動作モード信号が入力されて論理和演算を実行するORゲートと、
前記スキャン論理信号と前記ORゲートからの論理出力とが入力されて否定論理積演算を実行するNANDゲートとを含み、
前記スキャンフリップフロップ回路が通常モードで動作するとき、前記スキャン論理信号は論理ハイの値を有することを特徴とする請求項9に記載のスキャンチェーン。 - 前記多数のスキャンフリップフロップ回路の各々の出力部は、
前記第1論理信号が入力され、これを反転させて出力するインバータと、
前記動作モード信号と前記第1論理信号とが入力されて否定論理積演算を実行し、前記第1出力端から対応する結果を出力するNANDゲートとを含むことを特徴とする請求項10に記載のスキャンチェーン。 - 前記多数のスキャンフリップフロップ回路の各々の前記フリップフロップはDフリップフロップであることを特徴とする請求項11に記載のスキャンチェーン。
- 前記フリップフロップは前記クロック信号に従って前記第1論理信号の論理的補数である第2論理信号を出力する第2フリップフロップをさらに含み、
前記多数のスキャンフリップフロップ回路の各々の出力部は、
前記第1論理信号と前記動作モード信号とが入力されて否定論理積演算を実行し、前記第1出力端からスキャン端出力信号を出力するNANDゲートと、
前記第2論理信号が入力され、これを反転させて出力し、前記第2出力端で通常出力結果を出力することを特徴とする請求項12に記載のスキャンチェーン。
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