在现代电子应用系统中 ,印刷电路板越来越复杂多层板的设计越来越普遍,大量使用各种表贴元件和B GA (ball grid array) 封装元件,元器件的管脚数和管脚密度不断提高,使用万用表、示波器测试芯片的传统“探针”方法已不能满足要求。在这种背景下,早在 20 世纪 80 年代,联合测试行动组(joint testaction group,简称 J TA G) 起草了边界扫描测试( boundary2scan testing ,简 写 BST) 规 范,后 来 在1990 年被批准为 IEEE 标准 1149. 121990 规定,简称JTAG标准。该标准规定了进行边界扫描测试所需要的硬件和软件。自从1990 年批准后,IEEE 分别于1993 年和1995 年对该标准作了补充,形成了现在使用的IEEE1149.1a-1993 和IEEE1149.1b-1994。JTAG 主要应用于:电路的边界扫描测试和可编程芯片的在线系统编程。
边界扫描测试有两大优点 :一个是方便芯片的故障定位,迅速准确地测试两个芯片管脚的连接是否可靠,提高测试检验效率;另一个是,具有 JTAG接口的芯片,内置一些预先定义好的功能模式,通过边界扫描通道来使芯片处于某个特定的功能模式,以提高系统控制的灵活性和方便系统设计。
现在,所有复杂的 IC 芯片几乎都具有JTAG控制接口,JTAG控制逻辑简单方便,易于实现。
边界扫描威廉希尔官方网站 的应用
对于需要进行IC元件测试的设计人员来说,只要根据TA P控制器的状态机,设计特定的控制逻辑,就可以进行IC元件的边界扫描测试或利用JTA G接口使IC元件处于某个特定的功能模式。
Inter的PC I to PC I桥片21154,BGA封装,共304个管脚,具有符合IEEE 114911标准的JTA G控制引脚。在设计的一个CompactPC I系统中,需要利用JTA G控制使其进入一种高阻模式(H IGHZ模式,这是IEEE 114911推荐的任选模式之一)。在这种模式下。芯片的所有输出管脚都处于无效态即高阻态。要使21154进入H IGHZ,必须将位码00101写入指令寄存器,这时,边界测试数据寄存器选择的是旁通寄存器。
21154 的 JTA G 控制步骤
21154正常工作时,TM S持续为高电平或TRST=0。
控制21154进入JTA G H IGHZ状态需要经过以下6个步骤:
(1)TRST=1。
(2)进入SH IFT IR状态:在连续5个TCK(上升沿),使TM 3=01100,则进入SH IFT_IR状态。
(3)将指令码写入指令寄存器:在SH IFT_IR状态,通过TD I将00101写入指令寄存器,需要5个时钟周期。
(4)进入EX IT l IR状态:在SH IFT_IR状态的第5个TCK的上升沿(最后一个指令码),使TM S=1,则进入EX IT l IR状态。
(5)进入U pdate IR状态:进入EX IT l IR状态后,再使TM S=1,则进入U pdate IR状态。
(6)进入Run TestöIdle状态:进入U pdate IR状态后,再使TM S=0,则进入Run TestöIdle状态,此时,21154进入H IGHZ状态。
21154的JTA G控制V erilog HDL代码
说明:BeginJTA G_1是控制21154进入H IGHZ的触发信号。低电平有效。
A lw ays
@ (BeginJTA G_ 1, Clk)
Begin
T rst 《 = ′0′
Jtag_ stste《 = s0;
Case (Jtag_ stste)
s0:
if (BeginJTA G_ 1= ′0′)
Begin
T rst《 = ′1′;
Tm s《 = ′0′;
Jtag_ stste《 = s1;
end
else begin
Jtag_ stste《 = s0;
end
s1:
Tm s《 = ′0′;
T id《 = ′0′;
Jtag_ stste《 = s2;
s2:
Tm s《 = ′1′;
T id《 = ′0′;
Jtag_ stste《 = s3;
s3:
Tm s《 = ′1′;
T id《 = ′0′;
Jtag_ stste《 = s4;
s4:
Tm s《 = ′0′;
T id《 = ′0′;
Jtag_ stste《 = s5;
s5:
Tm s《 = ′0′;
T id《 = ′0′;
Jtag_ stste《 = s6;
s6:
Tm s《 = ′0′;
T id《 = ′0′;
Jtag_ stste《 = s7;
s7:
Tm s《 = ′0′;
T id《 = ′0′;
Jtag_ stste《 = s8;
s8:
Tm s《 = ′0′;
T id《 = ′1′;
Jtag_ stste《 = s9;
s9:
Tm s《 = ′0′;
T id《 = ′0′;
Jtag_ stste《 = s10;
s10:
Tm s《 = ′1′;
T id《 = ′1′;
Jtag_ stste《 = s11;
s11:
Tm s《 = ′0′;
T id《 = ′0′;
Jtag_ stste《 = s12;
s12:
Tm s《 = ′0′;
T id《 = ′0′;
O thers:
end case
End
上述代码,经过编译、仿真,得到图7所示JTA G控制时序波形。在设计的系统中,将上述V erilog HDL代码经过编译后生成目标文件,写入A ltera公司的可编程逻辑芯片EPM 7128SLC84_7(在此芯片内还有其他逻辑),当BeginJTA G_1=0时,实现了控制21154进入JTA G高阻状态。
边界扫描九大指令
Extest指令--强制指令
用于芯片外部测试,如互连测试
测试模式下的输出管脚,由BSC update锁存驱动(BSC注释:寄存器的每一个单元分配给IC芯片的相应引脚,每一个独立的单元称为BSC(Boundary-Scan Cell)边界扫描单元。)
BSC scan锁存捕获的输入数据
移位操作,可以从TDI输入测试激励,并从TDO观察测试响应。
在移位操作后,新的测试激励存储到BSC的update锁存
原先EXTEST指令时强制为全“0”的,在IEEE 1149.1--2001中,这条强制取消了。选择EXTEST指令时,IC工作在边界扫描外部测试模式(external boundary-test mode),也就是说对IC的操作影响芯片的正常工作。选择边界扫描寄存器连通TDI和TDO。在这种指令下,可以通过边界扫描输出单元来驱动测试信号至其他边界扫描芯片,以及通过边界扫描输入单元来从其他边界扫描芯片接收测试信号。EXTEST指令是IEEE 1149.1标准的核心所在,在边界扫描测试中的互连测试(interconnect test)就是基于这个指令的。
(该指令初始化外部电路测试,主要用于板级互连以及片外电路测试。EXTEST指令在Shift-DR状态时将扫描寄存器BSR寄存器连接到TDI与TDO之间。在Capture-DR状态时,EXTEST指令将输入管脚的状态在TCK的上升沿装入BSR中。EXTEST指令从不使用移入BSR中的输入锁存器中的数据,而是直接从管脚上捕获数据。在Update-DR状态时,EXTEST指令将锁存在并行输出寄存器单元中的数据在TCK的下降沿驱动到对应的输出管脚上去。)
Sample/Preload指令--强制指令
在进入测试模式前对BSC进行预装载
输入输出管脚可正常操作
输入管脚数据和内核输出数据装载到BSC的scan锁存中。
移位操作,可以从TDI输入测试激励,并从TDO观察测试响应。
在移位操作后,新的测试激励存储到BSC的update锁存。
原先这两个指令是合在一起的,在IEEE 1149.1--2001中这两个指令分开了,分成一个SAMPLE指令,一个PRELOAD指令。选择SAMPLE/PRELOAD指令时,IC工作在正常工作模式,也就是说对IC的操作不影响IC的正常工作。选择边界扫描寄存器连通TDI和TDO。 SAMPLE指令---通过数据扫描操作(Data Scan)来访问边界扫描寄存器,以及对进入和离开IC的数据进行采样。PRELOAD指令---在进入EXTEST指令之前对边界扫描寄存器进行数据加载。
(在Capture-DR状态下,SAMPLE/PRELOAD指令提供一个从管脚到片上系统逻辑的数据流快照,快照在TCK上升沿提取。在Update-DR状态时,SAMPLE/PRELOAD指令将BSR寄存器单元中的数据锁存到并行输出寄存器单元中,然后由EXTEST指令将锁存在并行输出寄存器单元中的数据在TCK的下降沿驱动到对应的输出管脚上去。)
Bypass指令--强制指令
提供穿透芯片的最短通路。
输入输出管脚可正常操作
选择一位的旁路(Bypass)寄存器
强制全为1和未定义的指令为Bypass指令 BYPASS指令为全“1”。选择BYPASS指令时,IC工作在正常工作模式,选择一位的BYPASS寄存器连通TDI和TDO,数据的通过不影响IC的正常工作。
(BYPASS指令通过在TDI和TDO之间放置一个1位的旁通寄存器,这样移位操作时只经过1位的旁通寄存器而不是很多位(与管脚数量相当)的边界扫描寄存器BSR,从而使得对连接在同一JTAG链上主CPU之外的其他芯片进行测试时提高效率。)
INTEST指令 ---可选指令
选择INTEST指令时,IC工作在边界扫描内部测试模式(internal boundary-test mode),选择边界扫描寄存器连通TDI和TDO。在这种指令下,可以通过边界扫描输出单元来驱动测试信号至其内部逻辑,以及通过边界扫描输入单元来从 其内部逻辑接受测试信号。
RUNBIST指令 ---可选指令
选择RUNBIST指令时,IC工作在自测试模式(self-test mode),对IC的内部逻辑进行全面的自测试,通过选择用户自定义的数据寄存器连通TDI和TDO。在这种指令下,边界扫描单元的输出被内部逻辑控制了,所以外部信号不能干扰其相邻IC。
IDCODE指令 ---可选指令
选择IDCODE指令时,IC工作在正常工作模式,选择数据识别寄存器(data identification register)连通TDI和TDO。数据识别寄存器是一个32位的寄存器,内容包括IC的生产厂商,芯片类型,版本等。访问数据识别寄存器不会影响 IC的正常工作。由于IDCODE指令是可选的,不是每个芯片都有的,所以当对一个边界扫描链(scan chain)执行IDCODE指令来输出所有IDCODE时,有IDCODE指令的芯片就选择IDCODE寄存器,输出输出IDCODE,没有 IDCODE指令的芯片会自动选择BYPASS寄存器,输出一个“0”。
(读取CPU ID号指令。在设计中存在device identification register时,TAP强制定义。该指令将处理器的ID号寄存器连接到TDI和TDO之间。)
USERCODE指令 ---可选指令
选择USERCODE指令时,IC工作在正常工作模式,选择用户自定义数据寄存器(user defined test data register)连通TDI和TDO。USERCODE指令一般是在进行芯片内部测试时用的。
CLAMP指令 ---可选指令
CLAMP指令使IC的输出置于由边界扫描寄存器的当前内容决定的逻辑电平上,选择BYPASS寄存器连通 TDI和TDO。在加载这个指令之前,边界扫描寄存器的内容可以由SAMPLE/PRELOAD指令来预置。在CLAMP指令下,数据通过BYPASS寄 存器从TDI传递至TDO,不会影响此IC的输出。
HIGHZ指令 ---可选指令
HIGHZ指令使IC的所有输出置于高阻状态,选择BYPASS寄存器连通TDI和TDO。在HIGHZ指令下,数据通过BYPASS寄存器从TDI传递至TDO,不会影响此IC的输出。
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