滿(mǎn)足的嵌入式系統電路特性測試需求的JTAG技術(shù)

引言：EEE 1149.1邊界掃描測試標準(通常稱(chēng)為JTAG、1149.1或dot 1)是一種用來(lái)進(jìn)行復雜IC與電路板上的特性測試的工業(yè)標準方法，大多數復雜電子系統都以這種或那種方式用到了IEEE1149.1(JTAG)標準。為了更好地理解這種方法，本文將探討在不同年代的系統開(kāi)發(fā)與設計中是如何使用JTAG的，通過(guò)借助過(guò)去有關(guān)JTAG接入的經(jīng)驗或投入，推動(dòng)設計向新一代發(fā)展。

大多數復雜電子系統都以這種或那種方式用到了IEEE1149.1(JTAG)標準。如果系統采用的是復雜FPGA或CPLD，那么幾乎可 以肯定這些硬件是通過(guò)JTAG端口設置的。如果系統利用仿真工具來(lái)調試硬件或軟件，那么仿真工具也很可能是通過(guò)JTAG端口與微處理器對話(huà)。而且，如果系 統中采用了球柵陣列(BGA)封裝的IC，那么JTAG也是測試BGA器件與底層印制電路板之間連接的最有效方法。

支持EEE 1149.1邊界掃描測試標準的IC與電路板都具備一個(gè)支持JTAG測試的4線(xiàn)串行總線(xiàn)(第5條線(xiàn)為可選的復位線(xiàn))-TDI(測試數據輸入)、TDO(測 試數據輸出)、TMS(測試模式選擇)與TCK(測試時(shí)鐘)。該總線(xiàn)主要支持對焊點(diǎn)、電路板過(guò)孔、短路和開(kāi)路等連接進(jìn)行結構測試。此外，許多CPLD和 FPGA制造商也將JTAG作為其器件在系統編程與配置的標準方法。JTAG不但支持結構(互連)測試，如今還是一種用于在系統級實(shí)現配置、編程以及混合 信號測試的標準方法。

但大多數設計團隊都在新設計中對JTAG的應用更傾向于不一步到位，而是以一種更易掌控的方式慢慢轉為全面利用JTAG接口。有些團隊規 則(discipline)中廣泛利用了JTAG接口，有些則只利用了其中很有限的一部分。但每種規則都根據其自身的需要調整JTAG。在各種規則的共同 作用下，發(fā)展出了幾代不同的JTAG應用，每一代JTAG應用都有各自的特點(diǎn)，具有某種增強功能。

圖1：第二代JTAG應用：利用JTAG多支路復用器簡(jiǎn)化對多個(gè)JTAG鏈的接入。

由于存在各種各樣的JTAG接入要求，所以開(kāi)發(fā)團隊必需采用一種跨規則的JTAG接入策略以最大程度地發(fā)揮JTAG接入的功能。這種策略對 于實(shí)現一種標準方法非常必要，這種標準方法可以復用，并且下一代產(chǎn)品可以基于其構建。為了更好地理解這種方法，我們將探討在不同年代的系統開(kāi)發(fā)與設計中是 如何使用JTAG的，目的是通過(guò)借助過(guò)去有關(guān)JTAG接入的經(jīng)驗或投入，推動(dòng)設計向新一代發(fā)展。

JTAG應用的各個(gè)階段

在JTAG應用的第一階段，只用到了某些有關(guān)電路板的特性和功能，有關(guān)該方法的整理和標準化工作卻做得很少。

這是一種最簡(jiǎn)單的方法，幾乎甚至完全不需要進(jìn)行任何軟件工具投資，通常使用IC廠(chǎng)商提供的免費工具即可。該階段的JTAG通常不具備或者只 具備很有限的診斷功能，也沒(méi)有可用于生成測試或編程的矢量的軟件。這時(shí)的JTAG接入只在生產(chǎn)時(shí)用于配置CPLD或對閃存編程。稍復雜一些的板卡也可以用 它來(lái)做測試。

然而，這并不是成本最低的方法。因為每種規則都有可能會(huì )為其自身的需要用一個(gè)單獨的JTAG接頭(header)，于是一塊電路板上就得 用多個(gè)JTAG接頭，從而增加了成本，也占用了電路板空間。而且，每種規則可能都會(huì )開(kāi)發(fā)它們自己的“自制”軟件工具和硬件，以實(shí)現與JTAG特性的交互， 而這些軟件工具和硬件對其他規則(discipline)而言卻是多余的。所以，采用這種方法開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品受其定制開(kāi)發(fā)的影響，很難轉移到新一代的產(chǎn)品中 去。如果在生產(chǎn)中采用，這種方法也會(huì )增加成本，因為它需要進(jìn)行多次插入。

許多開(kāi)發(fā)團隊都被這一代JTAG應用綁住了手腳。最終，當系統復雜性持續增大時(shí)，要保持產(chǎn)品的競爭力，就必需采用一種JTAG接入策略。

第二代JTAG應用

在第二代JTAG應用中， 不同的開(kāi)發(fā)團隊規則對在新板卡設計上采用JTAG功能進(jìn)行管理。該階段的JTAG應用需要一定程度的ATPG(自動(dòng)測試程序生成)軟件工具(這類(lèi)軟件工具 具有穩健的診斷功能)投資，用于對編程和測試矢量的開(kāi)發(fā)和傳送進(jìn)行管理。這類(lèi)ATPG工具的供應商提供從簡(jiǎn)單的針對每一任務(wù)的矢量生成的支持與咨詢(xún)服務(wù)， 也提供生產(chǎn)用的多任務(wù)(multi-seat)全套軟件支持。

在每塊電路板上添加一個(gè)策略性IC器件-JTAG復用器件，目的是去除電路板上的多個(gè)1149.1接頭并管理多個(gè)JTAG通路。這個(gè)JTAG復用器件所占用的電路板空間通常比一個(gè)JTAG接頭還小，但卻簡(jiǎn)化了元件的隔離，也簡(jiǎn)化了提高接入效率所需掃描路徑的組織。

例如，開(kāi)發(fā)人員可能會(huì )希望將不同廠(chǎng)商的FPGA隔離在不同的掃描鏈中，以便簡(jiǎn)化利用每個(gè)廠(chǎng)商提供的工具接入JTAG的過(guò)程。另外，我們可能 還希望將微處理器放在一個(gè)單獨的掃描鏈中，從而在仿真工具調試軟件或在閃存寫(xiě)程序時(shí)，最大程度提高微處理器的運行速度。ATPG廠(chǎng)商對這些器件都提供了很 好的支持，因此軟件支持通常很簡(jiǎn)單，直接提供交鑰匙的方案。

圖2：第三代J：將JTAG總線(xiàn)的擴展到在整個(gè)背板以連接多個(gè)板卡。

如今我們的第二代設計都只有一個(gè)單獨的JTAG接入點(diǎn)，在這種基本配置下，整個(gè)板卡的所有仿真、配置和1149.1測試都可以在一次插入中，在一個(gè)測試站(test station)上用一個(gè)基于PC的系統來(lái)實(shí)現。

在這一階段出現了一種新的JTAG總線(xiàn)應用-在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中都能利用JTAG接入功能。例如，可以將整個(gè)電路板級的矢量圖 (vector image)存檔，以便在需要現場(chǎng)服務(wù)時(shí)，對板卡重新編程或調試。同樣的接入功能還可以用于現場(chǎng)FPGA固件升級，或用于診斷一個(gè)FRU(現場(chǎng)可替換單 元)中的問(wèn)題。返回廠(chǎng)家進(jìn)行故障分析的設備也可以利用同一組矢量圖(以及廠(chǎng)家或開(kāi)發(fā)測試站)來(lái)對問(wèn)題進(jìn)行隔離。

如果說(shuō)這一代JTAG應用有什么缺點(diǎn)，那就是開(kāi)發(fā)團隊通常還抱著(zhù)單一板卡的心態(tài)。這是一種常有的心態(tài)，認為設計團隊的責任只局限于其設計的板卡及其接口。然而，如果不能向第三代JTAG發(fā)展，那么這種JTAG應用就出現了瓶頸，限制了使用JTAG實(shí)現多板卡的能力。

第三代JTAG應用

當能夠對一個(gè)背板上的多板卡系統級使用到JTAG的特性時(shí)，就實(shí)現了下一代JTAG接入。在這種環(huán)境下，仍然能夠單獨實(shí)現單板卡級JTAG功能，而且 還可以利用到板卡間的功能。這一代JTAG應用不 但促進(jìn)了單板卡上不同規則的設計團隊相互合作，也促進(jìn)了整個(gè)系統下不同板卡設計團隊之間的合作。如果在上一代JTAG應用中采用了一個(gè)JTAG多路器，那 么這個(gè)多路器支持多支路(multi-drop)接入。采用一種尋址方案，可以將串行JTAG總線(xiàn)用于多支路配置，提供對多板卡的支持。而一旦JTAG能 夠接入一塊背板上的多個(gè)板卡，就能實(shí)現系統級的配置或編程(例如，JTAG可以并行接入多塊板卡)。

如果驅動(dòng)器/接收器對允許進(jìn)行JTAG可接入的全速BIST(內建自測)，也能測試板卡之間的背板互連，或者可以驗證板卡之間的高速 LVDS串行鏈接，那么就能對板卡間背板互連的完整性進(jìn)行測試，或者驗證板卡間的高速LVDS串行連接?；蜻@些高速互連都是電容性耦合，并且驅動(dòng)器/接收 器支持，則可以進(jìn)行IEEE 1149.6測試。

利用與第二代同樣的設備-一個(gè)基于PC的JTAG站，就能使用所有這些JTAG功能。這個(gè)基于PC的JTAG站用作JTAG主控設備，通過(guò)一組單獨的線(xiàn)路連接到背板上的JTAG接頭。這個(gè)主控設備負責驅動(dòng)測試矢量，并管理整個(gè)背板上的器件接入JTAG功能。

第三代JTAG應用中添加的一項最有意思的新功能，在系統運行時(shí)，通過(guò)這個(gè)邊帶(sideband)JTAG通道可以訪(fǎng)問(wèn)整個(gè)系統。具備了這一功能，這使得很多系統級功能得以實(shí)現，例如在線(xiàn)“健康”狀況監測、故障預測、故障檢測、故障插入(用于故障轉移測試或冗余度測試)以及診斷。

第四代JTAG應用

當測試矢量的傳送和管理發(fā)生在系統內部時(shí)，對JTAG的應用就達到了最高級別，即第四代。第四代JTAG應用采用了一個(gè)板載JTAG主控制器來(lái)驅動(dòng)背板JTAG總線(xiàn)。同時(shí)，還利用板載存儲器存儲測試矢量，并利用一個(gè)微處理器驅動(dòng)JTAG主控制器。多板卡系統級主控制器可以位于一塊單獨的板卡上的，也可以在每塊板卡上設置一個(gè)主控制器以增強控制性能。

到了第四代，所有前面幾代JTAG應用的 功能都能通過(guò)遠程方式實(shí)現，包括編程、配置、互連測試以及診斷，從而極大降低了現場(chǎng)服務(wù)與支持所需的成本。當需要升級一個(gè)現場(chǎng)系統的固件時(shí)，直接將新的配 置文件下載到JTAG主控制器上，再由JTAG主控制器通過(guò)背板JTAG總線(xiàn)將其發(fā)給目標器件即可。當然，在生產(chǎn)時(shí)只要將主控制器禁用，那么仍可使用基于 PC的JTAG接入站，這又進(jìn)一步增強了靈活性，也在所有集成度上提供了最多的接入選擇。

JTAG接入可以通過(guò)外部或內部啟動(dòng)，也可以由某些系統事件啟動(dòng)，例如系統上電或電源復位。

本文小結

迄今為止，JTAG應用與 集成中存在的最大障礙，就是如何讓人們認識到需要一種基于多個(gè)開(kāi)發(fā)規則的策略，并使管理者相信這種策略能夠帶來(lái)經(jīng)濟效益。一旦跨出了這一步，并且采用了 ATPG支持和JTAG復用器件，那么就更容易一步步或一代代地循序漸進(jìn)評估或實(shí)現新的JTAG功能。而且，如果開(kāi)發(fā)團隊能夠基于先前應用JTAG的經(jīng) 驗，就能更好地發(fā)揮JTAG總線(xiàn)的功用。

增大JTAG結構的復雜性并不一定會(huì )成為系統的負擔，恰恰相反，這樣才能完全地發(fā)揮JTAG作為一個(gè)受到廣泛支持的，對現代復雜電子系統進(jìn)行系統級測試、編程、配置和的健康狀態(tài)監控的工業(yè)標準方法的全部?jì)r(jià)值。