用JTAG邊界掃描測試電路板、BGA和互連

當第一批電路板樣板放在硬件工程師桌面的時(shí)候，在測試時(shí)他會(huì )感到非常困擾。工程師耗費幾個(gè)星期的時(shí)間設計電路圖和布板，現在電路板做出來(lái)了，上面也安裝好了元器件并拿在手上，現在必須確定它能否工作。工程師插上板子，加電并觀(guān)察。但沒(méi)有辦法檢測BGA下面微小到得用放大鏡才能看清楚的芯片引腳，工程師應該怎么辦？

BGA因為具有很多優(yōu)點(diǎn)，所以應用非常普遍。然而我們不能靠剝離器件來(lái)探測BGA下面的連線(xiàn)。X射線(xiàn)是一種可選的測試方案，但是，它們僅僅 呈現焊點(diǎn)的靜態(tài)圖像，而不是提供確保連接性所需的動(dòng)態(tài)電氣報告，因而極難判斷虛焊和可靠焊點(diǎn)之間的差異。人們總是希望一換掉BGA，問(wèn)題就會(huì )消失。這通常 是一種昂貴和耗時(shí)間的選擇方案，并且生產(chǎn)率非常低。

傳統的邊界掃描是另一種選擇方案，但是這通常需要一些昂貴的工具，并要創(chuàng )建測試向量和測試執行，整個(gè)過(guò)程要花很長(cháng)時(shí)間。所花費的時(shí)間長(cháng)短取決于設計文檔的穩定性和精度。此外，測試結果不是動(dòng)態(tài)的，它們通常是對電路板上所發(fā)現問(wèn)題的匯總。

最佳測試方案是存在于現有設計中的快速、簡(jiǎn)單和廉價(jià)的方案。許多BGA和大多數高端嵌入式處理器都支持通過(guò)IEEE 1149.1 JTAG接口進(jìn)行邊界掃描。

核心問(wèn)題在于：信號線(xiàn)是否被正確地連接到物理上無(wú)法用探頭接觸的BGA器件的某一引腳？該信號線(xiàn)可能是時(shí)鐘線(xiàn)、地址線(xiàn)、數據總線(xiàn)或任何感興趣的信號線(xiàn)。關(guān)鍵是對其在電路中進(jìn)行測試，以觀(guān)察其狀態(tài)是高、低或正發(fā)生狀態(tài)跳變，以及信號線(xiàn)是否連通。

基于JTAG的邊界掃描能以非傳統的方式獲得這些信息。概念很簡(jiǎn)單，即IC獲取其所有引腳的狀態(tài)并通過(guò)邊界掃描鏈重復地把這些狀態(tài)移出，并在個(gè)人電腦上同步顯示結果。用戶(hù)可以觀(guān)察BGA器件下面每一個(gè)可掃描引腳的動(dòng)態(tài)行為指示。

從顯示器可以實(shí)時(shí)觀(guān)察振蕩器是否連接到G17腳或者地址或數據總線(xiàn)的行為，與此同時(shí)，電路板上的電路可以不受干擾而保持正常運行。該技術(shù)的 最好之處在于電路不知道你在進(jìn)行測試，測試對電路的工作是完全透明的。測試應用程序以全速運行，在JTAG掃描鏈上的每一個(gè)器件都受到監測。

完成這類(lèi)測試的工具非常依賴(lài)于圖形用戶(hù)接口(GUI)。一旦電路板被描述到應用軟件中，屏幕上顯示的芯片圖就類(lèi)似于電路版圖中的封裝。因 為芯片的JTAG接口可能以菊花鏈排列，版圖可能僅包含一個(gè)處理器或一些BGA器件，或者可能包含許多器件，諸如處理器、門(mén)陣列、輸入/輸出控制器等。引 腳在屏幕上以彩色編碼顯示實(shí)時(shí)狀況，如引腳現在的邏輯電平或是否在發(fā)生狀態(tài)跳變。這就使測試非常直觀(guān)。當測試目的是簡(jiǎn)單的連通性和狀態(tài)檢查時(shí)，就消除了創(chuàng ) 建測試向量或測試執行的需要。

圖1：目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的JTAG調試工具

每一個(gè)器件都被發(fā)送JTAG指令EXTEST，以容許對器件上的每一根引腳進(jìn)行完全的控制。應用程序然后可以驅動(dòng)地址總線(xiàn)或切換到一根到連接器或LED的線(xiàn)，以檢查整個(gè)電路的連通性，所有這一切只要點(diǎn)擊鼠標就能完成。

所有具備JTAG端口的集成電路都將內建邊界掃描功能，其組成部分包括：圍繞被掃描器件邊界的較長(cháng)的移位寄存器和控制移位寄存器行為的狀態(tài)機。在邊界寄存器中的每一個(gè)寄存器位捕獲或控制器件上每一個(gè)引腳的某些方面。如果該位是緩沖器使能的，該寄存器位就可能控制若干引腳。

軟件應用程序引導狀態(tài)機把每一個(gè)引腳的狀態(tài)捕獲到邊界寄存器之中，然后將其移出JTAG端口。重復這個(gè)過(guò)程，并把結果顯示在屏幕上，就可以實(shí)時(shí)顯示在掃描鏈中的每一個(gè)器件的每一個(gè)引腳的行為。因為與測試向量法相比，通過(guò)顯示圖像可以做可視化分析，所以?huà)呙杷俣炔皇菃?wèn)題。

對于典型的門(mén)陣列，一個(gè)這樣的寄存器通常有300到400位；而對于處理器，最多有幾千位。邊界掃描描述語(yǔ)言文件(BSDL)定義了寄存器中每一位的含義。這些文件常見(jiàn)于IC供應商的網(wǎng)站，它們非常詳細、精確地描述了邊界掃描鏈中每一個(gè)單元的含義以及它與物理引腳的關(guān)系。

在器件中與每一個(gè)引腳相關(guān)的典型掃描單元有三種：1. 捕獲/控制進(jìn)入器件的信號；2. 捕獲/控制流出器件的信號；3. 捕獲/控制輸出緩沖器使能。如果引腳是一個(gè)專(zhuān)用的“輸入”引腳，它通常具有單個(gè)掃描單元。

JTAG接口只有4條線(xiàn)：測試數據輸入(TDI)、測試數據輸出(TDO)、測試時(shí)鐘(TCK)和測試模式選擇(TMS)。TCK是用于把數據讀入TDI引腳并把數據讀出TDO引腳的異步時(shí)鐘。TMS引腳被用于轉換TAP控制器的狀態(tài)機。

BSDL文件是免費的，邊界掃描電路已經(jīng)被構建在你的JTAG器件之中，而JTAG接頭在你的目標板上。接下來(lái)做的事就是編制合適的診斷應用程序，并開(kāi)始觀(guān)察BGA器件下面的情況。

Macraigor、XJTAG和Corellis等公司提供了很多工具，幫助硬件工程師最大限度地利用目標板內建的JTAG功能。面對價(jià) 格和功能各異的各種工具，你需要找到最適合你的測試要求的工具。所幸大多數可由JTAG解決的硬件問(wèn)題都可以采用合適的工具方便和快速地加以解決。

市場(chǎng)上存在廉價(jià)的工具，它不僅完全支持JTAG調試，而且配備極易使用的GUI。Macraigor Systems公司最近剛推出一種稱(chēng)為JSCAN的 工具，它除了能夠完成所有上述工作之外，還能完成許多其它測試任務(wù)。在應用程序中，包含各種虛擬LED和開(kāi)關(guān)，它們可以虛擬連接到BGA器件的引腳以幫助 監測和控制被測信號。它具有一個(gè)腳本記錄器，所以，你可以創(chuàng )造包含循環(huán)、用戶(hù)提示和查詢(xún)的簡(jiǎn)單測試腳本。該腳本被存儲在工業(yè)標準的SVF文件中，可以在 JSACN工具或任何SVF播放器上播放。這就容許你快速地測試多個(gè)電路板并即時(shí)了解哪塊板有問(wèn)題及其問(wèn)題的根源。

此外，該產(chǎn)品無(wú)論板上的處理器是否在運行，都能對閃存進(jìn)行編程。只要選擇一些選項，提供一個(gè)數據文件并點(diǎn)擊“編程”項，就能把信號信息 (地址、數據和控制)填入空位。JSCAN控制被測器件的所有引腳，并使用這些引腳對閃存編程。當然這需要假定你的閃存已經(jīng)連接到JTAG鏈中的一個(gè)或多 個(gè)器件。

JTAG Commander是一種較低級的工具，它直觀(guān)地輔助JTAG掃描鏈本身被診斷，并為硬件工程師提供了SVF和JAM目標代碼文件的播放器。

除了電路板測試外， Macraigor Systems公司還提供高端和低端調試工具，使軟件監測操作系統和運行在你的目標系統上的所有應用程序。