基于JTAG的星型掃描技術(shù)的研究*

黃新，蔡俊

（桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004）

邊界掃描測試技術(shù)飛速發(fā)展，測試與調(diào)試功能不斷增強(qiáng)，硬件IP模塊向集成多個(gè)內(nèi)核方向發(fā)展，以往芯片中傳統(tǒng)的測試訪問端口（TAP）中嵌入單一的測試訪問端口控制器（TAPC）逐漸被系統(tǒng)芯片中嵌入多個(gè)TAPC所取代。為使單芯片中集成多TAPC的操作規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化，2009年提出的新的測試標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1149.7。為解決系統(tǒng)集成復(fù)雜度越來越高所帶來的測試調(diào)試任務(wù)困難，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了一種支持星型掃描功能的IEEE 1149.7測試訪問端口（在本文中稱為TAP.7接口），其接口在原有的IEEE1149.1端口（JTAG）器件的基礎(chǔ)上提供新的功能與特征[1]。目前，大量的集成系統(tǒng)和芯片接口都為IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范測試訪問端口（TAP.1接口），既滿足復(fù)雜系統(tǒng)測試的需要，又避免了重復(fù)開發(fā)所帶來的浪費(fèi)，最大化地重復(fù)利用目前已有的IEEE 1149.1 IP，基于原有JTAG器件的星型掃描技術(shù)的研究非常有應(yīng)用價(jià)值和市場需求，本文針對支持星型掃描功能的接口進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

1 IEEE 1149.7標(biāo)準(zhǔn)簡介

IEEE 1149.7標(biāo)準(zhǔn)以IEEE 1149.1-2001邊界掃描標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，保持與之兼容的同時(shí)還增加新特性以支持測試與調(diào)試的擴(kuò)展功能。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了新特性的IEEE 1149.7測試訪問端口（在本文中稱為TAP.7接口）結(jié)構(gòu)和控制時(shí)序邏輯，與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范測試訪問端口（TAP.1接口）所不同的是芯片中可嵌入多個(gè)測試存取端口控制器（TAPC），并給它們劃分等級。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)范的 TAPC等級由高到低包括：ADTAPC、CLTAPC和 EMTAPC，它們在接口中成串型連接，且高等級的TAPC控制和管理低等級的TAPC。在功能特性方面：TAP.7接口定義了T0～T5 6個(gè)功能層次，每一層向上體現(xiàn)升級特性，向下體現(xiàn)兼容特性。T0層在啟動(dòng)時(shí)提供與TAP.1接口所規(guī)定的操作行為；T1層主要增加了電源控制功能；T2層增加了芯片級旁路功能，同時(shí)提供一種“熱連接保護(hù)”作用；T3層增加了支持4-線星型拓?fù)鋻呙璧臋C(jī)制；T4層提供了支持2-引腳連接方式的功能特性；T5層增加數(shù)據(jù)傳輸功能以及支持邊界掃描以外的其他功能。

2 基于JTAG的TAP.7接口的升級特性

IEEE 1149.7測試標(biāo)準(zhǔn)定義了一種以IEEE 1149.1測試標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的調(diào)試及測試系統(tǒng) (DTS)與目標(biāo)系統(tǒng)(TS)之間的連接。此連接表現(xiàn)為：在IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范測試訪問端口[2]（在本文中簡稱TAP.1接口）上添加一個(gè)由IEEE 1149.7標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)控制邏輯來實(shí)現(xiàn)新的功能特性 (在本文中稱添加層為TAP.7控制器)。TAP.7控制器主要為IEEE 1149.7標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的測試調(diào)試信號與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范IP的TAP.1接口提供兼容的測試調(diào)試接口 （本文中簡稱TAP.7接口），這樣可在原有TAP.1接口上對調(diào)試與測試新功能升級，其TAP.7接口升級特性的測試連接框圖如圖1所示。

如圖1所示，TAP.7接口升級層中TAP控制器為ADTAPC（在本文中簡稱為TAPC），主要完成對TAP.7信號的控制操作，從而實(shí)現(xiàn)新的升級功能特性，并將TAP.7信號的測試與調(diào)試邏輯解碼為符合TAP.1接口的時(shí)序信號，從而完成對IEEE 1149.1器件TAPC的控制。IEEE 1149.1 IP也可認(rèn)為是具有符合IEEE 1149.1測試標(biāo)準(zhǔn)的測試JTAG口的器件[3](在本文中以后簡稱為STL)，其中包含的TAP控制器 (在本文中統(tǒng)稱為芯片級TAPC即CLTAPC)是完全符合IEEE 1149.1測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的TAP接口，主要完成器件的測試與調(diào)試邏輯的控制，從而完成相應(yīng)的測試與調(diào)試任務(wù)。

3 星型掃描技術(shù)接口的原理及設(shè)計(jì)

完整的TAP.7接口升級層包括RSU、APU、EPU。RSU（復(fù)位選擇單元）提供復(fù)位操作和TAP.7控制器選擇取消操作。EPU(擴(kuò)展協(xié)議單元)主要為T1-T3層TAP.7接口提供了一個(gè)IEEE 1149.1接口。APU為T4-T5層提供窄式（2-引腳）或?qū)捠剑?-引腳）TAP.7接口，為高級協(xié)議操作提供硬件支撐。根據(jù)實(shí)際功能的設(shè)計(jì)需求，TAP.7控制器可以由RSU、EPU和APU中的任意組合構(gòu)成，為TAP.7信號與STL的TAP.1接口之間提供了一座橋梁，且RSU、APU和EPU層并不影響STL掃描路徑的長度。

3.1 星型掃描功能接口硬件設(shè)計(jì)

4-線星型掃描拓?fù)涔δ苁荰AP.7接口T0～T3層所定義的，組成星型拓?fù)涞募夹g(shù)分支是廣義的，可包括：TAP.7接口串型拓?fù)涞募夹g(shù)分支、4線星型拓?fù)涞募夹g(shù)分支、TAP.1接口的串型技術(shù)分支和其他的技術(shù)分支。本文主要是對前兩種技術(shù)分支共享DTS連接的掃描功能進(jìn)行研究。根據(jù)TAP.7功能擴(kuò)展性和硬件層次性，星型掃描功能的TAP.7接口硬件層主要包括：RUS和EPU單元。其硬件設(shè)計(jì)原理框圖如圖2所示。

圖2中，RSU單元層主要實(shí)現(xiàn)TAP.7控制器的在線或離線狀態(tài)的控制操作，可以將不必要進(jìn)行測試調(diào)試的控制器置于離線狀態(tài)，大大優(yōu)化了測試調(diào)試操作。在星型掃描拓?fù)浠蚨喾N掃描拓?fù)浼夹g(shù)分支共享DTS操作時(shí)，RSU單元提供了選擇不同技術(shù)分支和控制器的功能。EPU單元的功能是將TAP.7信號解碼成符合IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的TAP.1信號，實(shí)現(xiàn)對CLTAPC的控制和完成STL的調(diào)試測試任務(wù)。

3.2 星型掃描技術(shù)接口設(shè)計(jì)原理

星型掃描的應(yīng)用，可以優(yōu)化掃描鏈的長度，它是并行的連接方式，因此在TAP可以靈活地添加或移出測試系統(tǒng)（比如：插卡式構(gòu)架）中，星型掃描拓?fù)涫呛苡行У?。支持星型掃描的TAP.7接口具備以下功能：(1)支持星型掃描拓?fù)渲械膶ぶ纺芰Α?2)JTAG接口中的TDO數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)沖突保護(hù)。(3)在多技術(shù)分支共享DTS的操作中，提供選擇不同技術(shù)分支的操作。下面對這些功能的原理進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.2.1 TAPC停泊狀態(tài)

TAPC等級制度中存在一個(gè)稱為“parking”（停泊）的TAPC狀態(tài)，當(dāng)某一等級TAPC的狀態(tài)處于停泊時(shí)，其高等級TAPC可操作，而該等級以及低等級TAPC不能操作，它的狀態(tài)不隨高等級TAPC的操作同步改變。某一等級TAPC控制的掃描鏈不作用時(shí)，TAPC的狀態(tài)就可以停泊。選擇與取消用來描述在任何等級中TAPC的掃描與停泊狀態(tài)。支持星型掃描功能的TAP.7接口有TAP.7控制器的ADTAPC和STL的CLTAPC兩個(gè)TAPC等級，其ADTAPC可以在任何狀態(tài)下停泊，CLTAPC狀態(tài)可停泊的狀態(tài)包括Test-Logic-Reset、Run-Test/Idle和Pause-XR狀態(tài)。本文中取消與選擇的設(shè)計(jì)，用門限時(shí)鐘信號來達(dá)到對ADTAPC與CLTAC的選擇與取消操作。

3.2.2 選擇與取消

在IEEE 1149.7標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，選擇與取消功能的實(shí)現(xiàn)方法一般包括取消選擇逃脫和取消選擇警報(bào)。在本文中主要設(shè)計(jì)和驗(yàn)證了逃脫的操作。逃脫（Escapes）就是在1 bit周期內(nèi)，不改變正常的信息交換情況下，將控制信息加載到正常傳輸?shù)腡CK(C)與TMS(C)信號上。TAP.7控制器探測TCK為邏輯“1”時(shí)TMS邊沿的數(shù)目值從而作為逃脫產(chǎn)生的條件。當(dāng)邊沿?cái)?shù)為4或5時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)取消逃脫，使控制器離線；當(dāng)邊沿?cái)?shù)為6或7時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)選擇逃脫，告知隨之而來的是一串選擇序列[4]，如符合選擇序列標(biāo)準(zhǔn)，將選擇此控制器或控制器所在的技術(shù)分支并將它們置于在線狀態(tài)，反之將置于離線。選擇序列部分包括：技術(shù)相關(guān)部分與技術(shù)無關(guān)部分。其中技術(shù)無關(guān)部分指定要被選擇的技術(shù)分支，技術(shù)相關(guān)部分響應(yīng)在線申請和初始化在線設(shè)備。選擇序列具體功能及格式如圖3所示。

3.2.3 CID分配

在傳統(tǒng)的串型掃描拓?fù)渲?，TAP控制器在串型掃描鏈中與DTS的相對位置提供了直接尋址能力，使用星型拓?fù)鋾r(shí)，串型掃描拓?fù)涮峁┑膶ぶ纺芰οЯ?，因?yàn)門AP控制器在掃描鏈中具有相同的相對位置?？刂破鞯刂罚═CA）可由 IEEE 1149.1器件的識別碼（27 bit）與節(jié)點(diǎn)識別碼（8 bit）組成。在實(shí)際應(yīng)用中，TS中的TAP數(shù)一般很少，這樣35 bit的TCA顯得開銷過大。從而，可利用一條TAP.7命令[5]CIDA分配一個(gè)4 bit的控制器識別碼（CID）給TAP.7控制器，也可利用一條TAP.7命令 CIDD取消控制器的CID。DTS可動(dòng)態(tài)地分配CID到不同的TAP.7控制器，因此16個(gè)CID可被大于16的TAP.7控制器使用。

3.2.4 SSD

掃描選擇指令（SSD）添加到TAP.7控制器功能中用以提供一種在Pause-xR或Run-Test/Idle狀態(tài)停泊CLTAPC的方式，它可防止星型掃描拓?fù)涞腡DO數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)沖突并提供與串型拓?fù)涞葍r(jià)的掃描性能。SSD有三種類型：SSD_DA取消所有的 CLTAPC；SSD_SA選擇所有的CLTAPC；SSD_SOT或 SSD_SOC，根據(jù) TCA或 CID選擇目標(biāo)CLTAPC。SSD_SOT與SSD_SOC指令在不同的ADTAPC狀態(tài)下有不同的操作：在Run-Test/Idle狀態(tài)下，SSD傳遞的CID或 TCA與某一TAP.7控制器的CID或TCA匹配時(shí)，將選擇這一 TAP.7控制器的CLTAPC，但不對其他CLTAPC進(jìn)行操作；但在Pause-XR狀態(tài)下，它將選擇目標(biāo)CLTAPC，同時(shí)取消非目標(biāo)CLTAPC。SSD必須在SSDE寄存器激活并且掃描格式支持星型掃描的情況下才能激活使用，SSD使用TDI數(shù)據(jù)來同時(shí)選擇與取消一個(gè)或多個(gè)CLTAPC。

4 星型掃描技術(shù)接口的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

在本文中，星型掃描技術(shù)接口是基于JTAG接口，根據(jù)硬件升級層次化的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用FPGA硬件平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)和QuartusⅡ軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。此接口的特點(diǎn)是在原有的TAP.1接口上添加了支持星型掃描技術(shù)的功能，此功能中最為關(guān)鍵的技術(shù)是技術(shù)分支的選擇和串型等價(jià)掃描。下面重點(diǎn)對它們進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

4.1 技術(shù)分支選擇的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

選擇與取消逃脫的探測和一串選擇序列完成技術(shù)分支的選擇操作。TAP.7控制器通過掃描拓?fù)溆?xùn)練識別不同分支所在的位置。一旦訓(xùn)練完成，每一技術(shù)分支呈現(xiàn)出單獨(dú)的技術(shù)特性，提供技術(shù)分支選擇的基礎(chǔ)。在選擇序列中包含了選擇技術(shù)分支的信息TOPOL寄存器值，不同的技術(shù)分支類型具有不同的TOPOL寄存器值。只有技術(shù)分支被選擇，它才能被操作。技術(shù)分支選擇的流程設(shè)計(jì)如圖4所示。

下面分別就長型選擇序列和短型選擇序列對技術(shù)分支選擇功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其驗(yàn)證仿真結(jié)果如圖5所示。

4.2 串型等價(jià)掃描的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

在星型拓?fù)鋻呙杓夹g(shù)中，提供了一種串型等價(jià)掃描的方法，這樣既完成了星型掃描功能，又實(shí)現(xiàn)了TDO數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)沖突保護(hù)。其具體設(shè)計(jì)過程為：

(1)選擇所有的分支；

(2)選擇所有分支中的所有 CLTAP，并指明標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的應(yīng)用；

(3)選擇單一的技術(shù)分支,并將狀態(tài)推進(jìn)至Run-Test/Idle狀態(tài)；

(4)使用SSD指令選擇技術(shù)分支中不參與串型等價(jià)掃描的STL，使它們成為閑置組成員(其余的 STL為掃描組成員)；

(5)推進(jìn)掃描組中的STL的CLTAPC狀態(tài)移入Pause-xR狀態(tài)；

(6)使用SSD來識別一個(gè)掃描目標(biāo)的STL，并對目標(biāo)STL進(jìn)行移位掃描，再回到Pause-xR狀態(tài)，但不經(jīng)過Update-xR狀態(tài)，使其他不是閑置組成員的STL成為Pause-xR組成員(這使得被SSD識別的STL成為掃描組唯一的成員)；

(7)對技術(shù)分支中不是閑置組成員的每一個(gè)STL重復(fù)步驟（6）；

(8)待技術(shù)分支中所有非閑置組成員完成掃描移位后，選擇技術(shù)分支中非閑置組的CLTAPC經(jīng)過UpdatexR狀態(tài)，并最終回到Pause-xR狀態(tài)，中間不經(jīng)過ShiftxR狀態(tài)；

(9)重復(fù)步驟（6）、（7），完成整個(gè)單一技術(shù)分支的掃描；

(10)重復(fù)步驟(3)至(9)，完成所有技術(shù)分支的掃描；

(11)將所有的CLTAPC狀態(tài)同步到ADTAPC的狀態(tài)，完成串型等價(jià)掃描的整個(gè)過程。

串型等價(jià)掃描的設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

串型等價(jià)掃描的關(guān)鍵是SSD操作，本文中，以單個(gè)TAP.7控制器和CLTAPC為例,對SSD指令的功能仿真驗(yàn)證，結(jié)果分別如圖7所示。

邊界掃描測試技術(shù)廣泛應(yīng)用于超大規(guī)模集成電路中，測試標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展為測試接口設(shè)計(jì)提出了更高的要求。IEEE 1149.7測試標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)范的TAP.7接口具有傳統(tǒng)TAP.1接口所沒有的功能特性，因此對它的研究具有深遠(yuǎn)意義。本文中設(shè)計(jì)的支持星型掃描技術(shù)的接口是一種基于原有JTAG器件的TAP.1接口，在TAP.1接口上添加相應(yīng)的邏輯硬件層實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展功能的升級接口，在目前基于TAP.1接口的系統(tǒng)級測試中有很好的應(yīng)用前景。本文中的接口設(shè)計(jì)方法具有良好的可擴(kuò)展特性，為以后進(jìn)一步功能升級奠定基礎(chǔ)，從而避免了重復(fù)開發(fā)所帶來的資源浪費(fèi)，同時(shí)對IEEE 1149.7標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的系統(tǒng)器件的研究和設(shè)計(jì)具有很好的參考價(jià)值。

[1]IEEE Std 1149.7.IEEE Standard for Reduced-Pin and Enhanced-Functionality Test Access Port and Boundary-Scan Architecture[S].IEEE Standard Board,2009.

[2]IEEE Std 1149.1-2001.IEEE Standard Test Access Port and Boundary-Scan Architecture[S].IEEE Standard Board,2001.

[3]陳光礻禹.可測性設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,1997.

[4]雷加,黃文君.基于 IEEE1149.7邊界掃描技術(shù)的研究[D].桂林:桂林電子科技大學(xué),2011.

[5]徐志磊.緊湊型JTAG接口的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 [D].上海:上海交通大學(xué),2010.