基于JTAG的星型扫描技术的研究

摘  要： 传统的串型扫描拓扑结构已经不能满足系统发展所要求的测试任务，随着边界扫描技术的飞速发展，IEEE 1149.7标准提出了支持星型拓扑扫描功能的TAP.7接口规范。重点对TAP.7接口的星型扫描技术进行了深入的研究，详细介绍了基于JTAG的具有星型扫描功能接口的设计原理,重点对此TAP.7接口进行了设计，并对共享DTS连接的拓扑技术分支选择和星型扫描功能进行了仿真验证。
关键词：串型扫描；星型拓扑；TAP.7接口；技术分支

    边界扫描测试技术飞速发展，测试与调试功能不断增强，硬件IP模块向集成多个内核方向发展，以往芯片中传统的测试访问端口（TAP）中嵌入单一的测试访问端口控制器（TAPC）逐渐被系统芯片中嵌入多个TAPC所取代。为使单芯片中集成多TAPC的操作规范标准化，2009年提出的新的测试标准IEEE 1149.7。为解决系统集成复杂度越来越高所带来的测试调试任务困难，标准规范了一种支持星型扫描功能的IEEE 1149.7测试访问端口（在本文中称为TAP.7接口），其接口在原有的IEEE1149.1端口（JTAG）器件的基础上提供新的功能与特征[1]。目前，大量的集成系统和芯片接口都为IEEE 1149.1标准规范测试访问端口（TAP.1接口），既满足复杂系统测试的需要，又避免了重复开发所带来的浪费，最大化地重复利用目前已有的IEEE 1149.1 IP，基于原有JTAG器件的星型扫描技术的研究非常有应用价值和市场需求，本文针对支持星型扫描功能的接口进行研究、设计及验证。
1 IEEE 1149.7标准简介
     IEEE 1149.7标准以IEEE 1149.1-2001边界扫描标准为基础，保持与之兼容的同时还增加新特性以支持测试与调试的扩展功能。标准规范了新特性的IEEE 1149.7测试访问端口（在本文中称为TAP.7接口）结构和控制时序逻辑，与IEEE 1149.1标准规范测试访问端口（TAP.1接口）所不同的是芯片中可嵌入多个测试存取端口控制器（TAPC），并给它们划分等级。标准中规范的TAPC等级由高到低包括：ADTAPC、CLTAPC和EMTAPC，它们在接口中成串型连接，且高等级的TAPC控制和管理低等级的TAPC。在功能特性方面：TAP.7接口定义了T0~T5 6个功能层次，每一层向上体现升级特性，向下体现兼容特性。T0层在启动时提供与TAP.1接口所规定的操作行为；T1层主要增加了电源控制功能；T2层增加了芯片级旁路功能，同时提供一种“热连接保护”作用；T3层增加了支持4-线星型拓扑扫描的机制；T4层提供了支持2-引脚连接方式的功能特性； T5层增加数据传输功能以及支持边界扫描以外的其他功能。
2 基于JTAG的TAP.7接口的升级特性
    IEEE 1149.7测试标准定义了一种以IEEE 1149.1测试标准为基础的调试及测试系统(DTS)与目标系统(TS)之间的连接。此连接表现为：在IEEE 1149.1标准规范测试访问端口[2]（在本文中简称TAP.1接口）上添加一个由IEEE 1149.7标准规范的标准控制逻辑来实现新的功能特性(在本文中称添加层为TAP.7控制器)。TAP.7控制器主要为IEEE 1149.7标准规范的测试调试信号与IEEE 1149.1标准规范IP的TAP.1接口提供兼容的测试调试接口（本文中简称TAP.7接口），这样可在原有TAP.1接口上对调试与测试新功能升级，其TAP.7接口升级特性的测试连接框图如图1所示。

    如图1所示，TAP.7接口升级层中TAP控制器为ADTAPC（在本文中简称为TAPC），主要完成对TAP.7信号的控制操作，从而实现新的升级功能特性，并将TAP.7信号的测试与调试逻辑解码为符合TAP.1接口的时序信号，从而完成对IEEE 1149.1器件TAPC的控制。IEEE 1149.1 IP也可认为是具有符合IEEE 1149.1测试标准的测试JTAG口的器件[3] (在本文中以后简称为STL)，其中包含的TAP控制器(在本文中统称为芯片级TAPC即CLTAPC)是完全符合IEEE 1149.1测试标准规范的TAP接口，主要完成器件的测试与调试逻辑的控制，从而完成相应的测试与调试任务。
3 星型扫描技术接口的原理及设计
    完整的TAP.7接口升级层包括RSU、APU、EPU。RSU（复位选择单元）提供复位操作和TAP.7控制器选择取消操作。EPU(扩展协议单元)主要为T1-T3层  TAP.7接口提供了一个IEEE 1149.1 接口。APU为T4-T5层提供窄式（2-引脚）或宽式（4-引脚）TAP.7接口，为高级协议操作提供硬件支撑。根据实际功能的设计需求，TAP.7控制器可以由RSU、EPU和APU 中的任意组合构成，为TAP.7信号与STL的TAP.1接口之间提供了一座桥梁，且RSU、APU和EPU层并不影响STL扫描路径的长度。
3.1 星型扫描功能接口硬件设计
    4-线星型扫描拓扑功能是TAP.7接口T0~T3层所定义的，组成星型拓扑的技术分支是广义的，可包括：TAP.7接口串型拓扑的技术分支、4线星型拓扑的技术分支、TAP.1接口的串型技术分支和其他的技术分支。本文主要是对前两种技术分支共享DTS连接的扫描功能进行研究。根据TAP.7功能扩展性和硬件层次性，星型扫描功能的TAP.7接口硬件层主要包括：RUS和EPU单元。其硬件设计原理框图如图2所示。

    图2中，RSU单元层主要实现TAP.7控制器的在线或离线状态的控制操作，可以将不必要进行测试调试的控制器置于离线状态，大大优化了测试调试操作。在星型扫描拓扑或多种扫描拓扑技术分支共享DTS操作时， RSU单元提供了选择不同技术分支和控制器的功能。EPU单元的功能是将TAP.7信号解码成符合IEEE 1149.1标准规范的TAP.1信号，实现对CLTAPC的控制和完成STL的调试测试任务。
3.2 星型扫描技术接口设计原理
    星型扫描的应用，可以优化扫描链的长度，它是并行的连接方式，因此在TAP可以灵活地添加或移出测试系统（比如：插卡式构架）中，星型扫描拓扑是很有效的。支持星型扫描的TAP.7接口具备以下功能：(1)支持星型扫描拓扑中的寻址能力。(2)JTAG接口中的TDO数据的驱动冲突保护。(3)在多技术分支共享DTS的操作中，提供选择不同技术分支的操作。下面对这些功能的原理进行详细介绍。
3.2.1 TAPC停泊状态
    TAPC等级制度中存在一个称为“parking”（停泊）的TAPC 状态，当某一等级TAPC的状态处于停泊时，其高等级TAPC可操作，而该等级以及低等级TAPC不能操作，它的状态不随高等级TAPC的操作同步改变。某一等级TAPC控制的扫描链不作用时，TAPC的状态就可以停泊。选择与取消用来描述在任何等级中TAPC的扫描与停泊状态。支持星型扫描功能的TAP.7接口有TAP.7控制器的ADTAPC和STL的CLTAPC两个TAPC等级，其ADTAPC可以在任何状态下停泊，CLTAPC 状态可停泊的状态包括Test-Logic-Reset、Run-Test/Idle和Pause-XR状态。本文中取消与选择的设计，用门限时钟信号来达到对ADTAPC与CLTAC的选择与取消操作。
3.2.2 选择与取消
    在IEEE 1149.7标准规范中，选择与取消功能的实现方法一般包括取消选择逃脱和取消选择警报。在本文中主要设计和验证了逃脱的操作。逃脱（Escapes）就是在1 bit周期内，不改变正常的信息交换情况下，将控制信息加载到正常传输的TCK(C)与TMS(C)信号上。TAP.7控制器探测TCK为逻辑“1”时TMS边沿的数目值从而作为逃脱产生的条件。当边沿数为4或5时，产生一个取消逃脱，使控制器离线；当边沿数为6或7时，产生一个选择逃脱，告知随之而来的是一串选择序列[4]，如符合选择序列标准，将选择此控制器或控制器所在的技术分支并将它们置于在线状态，反之将置于离线。选择序列部分包括：技术相关部分与技术无关部分。其中技术无关部分指定要被选择的技术分支，技术相关部分响应在线申请和初始化在线设备。选择序列具体功能及格式如图3所示。

3.2.3 CID分配
    在传统的串型扫描拓扑中，TAP控制器在串型扫描链中与DTS的相对位置提供了直接寻址能力，使用星型拓扑时，串型扫描拓扑提供的寻址能力消失了，因为TAP控制器在扫描链中具有相同的相对位置。控制器地址（TCA）可由IEEE 1149.1 器件的识别码（27 bit）与节点识别码（8 bit）组成。在实际应用中，TS中的TAP数一般很少，这样35 bit的TCA显得开销过大。从而，可利用一条TAP.7命令[5]CIDA分配一个4 bit的控制器识别码（CID）给TAP.7控制器，也可利用一条TAP.7命令CIDD取消控制器的CID。DTS可动态地分配CID到不同的TAP.7控制器，因此16个CID可被大于16的TAP.7控制器使用。
3.2.4 SSD
    扫描选择指令（SSD）添加到TAP.7 控制器功能中用以提供一种在Pause-xR 或 Run-Test/Idle 状态停泊CLTAPC 的方式，它可防止星型扫描拓扑的TDO数据驱动冲突并提供与串型拓扑等价的扫描性能。SSD有三种类型：SSD_DA取消所有的CLTAPC；SSD_SA选择所有的CLTAPC；SSD_SOT或 SSD_SOC，根据TCA或CID选择目标CLTAPC。SSD_SOT与SSD_SOC 指令在不同的ADTAPC状态下有不同的操作：在Run-Test/Idle状态下， SSD传递的CID 或 TCA 与某一TAP.7控制器的CID或TCA匹配时，将选择这一TAP.7控制器的CLTAPC，但不对其他CLTAPC进行操作；但在Pause-XR状态下，它将选择目标CLTAPC，同时取消非目标CLTAPC。SSD必须在SSDE寄存器激活并且扫描格式支持星型扫描的情况下才能激活使用，SSD使用TDI数据来同时选择与取消一个或多个CLTAPC。
4 星型扫描技术接口的设计及验证
    在本文中，星型扫描技术接口是基于JTAG接口，根据硬件升级层次化的方法进行设计，并利用FPGA硬件平台进行设计和QuartusⅡ软件进行仿真验证。此接口的特点是在原有的TAP.1接口上添加了支持星型扫描技术的功能，此功能中最为关键的技术是技术分支的选择和串型等价扫描。下面重点对它们进行设计验证。
4.1 技术分支选择的设计及验证
    选择与取消逃脱的探测和一串选择序列完成技术分支的选择操作。TAP.7控制器通过扫描拓扑训练识别不同分支所在的位置。一旦训练完成，每一技术分支呈现出单独的技术特性，提供技术分支选择的基础。在选择序列中包含了选择技术分支的信息TOPOL寄存器值，不同的技术分支类型具有不同的TOPOL寄存器值。只有技术分支被选择，它才能被操作。技术分支选择的流程设计如图4所示。

    下面分别就长型选择序列和短型选择序列对技术分支选择功能进行仿真验证， 其验证仿真结果如图5所示。

4.2 串型等价扫描的设计及验证
　    在星型拓扑扫描技术中，提供了一种串型等价扫描的方法，这样既完成了星型扫描功能，又实现了TDO数据的驱动冲突保护。其具体设计过程为：
　 (1)选择所有的分支；
    (2)选择所有分支中的所有CLTAP，并指明标准协议的应用；
    (3)选择单一的技术分支,并将状态推进至Run-Test/Idle状态；
    (4)使用SSD指令选择技术分支中不参与串型等价扫描的STL，使它们成为闲置组成员(其余的 STL 为扫描组成员)；
　 (5)推进扫描组中的STL的CLTAPC状态移入Pause-xR 状态；
　 (6)使用SSD来识别一个扫描目标的STL，并对目标STL进行移位扫描，再回到Pause-xR状态，但不经过Update-xR状态，使其他不是闲置组成员的STL成为Pause-xR组成员(这使得被SSD识别的STL成为扫描组唯一的成员)；
　(7)对技术分支中不是闲置组成员的每一个STL重复步骤（6）；
　(8)待技术分支中所有非闲置组成员完成扫描移位后，选择技术分支中非闲置组的CLTAPC经过Update-xR状态，并最终回到Pause-xR状态，中间不经过Shift-xR 状态；
　(9)重复步骤（6）、（7），完成整个单一技术分支的扫描；
　(10)重复步骤(3)至(9)，完成所有技术分支的扫描；
　(11)将所有的CLTAPC状态同步到ADTAPC的状态，完成串型等价扫描的整个过程。
　串型等价扫描的设计流程如图6所示。

   串型等价扫描的关键是SSD操作，本文中，以单个TAP.7控制器和CLTAPC为例,对SSD指令的功能仿真验证，结果分别如图7所示。

    边界扫描测试技术广泛应用于超大规模集成电路中，测试标准的发展为测试接口设计提出了更高的要求。IEEE 1149.7测试标准中规范的TAP.7接口具有传统TAP.1接口所没有的功能特性，因此对它的研究具有深远意义。本文中设计的支持星型扫描技术的接口是一种基于原有JTAG器件的TAP.1接口，在TAP.1接口上添加相应的逻辑硬件层实现扩展功能的升级接口，在目前基于TAP.1接口的系统级测试中有很好的应用前景。本文中的接口设计方法具有良好的可扩展特性，为以后进一步功能升级奠定基础，从而避免了重复开发所带来的资源浪费,同时对IEEE 1149.7标准规范的系统器件的研究和设计具有很好的参考价值。
参考文献
[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] 陈光礻禹. 可测性设计技术[M].北京：电子工业出版社, 1997.
[4] 雷加,黄文君.基于IEEE1149.7边界扫描技术的研究[D]. 桂林:桂林电子科技大学,2011.
[5] 徐志磊.紧凑型JTAG接口的设计与验证 [D].上海:上海交通大学,2010.