基于JTAG的星型掃描接口的設(shè)計(jì)及其仿真

邊界掃描測(cè)試技術(shù)飛速發(fā)展，測(cè)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(cè)試訪問(wèn)端口(TAP)中嵌入單一的測(cè)試訪問(wèn)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1149.7。為解決系統(tǒng)集成復(fù)雜度越來(lái)越高所帶來(lái)的測(cè)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(cè)試訪問(wèn)端口(在本文中稱(chēng)為T(mén)AP.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(cè)試訪問(wèn)端口(TAP.1接口)，既滿(mǎn)足復(fù)雜系統(tǒng)測(cè)試的需要，又避免了重復(fù)開(kāi)發(fā)所帶來(lái)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(chǎng)需求，本文針對(duì)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(jiǎn)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(cè)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(cè)試訪問(wèn)端口(在本文中稱(chēng)為T(mén)AP.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(cè)試訪問(wèn)端口(TAP.1接口)所不同的是芯片中可嵌入多個(gè)測(cè)試存取端口控制器(TAPC)，并給它們劃分等級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)范的TAPC等級(jí)由高到低包括：ADTAPC、CLTAPC和EMTAPC，它們?cè)诮涌谥谐纱瓦B接，且高等級(jí)的TAPC控制和管理低等級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)特性

IEEE 1149.7測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)定義了一種以IEEE 1149.1測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的調(diào)試及測(cè)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(cè)試訪問(wèn)端口[2](在本文中簡(jiǎn)稱(chēng)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(lái)實(shí)現(xiàn)新的功能特性(在本文中稱(chēng)添加層為T(mén)AP.7控制器)。TAP.7控制器主要為IEEE 1149.7標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的測(cè)試調(diào)試信號(hào)與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范IP的TAP.1接口提供兼容的測(cè)試調(diào)試接口(本文中簡(jiǎn)稱(chēng)TAP.7接口)，這樣可在原有TAP.1接口上對(duì)調(diào)試與測(cè)試新功能升級(jí)，其TAP.7接口升級(jí)特性的測(cè)試連接框圖如圖1所示。

如圖1所示，TAP.7接口升級(jí)層中TAP控制器為ADTAPC(在本文中簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)APC)，主要完成對(duì)TAP.7信號(hào)的控制操作，從而實(shí)現(xiàn)新的升級(jí)功能特性，并將TAP.7信號(hào)的測(cè)試與調(diào)試邏輯解碼為符合TAP.1接口的時(shí)序信號(hào)，從而完成對(duì)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試JTAG口的器件[3] (在本文中以后簡(jiǎn)稱(chēng)為STL)，其中包含的TAP控制器(在本文中統(tǒng)稱(chēng)為芯片級(jí)TAPC即CLTAPC)是完全符合IEEE 1149.1測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的TAP接口，主要完成器件的測(cè)試與調(diào)試邏輯的控制，從而完成相應(yīng)的測(cè)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(jí)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T(mén)1-T3層 TAP.7接口提供了一個(gè)IEEE 1149.1 接口。APU為T(mén)4-T5層提供窄式(2-引腳)或?qū)捠?4-引腳)TAP.7接口，為高級(jí)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T(mén)AP.7信號(hào)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(zhǎng)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(duì)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(cè)試調(diào)試的控制器置于離線狀態(tài)，大大優(yōu)化了測(cè)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(hào)解碼成符合IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的TAP.1信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)CLTAPC的控制和完成STL的調(diào)試測(cè)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?xún)?yōu)化掃描鏈的長(zhǎng)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(cè)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(duì)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(jí)制度中存在一個(gè)稱(chēng)為“parking”(停泊)的TAPC 狀態(tài)，當(dāng)某一等級(jí)TAPC的狀態(tài)處于停泊時(shí)，其高等級(jí)TAPC可操作，而該等級(jí)以及低等級(jí)TAPC不能操作，它的狀態(tài)不隨高等級(jí)TAPC的操作同步改變。某一等級(jí)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(lái)描述在任何等級(jí)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(jí)，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(mén)限時(shí)鐘信號(hào)來(lái)達(dá)到對(duì)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(hào)上。TAP.7控制器探測(cè)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(lái)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(wú)關(guān)部分。其中技術(shù)無(wú)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(qǐng)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(duì)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(mén)AP控制器在掃描鏈中具有相同的相對(duì)位置?？刂破鞯刂?TCA)可由IEEE 1149.1 器件的識(shí)別碼(27 bit)與節(jié)點(diǎn)識(shí)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(kāi)銷(xiāo)過(guò)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(shí)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(lèi)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(duì)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(lái)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(jí)層次化的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用FPGA硬件平臺(tái)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(duì)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(cè)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(guò)掃描拓?fù)溆?xùn)練識(shí)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(lèi)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(zhǎng)型選擇序列和短型選擇序列對(duì)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(guò)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(lái)識(shí)別一個(gè)掃描目標(biāo)的STL，并對(duì)目標(biāo)STL進(jìn)行移位掃描，再回到Pause-xR狀態(tài)，但不經(jīng)過(guò)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(shí)別的STL成為掃描組唯一的成員);

(7)對(duì)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(guò)Update-xR狀態(tài)，并最終回到Pause-xR狀態(tài)，中間不經(jīng)過(guò)Shift-xR 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(guò)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(duì)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(cè)試技術(shù)廣泛應(yīng)用于超大規(guī)模集成電路中，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展為測(cè)試接口設(shè)計(jì)提出了更高的要求。IEEE 1149.7測(cè)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(méi)有的功能特性，因此對(duì)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(jí)接口，在目前基于TAP.1接口的系統(tǒng)級(jí)測(cè)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(jí)奠定基礎(chǔ)，從而避免了重復(fù)開(kāi)發(fā)所帶來(lái)的資源浪費(fèi),同時(shí)對(duì)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。