引言
IEEE 1149.1邊界掃描測試標準(通常稱為JTAG、1149.1或"dot 1")是一種用來進行復雜IC與電路板上的特性測試的工業(yè)標準方法，大多數(shù)復雜電子系統(tǒng)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(tǒng)開發(fā)與設(shè)計中是如何使用JTAG的，通過借助過去有關(guān)JTAG接入的經(jīng)驗或投入，推動設(shè)計向新一代發(fā)展。
大多數(shù)復雜電子系統(tǒng)都以這種或那種方式用到了IEEE1149.1(JTAG)標準。如果系統(tǒng)采用的是復雜FPGA或CPLD，那么幾乎可 以肯定這些硬件是通過JTAG端口設(shè)置的。如果系統(tǒng)利用仿真工具來調(diào)試硬件或軟件，那么仿真工具也很可能是通過JTAG端口與微處理器對話。而且，如果系 統(tǒng)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支持JTAG測試的4線串行總線(第5條線為可選的復位線)-TDI(測試數(shù)據(jù)輸入)、TDO(測 試數(shù)據(jù)輸出)、TMS(測試模式選擇)與TCK(測試時鐘)。該總線主要支持對焊點、電路板過孔、短路和開路等連接進行結(jié)構(gòu)測試。此外，許多CPLD和 FPGA制造商也將JTAG作為其器件在系統(tǒng)編程與配置的標準方法。JTAG不但支持結(jié)構(gòu)(互連)測試，如今還是一種用于在系統(tǒng)級實現(xiàn)配置、編程以及混合 信號測試的標準方法。
但大多數(shù)設(shè)計團隊都在新設(shè)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(zhuǎn)為全面利用JTAG接口。有些團隊規(guī) 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(guī)則都根據(jù)其自身的需要調(diào)整JTAG。在各種規(guī)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，具有某種增強功能。
圖1：第二代JTAG應用：利用JTAG多支路復用器簡化對多個JTAG鏈的接入。
由于存在各種各樣的JTAG接入要求，所以開發(fā)團隊必需采用一種跨規(guī)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 于實現(xiàn)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(gòu)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(tǒng)開發(fā)與設(shè)計中是 如何使用JTAG的，目的是通過借助過去有關(guān)JTAG接入的經(jīng)驗或投入，推動設(shè)計向新一代發(fā)展。
JTAG應用的各個階段
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。
這是一種最簡單的方法，幾乎甚至完全不需要進行任何軟件工具投資，通常使用IC廠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，也沒有可用于生成測試或編程的矢量的軟件。這時的JTAG接入只在生產(chǎn)時用于配置CPLD或?qū)﹂W存編程。稍復雜一些的板卡也可以用 它來做測試。
然而，這并不是成本最低的方法。因為每種規(guī)則都有可能會為其自身的需要用一個單獨的JTAG接頭(header)，于是一塊電路板上就得 用多個JTAG接頭，從而增加了成本，也占用了電路板空間。而且，每種規(guī)則可能都會開發(fā)它們自己的“自制”軟件工具和硬件，以實現(xiàn)與JTAG特性的交互， 而這些軟件工具和硬件對其他規(guī)則(discipline)而言卻是多余的。所以，采用這種方法開發(fā)的產(chǎn)品受其定制開發(fā)的影響，很難轉(zhuǎn)移到新一代的產(chǎn)品中 去。如果在生產(chǎn)中采用，這種方法也會增加成本，因為它需要進行多次插入。
許多開發(fā)團隊都被這一代JTAG應用綁住了手腳。最終，當系統(tǒng)復雜性持續(xù)增大時，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， 不同的開發(fā)團隊規(guī)則對在新板卡設(shè)計上采用JTAG功能進行管理。該階段的JTAG應用需要一定程度的ATPG(自動測試程序生成)軟件工具(這類軟件工具 具有穩(wěn)健的診斷功能)投資，用于對編程和測試矢量的開發(fā)和傳送進行管理。這類ATPG工具的供應商提供從簡單的針對每一任務(wù)的矢量生成的支持與咨詢服務(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策略性IC器件-JTAG復用器件，目的是去除電路板上的多個1149.1接頭并管理多個JTAG通路。這個JTAG復用器件所占用的電路板空間通常比一個JTAG接頭還小，但卻簡化了元件的隔離，也簡化了提高接入效率所需掃描路徑的組織。
例如，開發(fā)人員可能會希望將不同廠商的FPGA隔離在不同的掃描鏈中，以便簡化利用每個廠商提供的工具接入JTAG的過程。另外，我們可能 還希望將微處理器放在一個單獨的掃描鏈中，從而在仿真工具調(diào)試軟件或在閃存寫程序時，最大程度提高微處理器的運行速度。ATPG廠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單，直接提供交鑰匙的方案。
圖2：第三代J：將JTAG總線的擴展到在整個背板以連接多個板卡。
如今我們的第二代設(shè)計都只有一個單獨的JTAG接入點，在這種基本配置下，整個板卡的所有仿真、配置和1149.1測試都可以在一次插入中，在一個測試站(test station)上用一個基于PC的系統(tǒng)來實現(xiàn)。
在這一階段出現(xiàn)了一種新的JTAG總線應用-在產(chǎn)品的整個生命周期中都能利用JTAG接入功能。例如，可以將整個電路板級的矢量圖 (vector image)存檔，以便在需要現(xiàn)場服務(wù)時，對板卡重新編程或調(diào)試。同樣的接入功能還可以用于現(xiàn)場FPGA固件升級，或用于診斷一個FRU(現(xiàn)場可替換單 元)中的問題。返回廠家進行故障分析的設(shè)備也可以利用同一組矢量圖(以及廠家或開發(fā)測試站)來對問題進行隔離。
如果說這一代JTAG應用有什么缺點，那就是開發(fā)團隊通常還抱著單一板卡的心態(tài)。這是一種常有的心態(tài)，認為設(shè)計團隊的責任只局限于其設(shè)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(xiàn)了瓶頸，限制了使用JTAG實現(xiàn)多板卡的能力。
第三代JTAG應用
當能夠?qū)σ粋€背板上的多板卡系統(tǒng)級使用到JTAG的特性時，就實現(xiàn)了下一代JTAG接入。在這種環(huán)境下，仍然能夠單獨實現(xiàn)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 但促進了單板卡上不同規(guī)則的設(shè)計團隊相互合作，也促進了整個系統(tǒng)下不同板卡設(shè)計團隊之間的合作。如果在上一代JTAG應用中采用了一個JTAG多路器，那 么這個多路器支持多支路(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板卡，就能實現(xiàn)系統(tǒng)級的配置或編程(例如，JTAG可以并行接入多塊板卡)。
如果驅(qū)動器/接收器對允許進行JTAG可接入的全速BIST(內(nèi)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行測試，或者驗證板卡間的高速LVDS串行連接。或這些高速互連都是電容性耦合，并且驅(qū)動器/接收 器支持，則可以進行IEEE 1149.6測試。
利用與第二代同樣的設(shè)備-一個基于PC的JTAG站，就能使用所有這些JTAG功能。這個基于PC的JTAG站用作JTAG主控設(shè)備，通過一組單獨的線路連接到背板上的JTAG接頭。這個主控設(shè)備負責驅(qū)動測試矢量，并管理整個背板上的器件接入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(tǒng)運行時，通過這個邊帶(sideband)JTAG通道可以訪問整個系統(tǒng)。具備了這一功能，這使得很多系統(tǒng)級功能得以實現(xiàn)，例如在線“健康”狀況監(jiān)測、故障預測、故障檢測、故障插入(用于故障轉(zhuǎn)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(tǒng)內(nèi)部時，對JTAG的應用就達到了最高級別，即第四代。第四代JTAG應用采用了一個板載JTAG主控制器來驅(qū)動背板JTAG總線。同時，還利用板載存儲器存儲測試矢量，并利用一個微處理器驅(qū)動JTAG主控制器。多板卡系統(tǒng)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(shè)置一個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 功能都能通過遠程方式實現(xiàn)，包括編程、配置、互連測試以及診斷，從而極大降低了現(xiàn)場服務(wù)與支持所需的成本。當需要升級一個現(xiàn)場系統(tǒng)的固件時，直接將新的配 置文件下載到JTAG主控制器上，再由JTAG主控制器通過背板JTAG總線將其發(fā)給目標器件即可。當然，在生產(chǎn)時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接入可以通過外部或內(nèi)部啟動，也可以由某些系統(tǒng)事件啟動，例如系統(tǒng)上電或電源復位。
本文小結(jié)
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開發(fā)規(guī)則的策略，并使管理者相信這種策略能夠帶來經(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評估或?qū)崿F(xiàn)新的JTAG功能。而且，如果開發(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總線的功用。
增大JTAG結(jié)構(gòu)的復雜性并不一定會成為系統(tǒng)的負擔，恰恰相反，這樣才能完全地發(fā)揮JTAG作為一個受到廣泛支持的，對現(xiàn)代復雜電子系統(tǒng)進行系統(tǒng)級測試、編程、配置和的健康狀態(tài)監(jiān)控的工業(yè)標準方法的全部價值。