【JTAG】1149.1协议详解

目录

一、简介

二、测试访问端口

2.1 端口说明

2.2 TAP 控制器

2.3 指令、数据寄存器

三、边界扫描结构

3.1 结构概览

3.2 BSR基本结构类型

3.3 EXTEST指令

四、多TAP扫描链

一、简介

        1149.1协议定义了可包含在集成电路中的测试逻辑，以提供标准化的方法，其主要包含以下两点：

        1.测试板级（PCB）或其他基层上的不同芯片间的互联；

        2.测试芯片内部自身逻辑，可用于控制信号，也可用于观测信号。

        如下图所示，1149.1测试逻辑主要由边界扫描寄存器（boundary-scan register，BSR）、其他内建的控制或观测寄存器（Test Data Register，TDR）组成，并通过测试访问端口（Test Access Port，TAP）访问。JTAG内部逻辑寄存器的访问一般由两步组成：1.选择指令寄存器（选择地址）；2.指令寄存器使能后即选中了对应的数据寄存器。此外，一般BSR，IDCODE,BYPASS是必须的，TDR是可选的（根据用户需求定义）。

二、测试访问端口

2.1 端口说明

         JTAG信号引脚一共有4个或者5个（其中一个可选）。这些引脚仅用于测试目的，控制JTAG完成1149.1协议的操作。引脚信息如下：

        Test clock input（TCK）：该引脚为测试逻辑提供时钟，由于受板级以及芯片pad限制，一般频率为10MHz，频率占空比一般为50%。

        Test mode select input（TMS）：用于控制JTAG内部状态机跳转，切换到指定，该信号在TCK上升沿时被采样。

        Test data input（TDI）：串行输入指令/数据，该信号在TCK上升沿时被采样。

        Test data output（TDO）：串行输出指令/数据，该信号在TCK下降沿时被采样输出，外部指令以及数据在TDI和TDO之间传输。

        Test reset input（TRST*）：JTAG 内部逻辑全局异步复位信号，一般低电平有效。该信号时可选信号，原因是可以通过TMS shift 5拍1使状态机处于Test-Logic-Reset状态，也可以复位内部逻辑，所以不一定需要该信号。

2.2 TAP 控制器

        如下图所示，所有的JTAG操作的源头都是由一个具有16个状态的同步状态机控制的。该控制器使用TCK为时钟，使用TMS为其输入，如果需要复位时使用TRSTN。状态的跳转是由TMS输入1或者0决定的。状态机分为如下两列，左边绿色的是控制数据寄存器，右边蓝色的是控制指令寄存器。

        常用状态：

        Test-Logic-Reset : 控制器的第一个状态是复位状态。通过发出TRSTN或者在五个连续时钟内一直把TMS置为1可进入这种状态。在这种状态下，一个复位信号会被发送到所有寄存器组件，以将其重设为它们的初始状态。

        Run-Test/Idle：如果TMS为0，TAP控制器能进入的下一个状态是Idle状态，即空闲状态。当TMS为1时，退出该状态并进入下一个状态。IR状态走完进入DR状态时，可以走Run-Test/Idle状态，也可以不走。

        Select-DR-Scan/Select-IR-Scan：该状态是一个暂时状态。

        Capture-DR/Capture-IR:在该状态下，系统会发出指令寄存器ClockDR/ClockIR，并使其执行捕获操作。

        Shift-DR/Shift-IR:在该状态下，数据寄存器以及指令寄存器会被置于TDI和TDO之间，并且时钟上升沿时进行串行移位,TDO只在该状态下有效，其他状态TDO为High-Z。

        Update-DR/Update-IR：在该状态下，系统会更新对应的指令寄存器或数据寄存器。

2.3 指令、数据寄存器

        如下图所示，一般指令寄存器结构。当TAP状态处于Capture-IR时，系统发出CaptureEn信号，将Din信号捕获进Capture寄存器。当TAP处于Shift-IR时，系统发出ShiftEn信号，SI到SO通路被打通，可以进行移位操作。当TAP处于Update-IR时，系统发出UpdateIR信号，Update寄存器值更新到Capture 寄存器出输出值。

         指令寄存器的长度最短位2，目前业界一般使用4位或者8位。常用的指令寄存器如下

（以8位IR宽度举例）：

        BYPASS：一般指令为8‘hFF

        IDCODE: 一般指令为8’h01，指明器件可识别ID

        EXTEST：外测试指令，BSD指令集

        INTEST：内测试指令，BSD指令集

        PROLOAD：预加载指令，BSD指令集

         等等。

        数据寄存器结构类似于上面的指令寄存器，在这里就不重复描述了。除了上述描述的指令对应的数据寄存器外，还有可用户自定义的寄存器。

三、边界扫描结构

3.1 结构概览

        如下图所示，在芯片pad和内核逻辑之间插入BSR寄存器实现PAD可控测试目的。当BSR指令被选中时，data可以从TDI shift进8个BSR中，并从TDO口依次shift出对应的值。

3.2 BSR基本结构类型

        最基本的BSR类型是BC_4，只有1个mux和1个寄存器，不过它的使用也很局限，只可以用作观测信号，不可作为控制信号。 

        实用性更高的cell如BC_1 cell，可用于观测也可用于控制。 支持capture、shift、update功能，可用于输入或输出BSR cells。

         BC_2和BC_1有点类似，不同的是两个cell  capture的行为不一样，BC_1捕获的是data_in的值，而BC_2捕获的是update寄存器。

         BC_7最为复杂，支持双向port。

四、多TAP扫描链

        如下图所示，当前芯片设计中一般有多组TAP，多组TAP的解决方案有如下几种方式：

        1.第一种多个TAP相互独立，互不干扰，但是需要分别拉信号到PAD，这种方式浪费pad资源，一般很少用；

        2.第二种方案如下图所示，将所有的TAP 串联起来，TDI进TDO出，中间的TAP TDI/TDO首尾相接，其他信号TMS/TCK/TRSTN 共享。这样的好处是只用一组JTAG 引脚可以访问芯片内所有TAP。使用时，如果只操作其中一个TAP，其他TAP处于bypass状态，读到这里是否注意到这种方式的缺点：操作不同的TAP需要计算其他TAP BYAPSS占用的1bit，对于读出的数据不太友好，当然也可以通过软件处理得到想要的数据。

        3.第三种多个TAP用1到2组PAD控制，可以onehot控制，这涉及到TAP间如何切换，后续有空讲解这部分。