基于JTAG的星型掃描技術的研究*

黃新，蔡俊

（桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004）

邊界掃描測試技術飛速發展，測試與調試功能不斷增強，硬件IP模塊向集成多個內核方向發展，以往芯片中傳統的測試訪問端口（TAP）中嵌入單一的測試訪問端口控制器（TAPC）逐漸被系統芯片中嵌入多個TAPC所取代。為使單芯片中集成多TAPC的操作規范標準化，2009年提出的新的測試標準IEEE 1149.7。為解決系統集成復雜度越來越高所帶來的測試調試任務困難，標準規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）器件的基礎上提供新的功能與特征[1]。目前，大量的集成系統和芯片接口都為IEEE 1149.1標準規范測試訪問端口（TAP.1接口），既滿足復雜系統測試的需要，又避免了重復開發所帶來的浪費，最大化地重復利用目前已有的IEEE 1149.1 IP，基于原有JTAG器件的星型掃描技術的研究非常有應用價值和市場需求，本文針對支持星型掃描功能的接口進行研究、設計及驗證。

1 IEEE 1149.7標準簡介

IEEE 1149.7標準以IEEE 1149.1-2001邊界掃描標準為基礎，保持與之兼容的同時還增加新特性以支持測試與調試的擴展功能。標準規范了新特性的IEEE 1149.7測試訪問端口（在本文中稱為TAP.7接口）結構和控制時序邏輯，與IEEE 1149.1標準規范測試訪問端口（TAP.1接口）所不同的是芯片中可嵌入多個測試存取端口控制器（TAPC），并給它們劃分等級。標準中規范的 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個功能層次，每一層向上體現升級特性，向下體現兼容特性。T0層在啟動時提供與TAP.1接口所規定的操作行為；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，同時提供一種“熱連接保護”作用；T3層增加了支持4-線星型拓撲掃描的機制；T4層提供了支持2-引腳連接方式的功能特性；T5層增加數據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測試標準定義了一種以IEEE 1149.1測試標準為基礎的調試及測試系統 (DTS)與目標系統(TS)之間的連接。此連接表現為：在IEEE 1149.1標準規范測試訪問端口[2]（在本文中簡稱TAP.1接口）上添加一個由IEEE 1149.7標準規范的標準控制邏輯來實現新的功能特性 (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標準規范的測試調試信號與IEEE 1149.1標準規范IP的TAP.1接口提供兼容的測試調試接口 （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，從而實現新的升級功能特性，并將TAP.7信號的測試與調試邏輯解碼為符合TAP.1接口的時序信號，從而完成對IEEE 1149.1器件TAPC的控制。IEEE 1149.1 IP也可認為是具有符合IEEE 1149.1測試標準的測試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 (在本文中統稱為芯片級TAPC即CLTAPC)是完全符合IEEE 1149.1測試標準規范的TAP接口，主要完成器件的測試與調試邏輯的控制，從而完成相應的測試與調試任務。

3 星型掃描技術接口的原理及設計

完整的TAP.7接口升級層包括RSU、APU、EPU。RSU（復位選擇單元）提供復位操作和TAP.7控制器選擇取消操作。EPU(擴展協議單元)主要為T1-T3層TAP.7接口提供了一個IEEE 1149.1接口。APU為T4-T5層提供窄式（2-引腳）或寬式（4-引腳）TAP.7接口，為高級協議操作提供硬件支撐。根據實際功能的設計需求，TAP.7控制器可以由RSU、EPU和APU中的任意組合構成，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計

4-線星型掃描拓撲功能是TAP.7接口T0～T3層所定義的，組成星型拓撲的技術分支是廣義的，可包括：TAP.7接口串型拓撲的技術分支、4線星型拓撲的技術分支、TAP.1接口的串型技術分支和其他的技術分支。本文主要是對前兩種技術分支共享DTS連接的掃描功能進行研究。根據TAP.7功能擴展性和硬件層次性，星型掃描功能的TAP.7接口硬件層主要包括：RUS和EPU單元。其硬件設計原理框圖如圖2所示。

圖2中，RSU單元層主要實現TAP.7控制器的在線或離線狀態的控制操作，可以將不必要進行測試調試的控制器置于離線狀態，大大優化了測試調試操作。在星型掃描拓撲或多種掃描拓撲技術分支共享DTS操作時，RSU單元提供了選擇不同技術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標準規范的TAP.1信號，實現對CLTAPC的控制和完成STL的調試測試任務。

3.2 星型掃描技術接口設計原理

星型掃描的應用，可以優化掃描鏈的長度，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（比如：插卡式構架）中，星型掃描拓撲是很有效的。支持星型掃描的TAP.7接口具備以下功能：(1)支持星型掃描拓撲中的尋址能力。(2)JTAG接口中的TDO數據的驅動沖突保護。(3)在多技術分支共享DTS的操作中，提供選擇不同技術分支的操作。下面對這些功能的原理進行詳細介紹。

3.2.1 TAPC停泊狀態

TAPC等級制度中存在一個稱為“parking”（停泊）的TAPC狀態，當某一等級TAPC的狀態處于停泊時，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，TAPC的狀態就可以停泊。選擇與取消用來描述在任何等級中TAPC的掃描與停泊狀態。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TAPC等級，其ADTAPC可以在任何狀態下停泊，CLTAPC狀態可停泊的狀態包括Test-Logic-Reset、Run-Test/Idle和Pause-XR狀態。本文中取消與選擇的設計，用門限時鐘信號來達到對ADTAPC與CLTAC的選擇與取消操作。

3.2.2 選擇與取消

在IEEE 1149.7標準規范中，選擇與取消功能的實現方法一般包括取消選擇逃脫和取消選擇警報。在本文中主要設計和驗證了逃脫的操作。逃脫（Escapes）就是在1 bit周期內，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的TCK(C)與TMS(C)信號上。TAP.7控制器探測TCK為邏輯“1”時TMS邊沿的數目值從而作為逃脫產生的條件。當邊沿數為4或5時，產生一個取消逃脫，使控制器離線；當邊沿數為6或7時，產生一個選擇逃脫，告知隨之而來的是一串選擇序列[4]，如符合選擇序列標準，將選擇此控制器或控制器所在的技術分支并將它們置于在線狀態，反之將置于離線。選擇序列部分包括：技術相關部分與技術無關部分。其中技術無關部分指定要被選擇的技術分支，技術相關部分響應在線申請和初始化在線設備。選擇序列具體功能及格式如圖3所示。

3.2.3 CID分配

在傳統的串型掃描拓撲中，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，使用星型拓撲時，串型掃描拓撲提供的尋址能力消失了，因為TAP控制器在掃描鏈中具有相同的相對位置。控制器地址（TCA）可由 IEEE 1149.1器件的識別碼（27 bit）與節點識別碼（8 bit）組成。在實際應用中，TS中的TAP數一般很少，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可動態地分配CID到不同的TAP.7控制器，因此16個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狀態停泊CLTAPC的方式，它可防止星型掃描拓撲的TDO數據驅動沖突并提供與串型拓撲等價的掃描性能。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 TCA或 CID選擇目標CLTAPC。SSD_SOT與SSD_SOC指令在不同的ADTAPC狀態下有不同的操作：在Run-Test/Idle狀態下，SSD傳遞的CID或 TCA與某一TAP.7控制器的CID或TCA匹配時，將選擇這一 TAP.7控制器的CLTAPC，但不對其他CLTAPC進行操作；但在Pause-XR狀態下，它將選擇目標CLTAPC，同時取消非目標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數據來同時選擇與取消一個或多個CLTAPC。

4 星型掃描技術接口的設計及驗證

在本文中，星型掃描技術接口是基于JTAG接口，根據硬件升級層次化的方法進行設計，并利用FPGA硬件平臺進行設計和QuartusⅡ軟件進行仿真驗證。此接口的特點是在原有的TAP.1接口上添加了支持星型掃描技術的功能，此功能中最為關鍵的技術是技術分支的選擇和串型等價掃描。下面重點對它們進行設計驗證。

4.1 技術分支選擇的設計及驗證

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

下面分別就長型選擇序列和短型選擇序列對技術分支選擇功能進行仿真驗證，其驗證仿真結果如圖5所示。

4.2 串型等價掃描的設計及驗證

在星型拓撲掃描技術中，提供了一種串型等價掃描的方法，這樣既完成了星型掃描功能，又實現了TDO數據的驅動沖突保護。其具體設計過程為：

(1)選擇所有的分支；

(2)選擇所有分支中的所有 CLTAP，并指明標準協議的應用；

(3)選擇單一的技術分支,并將狀態推進至Run-Test/Idle狀態；

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

(5)推進掃描組中的STL的CLTAPC狀態移入Pause-xR狀態；

(6)使用SSD來識別一個掃描目標的STL，并對目標STL進行移位掃描，再回到Pause-xR狀態，但不經過Update-xR狀態，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)對技術分支中不是閑置組成員的每一個STL重復步驟（6）；

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

(9)重復步驟（6）、（7），完成整個單一技術分支的掃描；

(10)重復步驟(3)至(9)，完成所有技術分支的掃描；

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

串型等價掃描的設計流程如圖6所示。

串型等價掃描的關鍵是SSD操作，本文中，以單個TAP.7控制器和CLTAPC為例,對SSD指令的功能仿真驗證，結果分別如圖7所示。

邊界掃描測試技術廣泛應用于超大規模集成電路中，測試標準的發展為測試接口設計提出了更高的要求。IEEE 1149.7測試標準中規范的TAP.7接口具有傳統TAP.1接口所沒有的功能特性，因此對它的研究具有深遠意義。本文中設計的支持星型掃描技術的接口是一種基于原有JTAG器件的TAP.1接口，在TAP.1接口上添加相應的邏輯硬件層實現擴展功能的升級接口，在目前基于TAP.1接口的系統級測試中有很好的應用前景。本文中的接口設計方法具有良好的可擴展特性，為以后進一步功能升級奠定基礎，從而避免了重復開發所帶來的資源浪費，同時對IEEE 1149.7標準規范的系統器件的研究和設計具有很好的參考價值。

[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.可測性設計技術[M].北京：電子工業出版社,1997.

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

[5]徐志磊.緊湊型JTAG接口的設計與驗證 [D].上海:上海交通大學,2010.