基于IEEE 1149．6标准的高速数字网络测试方法

第 44卷 第 2期 （ 总 第 172期 ）2015年 6月火 控 雷 达 技 术Fire Control Radar TechnologyVol. 44 No. 2(Series 172)Jun. 2015基 于 IEEE 1149.6标 准 的 高 速 数 字 网 络 测 试 方 法尤 路(中 国 电 子 科 技 集 团 公 司 第 38研 究 所 合 肥 230088)【 摘 要 】 随 着 高 速 信 号 测 试 需 求 的 逐 渐 增 加 ，IEEE 1149.6标 准 的 应 用 前 景 越 来 越 广 ， 本 文 从 IEEE 1149.6标 准 的 产 生 入 手 ， 主 要 介 绍 了 IEEE 1149.6标 准 与 IEEE 1149. 1标 准 的 区 别 ， 后 文 中 通 过 测 试 验 证 实 例 ， 详 细 介 绍 了 IEEE 1149.6标 准 中 的 故 障 类 型 ， 该 方 法 目 前 已 在 数 字 电 路 高 速 通 道 测 试 中 凸 显 作 用 。中 图 分 类 号 ： TN407 文 献 标 志 码 ：A 文 章 编 号 ： 1008-8652(20】 5)02-1205关 键 词 ： IEEE1149.6； IEEE1149. 1Method of Testing High Speed Digital Network Based on IEEE 1149. 6 StandardYou Lu(No. 38 Research Institute of CETC , Hefei 230088 )Abstract: As requirement of high speed signal testing increases gradually, the application prospect of the IEEE 1149.6 standard becomes more and more extensively. Starting from generation of IEEE 1149. 6 standard, the difference between the IEEE 1149. 1 and IEEE 1149. 6 standards is introduced. The fault type of the IEEE 1149. 6 standard is introduced in detail by way of test verification example. This method is functioned obviously in testing high speed digital circuit channel.Keywords: IEEE1149. 6； IEEE1149. 1o引 言在 髙 速 串 行通 信 中 ， 设计 者 更 倾 向采 用 差 分 信 号 传 输 ， 相比 于 单 端 信号 传 输 ， 它的 抗 干 扰 能力 和 故 障 容 错 能 力强 ， 而 且 失真 度 小 。 为了 提 高 对 差分 互 连 与 交 流 耦合 信 号 的 测试 能 力 ， 2001年 5月 ，Agilent 公 司 和 Cisco公 司 成 立 了“特 别 工 业工 作 组 ”开始 起 草 用 于 高 速数 字 网 络 的边 界 扫 描 标准 ， 2003年 IEEE计 算 机协 会 和 测 试技 术 标 准 委员 会 通 过 并公 布 了 该 标 准， 即 IEEE 1149.6 -2003。该 标 准 的 主要 任 务 是 设计 支 持 具 有鲁 棒 性 的 边 界 扫 描 测 试芯 片 ， 所 测试 的 信 号 通道 中 允 许 使用 差 分 信 号 交 流耦 合 技 术 。它 的 目 标 是提 高 IEEE 1149. 1的 检 测 能力 ， 以 保 持快 速 准 确 的检 测 和 诊 断 系 统 中 和 电路 板 上 的 互连 缺 陷 。 IEEE 1149. 6标 准定 义 的 测 试 同 时 适 用 于 IEEE 1149. 1传 统 数 字 网 络 测 试 和 IEEE 1149.4传 统 模 拟 网 络 测 试 ， 该 标 准 在 原 IEEE 1149. 1基 础 上 扩 充 了 边 界 扫 描 的 描 述 语 言 (BSDL),以 支 持 新 的 测 试 模 式 。 该 标 准 制 定 的 目 的 是 为 1C的 可 测 试 性 电 路 提 供 设 计 指 南 ， 当 这 些 1C 包 含 差 分 信 号 ， 具 有 交 流 耦 合 特 性 时 ， 可 以 方 便 地 以 更 高 的 故 障 覆 盖 率 对 其 进 行 板 级 和 系 统 级 测 试 。1 IEEE 1149. 6标 准1.1概 述IEEE 1149.6标 准 是 一 种 结 构 化 的 可 测 性 设 计 方 案 ， 兼 容 IEEE 1149.1数 字 电 路 边 界 扫 描 测 试 标 准 ， 并 在 此 基 础 上 ， 进 一 步 扩 充 了 测 试 资 源 ， 弥 补 了它 对 高 速 数 字 网 络 交 流 耦 合 、 差 分 互 连 等 测 试 能 力 的 不 足 。 具 体 来 说 ,对 于 数 字 电 路 中 的 直 流 耦 合 互 连 部收 稱 日 期 ： 2014-12-25作 者 简 介 ： 尤 路 （ 1988 -)， 男 ， 硕 士 研 究 生 。 研 究 方 向 为 电 子 信 息 工 程 。第 2期尤路：基于IEEE 1149.6标 准 的 高 速 数 字 网 络 测 试 方 法 113TMS)、 测 试 数 据 输 入 （Test Data In,TDI)、 测 试 数 据输 出 （Test Data Out， TDO)与 测 试 复 位 TRST* (TestResetJRSr， 该 管 脚 可 选 ） 。 同 时 ， 器 件 内 核 逻 辑与 外 部 I/O管 脚 之 间 嵌 人 了 边 界 扫 描 单 元 ， 这 些 单元 均 具 有 移 位 寄 存 器 的 特 征 ， 在 内 部 依 次 串 接 后 ， 首尾 分 别 与 测 试 管 脚 TDI和 TDO连 接 ， 形 成 一 条 芯 片内 部 的 边 界 扫 描 链 ， 如 图 2所 示 。 高 速 数 字 边 界 扫描 器 件 的 基 本 结 构 通 常 包 含 ： 边 界 扫 描 单 元 、TAP控 制 器 、 指 令 寄 存 器 、 指 令 译 码 器 、 旁 路 寄 存 器 与 其它 用 户 测 试 数 据 寄 存 器 等 。 若 电 路 板 上 有 多 个 边 界扫 描 器 件 ， 它 们 各 自 的 扫 描 链 则 以 菊 花 链 形 式 连 接 ，构 成 一 条 更 长 的 边 界 扫 描 链 。 当 测 试 进 行 时 ， 外 部测 试 控 制 器 将 通 过 这 条 链 向 各 器 件 串 行 移 人 测 试 指令 与 测 试 向 量 ， 并 采 集 反 馈 的 测 试 响 应 ， 完 成 测 试任 务 。1.3 IEEE 1149. 6交 流 测 试 指 令IEEE 1149.6标 准 是 IEEE 1149.1标 准 的 扩展 ， 兼 容 原 来 所 有 的 测 试 指 令 ， 同 时 ， 为 了 满 足 交 流收 单 $ 耦 合 、 差 分 互 连 测 试 的 需 要 ， 额 外 增 加 了 两 条 用 于 交流 外 测 试 的 指 令 ， 即 EXTEST一 PULSE和 EXTEST_TRAIN 0IEEE 1149.6标 准 提 供 的 两 条 新 指 令 EXTEST_HJLSE和 EXTEST_TRAIN指 令 为 交 流 测 试 模 式 指DO- 令 ， 使 用 与 IEEE 1149. 1相 同 的 边 界 扫 描 寄 存 器 的数 据 和 控 制 单 元 。 这 些 指 令 用 于 生 成 和 采 集 交 流 测试 信 号 ， 主 要 用 来 调 制 测 试 数 据 ， 对 包 含 交 流 管 脚 的DBM单 元TDITRST*TCKTMSTAP控 制 器图 2高 速 数 字 边 界 扫 描 器 件 基 本 结 构1.2高 速 数 字 边 界 扫 描 器 件 的 基 本 结 构边 界 扫 描 测 试 的 实 现 需 要 带 有 边 界 扫 描 功 能 的 器 件 支 持 ， 与 IEEE 1149. 1 一 样 ，ffiEE 1149. 6也 定 义 了 器 件 外 部 配 置 的 专 用 管 脚 ， 包 括 测 试 时 钟 （Test Clock, TCK )、 测 试 模 式 选 择 （Test Mode Select,器 件 ,测 试 数 据 将 通 过 交 流 耦 合 通 道 进 行 传 播 ， 一 般 情 况 下 都 使 用 EXTEST_PULSE指 令 ， 除 非 有 特 别 要 求 才 使 用 EXTEST_TRAIN指 令 。EXTEST_PULSE指 令 是 为 交 流 管 脚 定 义 的 新 的 测 试 功 能 ， 无 论 EXTEST_PULSE指 令 何 时 有 效 ， 所 有 直 流 管 脚 都 按 IEEE 1149. 1标 准 的 EXTEST指 令 执 行 。 EXTEST_PULSE指 令 使 能 交 流 管 脚 的 信 号 通 路 边 沿 检 测 功 能 ， 交 流 管 脚 上 测 试 接 收 器 甚 至 在 信 号 因 交 流 耦 合 衰 减 时 ， 也 能 重 建 驱 动 器 的 原 始 波 形 。TCK脉 冲 宽 度TAP态 Tesl-Lngic Reset Update-x RunTest/Idle交 流 管 脚驱 动 器Select-DR Y Capture50(交 流 测 试 信 号 i / . i i更 新 点 : :捕 获 点mmmxxxxxxxmxm 数 据 (反 相 数 据 X 数 据 丨分 ， 仍 然 采 用 IEEE 1149.1标 准 规 范 进 行 测 试 ； 而 其 中 的 交 流 耦 合 、 差 分 互 连 部 分 ， 新 标 准 则 制 订 了 专 用 的 交 流 外 测 试 指 令 与 测 试 结 构 以 满 足 测 试 的 要 求 。差 分 驱 动 边 界 扫 描 单 元 C1 T711 4,1，0 R/J 1 4C2JJ差 分 接 收 边 界|扫 描 单 元图 1差 分 驱 动 双 单 端 接 收考 虑 到 交 流 耦 合 差 分 互 连 与 一 般 的 直 流 耦 合 互 连 不 同 ， 在 IEEE 1149.6标 准 中 ， 推 荐 采 用 图 1所 示 的 高 速 测 试 模 型 ， 这 种 方 式 克 服 了 差 分 对 中 单 管 脚 故 障 、 共 模 噪 声 等 影 响 ， 最 大 限 度 地 发 挥 了 测 试 电 路 的 效 能 ， 具 有 故 障 覆 盖 能 力 强 ， 对 高 速 信 号 通 道 的 性 能 影 响 小 等 特 点 。测 试驱 元图 3 EXTEST_PULSE指 令 有 效 时 的 交 流 测 试 信 号114 火 控 雷 达 技 术 第 44卷2 基 于 IEEE 1149. 6标 准 的 测 试 实 例目 前 一 些 大 规 模 FPGA均 支 持 IEEE 1149. 6标 准 ， 如 Altera公 司 的 Cylone IV系 列 和 Stratix V系 列 ， XiHnx公 司 的 Virtex-6, Virtex-7等 ， 德 州 仪 器 (H)公 司 的 双 路 1.5Gbps缓 冲 器 SCAN15MB200和 1. 5Gbps LVDS交 叉 点 开 关 SCAN90CP02也 支 持 IEEE 1149.6标 准 ， 下 面 以 SCAN90CP02为 例 介 绍 IEEE 1149.6标 准 的 测 试 验 证 过 程 。2.1测 试 验 证 硬 件 的 设 计DEMO板 主 要 由 两 片 SCAN90CP02芯 片 构 成 ， 如 图 4所 示 。 在 差 分 、 交 流 耦 合 互 连 网 络 中 插 人 了 多 个 开 关 ， 可 以 设 置 互 连 中 如 驱 动 器 正 /负 端 开 路 ,接 收 器 正 /负 端 开 路 ， 终 端 匹 配 电 容 短 路 等 多 个 故 障 。 另 一 方 面 ， 在 两 片 芯 片 的 扫 描 链 中 设 置 了 两 个 开 关 ， 既 可 以 选 择 对 单 /双 芯 片 进 行 操 作 ， 也 可 以 设 置 扫 描 链 路 故 障 ;此 外 ， 借 助 于 芯 片 本 身 具 有 的 故 障 插 入 能 力 ， 还 可 以 设 置 驱 动 器 正 /负 端 呆 滞 1或 呆 滞 0故 障 。TMS图 4差 分 /交 流 耦 合 边 界 扫 描 链 路2.2差 分 /交 流 耦 合 高 速 数 字 电 路 的 测 试IEEE 1149.6标 准 的 主 要 任 务 是 解 决 差 分 /交 流 耦 合 高 速 数 字 网 络 的 互 连 测 试 问 题 ， 图 4所 示 电 路 中 ， 差 分 /交 流 耦 合 互 连 在 U1的 0UT1 +、 0UT1 -与 U2的 INI +、 IN1 -之 间 ， 通 过 故 障 模 拟 电 路 可 以 模 拟 各 种 故 障 现 象 。 交 流 互 连 测 试 流 程 与 数 字 电 路 的 互 连 测 试 流 程 相 同 ， 仅 采 用 交 流 测 试 指 令 EX- TEST_PULSE 指 令 。1.正 常 互 连 交 流 测 试当 不 设 置 任 何 故 障 的 情 况 时 ， 互 连 情 况 如 图 5 所 示 ：测 试 开 始 时 ， 首 先 通 过 PRELOAD指 令 在 0UT1 测 试 驱 动 单 元 内 预 装 0或 1值 ， 然 后 送 人 EXTEST_ PULSE指 令 。 当 它 有 效 时 ， 0UT1内 预 装 的 值 将 与 全 局 交 流 测 试 信 号 相 异 或 ， 送 到 驱 动 器 后 TX +/- 端 将 产 生 相 应 的 上 升 沿 /下 降 沿 ， 测 试 结 果 如 表 1 所 示 。表 1正 常 互 连 交 流 测 试 结 果驱 动 器 输出 单 元 预置 值测 试 驱 动 器TX +测 试 驱 动 器TX -测 试 接 收 器RX +测 试 接 收 器HX -0 0 - 1 1 - 0 1 01 1 - 0 0 - 1 0 12.TX +开 路 故 障 测 试TX +开 路 故 障 如 图 6所 示 ， 测 试 结 果 如 表 2所 示 ， RX+捕 获 的 值 总 与 RX-的 值 一 致 ， 但 是 如 果 存 在 TX +与 VDD短 路 、 TX +与 GND短 路 、 RX +开 路 、 TX-与 RX+短 路 等 故 障 ， 故 障 测 试 结 果 与 该 测 试 结 果 相 同 。表 2 TX +开 路 故 障 测 试 结 果驱 动 器 输出 单 元 预置 值测 试 驱 动 器TX +测 试 驱 动 器TX -测 试 接 收 器RX +测 试 接 收 器RX -0 0 - 1 1 - 0 0 01 1 - 0 0 - 1 1 13. TX-开 路 故 障 测 试TX-开 路 故 障 如 图 7所 示 ， 测 试 结 果 如 表 3所 示 ， RX+捕 获 的 值 总 与 RX-的 值 一 致 ， 但 是 如 果 存 在 TX -与 VDD短 路 、TX -与 GND短 路 、RX -开 路 、TX +与 RX-短 路 等 故 障 ,故 障 测 试 结 果 与 该 测 试 结 果 相 同 。图 5正 常 互 连 示 意 图第 2期尤路：基于IEEE 1149.6标 准 的 高 速 数 字 网 络 测 试 方 法 115图 7 TX-开 路 故 障 示 意 图表 3 TX-开 路 故 障测 试 结 果驱 动 器 输出 单 元 预置 值测 试 驱 动 器TX +测 试 驱 动 器TX -测 试 接 收 器RX +测 试 接 收 器RX -0 0-. 1 1 0 1 11 1- 0 0- 1 0 04.TX +与 TX-短 路 故 障 测试TX +与 TX-短 路 故 障 如图 8所 示 ， 测试 结 果 如 表 4所 示 ， 由 于 TX +与 TX-短 路 ，RX +与 RX-接 收 到 一 个不 稳 定 的 电 平 ，经 测 试 接 收器 后 ， 收 到的 数 据 也 是不 确 定 的 ，在 此 分 别 用 VI、 V2和 V3、 V4表示 RX +和 RX -内 捕 获 的 值 ，RX +与 RX -短 路 故 障 测试 结 果 与 该测 试 结 果 相同 。表 4 TX +与 TX -短 路 故 障 测 试 结 果驱 动 器 输出 单 元 预置 值测 试 驱 动 器TX +测 试 驱 动 器TX -测 试 接 收 器RX +测 试 接 收 器RX -0 0 1 1 0 VI V31 0 0 1 V3 V45. RX +与 GND短 路 故 障 测 试RX +与 GND短 路 故 障 如 图 9所 示 ， 测 试 结 果 如 表 5所 示 ， 当 RX +与 VDD短 路 时 ，RX +与 KX -将 总 是 捕 获 逻 辑 “0”，RX -与 GND短 路 故 障 测 试 结 果 与 该 测 试 结 果 相 同 。表 5 RX +与 GND短 路 故 障 测 试 结 果驱 动 器 输出 单 元 预置 值测 试 驱 动 器TX +测 试 驱 动 器TX -测 试 接 收 器RX +测 试 接 收 器RX -0 0- 1 1 0 0 01 0 0- 1 0 06. RX +与 VDD短 路 故 障 测 试 RX +与 VDD短 路 故 障 如 图 10所 示 ， 测 试 结 果 如 表 6所 示 ， 当 RX +与 VDD短 路 时 ，RX +与 RX- 将 总 是 捕 获 逻 辑 “1”。 RX-与 VDD短 路 故 障 测 试 结 果 与 该 测 试 结 果 相 同 。VDD图 10 RX +与 VDD短 路 故 障 示 意 图 表 6 RX +与 VDD短 路 故 障 测 试 结 果驱 动 器 输出 单 元 预置 值测 试 驱 动 器TX +测 试 驱 动 器TX -测 试 接 收 器RX +测 试 接 收 器RX-0 0 - 1 1 - 0 1 11 1 - 0 0 - 1 1 17.耦 合 电 容 短 路 故 障 测 试图 11 TX +与 RX +的 耦 合 电 容 短 路 故 陣 示 意 图 表 7 TX +与 RX +的 耦 合 电 容 短 路 故 障 测 试 结 果驱 动 器 输出 单 元 预置 值测 试 驱 动 器TX +测 试 驱 动 器TX -测 试 接 收 器RX +测 试 接 收 器RX -0 0 1 1 0 0 01 0 0 1 1 1图 9 RX +与 GND短 路 故 障 示 意 图TX +的 耦 合 电 容 短 路 故 障 如 图 11所 示 ， 测 试116 火 控 雷 达 技 术 第 44卷结 果 如 表 7所 示 ， 由 测 量 结 果 可 知 RX +捕 获 的 值 与 HX-相 同 。 此 时 TX +与 RX +直 流 耦 合 ,TX +端 的 信 号 几 乎 无 延 时 的 到 达 RX +端 。 如 果 用 EXTEST_ PULSE指 令 ， RX +脚 测 试 接 收 单 元 不 能 正 确 采 样 信 号 的 上 升 沿 ， 使 得 测 试 无 法 进 行 ； 如 果 用 EXTEST指 令 ， 测 试 接 收 单 元 的 迟 滞 比 较 器 将 与 参 考 直 流 电 平 比 较 ， 捕 获 的 值 将 覆 盖 迟 滞 存 储 器 内 的 初 始 值 。 应 用 这 种 方 法 ， 测