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中国科学技术大学硕士论文j t a g 技术在t o f 电子学中的研究和应用 摘要 随着电子技术的飞速发展，电路板测试技术也出现了重大变革，一项新的电路板p c b 扳上的i c 之间的互连测试技术在2 0 世纪末诞生并且得到了迅速广泛的应用。这项测试技术 就是由i e e e 1 1 4 91 标准，又称j t a g 规范规定的边界扫描测试技术。j t a g 规范不仅推动 了可测试性设计的发展，大大降低了电路板测试的成本和时间，而且为芯片内部寄存器提供 了一种方便有效的“下载”和“读取”方式。 北京谱仪三期改造工程的时间飞行谱仪( t o f ) 电子学系统设计中采用了目前世界上最 先进的时间数字转换器h p t d c ( h i g hp e r f o r m a n c et d c ) ，该芯片强大而又复杂的功能 模式的选择是通过对芯片内部大量的数据寄存器进行j t a g “下载”来完成。同时，h p t d c 带有边界扫描功能，可以做可测试性设计。 本论文将比较详细的介绍j t a g 技术在t o f 电子学中的研究和应用，并比对边界扫描 测试机制的应用做了比较基础、初步的研究和试验。 论文由五章正文和三章附录组成。 论文的第一章是绪论部分，简单介绍了j t a g 规范的发展背景边界扫描测试的基本思 想、特点、优势，边界扫描技术的应用前景以及t o f 电子学中j t a g 技术的应用背景。 论文的第二章对j t a g 规范做了简单扼要的介绍，从边界扫描器件的结构、j t a g 指令 和边界扫描描述语言三个大的方面对j t a g 规范的基本原理，电路结构，运行机制以及其他 辅助1 = 具做了比较详细的讨论。 论文的第三章专门介绍了边界扫描测试算法，首先从边界扫描洲试机制的角度对电路连 线“网络”进行分析，然后讨论了两种最典型的测试：互连测试和c l u s t e r 测试，对这两种 测试的基本原理做了详细的分析和讨论。虽后，分析了可完全边界扫描测试电路和部分可测 试电路的i l l l 4 试模型以及算法，并给山了目前常用的测试算法举例。 在论文的第四章中，详细介绍了基于计算机并行口的j t a g 控制器的设计。文章首先介 绍了并行口方式j t a g 控制器的设计原理，然后介绍j t a g 控制器接口的硬件设计最后介 纠j t a g 指令的时序设计和j t a g 控制器的软件设计。 在论文的第五章中，详细介绍了硬件设计j t a g 控制器的一种设计方案，即基丁v m e 总线采用t b c ( t e s tb u sc o n t r o l l e r ) 为核心芯片的v m e j t a g 控制器的设计方案。本章给 出了总体的v m e j t a g 控制器的设计思路雨1 方案，简单介绍了t b c 的功能，给出了硬件逻 辑f p g a 的设计和系统软件设计。最后，文章给出了系统的测试结果报告，对系统的 j 作 性能做了定性的分析。 附录1 是边界扫描寄存器单元类型介绍，是第二章j t a g 规范介纠一个重要的补充；附 录2 是b s d l 文件的一个示例，对了解b s d l 语言和b s d l 文件有很大的帮助；附录3 是 h p t d cj t a g 控制器软件使用手册，详细介绍了h p t d cj t a g 控制器的软件设计。 中国科学技术大学硕士论文 j t a g 技术在t o f 电子学中的研究和应用 a b s t r a c t w i l l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , g r e a te v o l u t i o nh a p p e n e do nt e s t t e c h n o l o g y , an e wt e s tt e c h n i q u ef o r t h ei n t e r c o n n e c t sa m o n gi c so np r i n t e dc i r c u i tb o a r db e i n g i n v e n t e di nt h el a t e r2 0 “c e n t r u r ya n db e i n ga p p l i e di nm o r ea n dm o r ef i e l d s t h i sn e w l y d e v e l o p e d t e c h i q u e i s n a m e d b o u n d a r y - s c a n t e c h n i q u e ( b s t ) ，a n d i t i sd e s c r i b e d i n i e e e - 1 1 4 9 1 ， w h i c hi sa l s on a m e dj t a gs p e c i f i c a t i o n j t a gn o to n l y u r g e st h ed e v e l o p m e n to f d e s i g nf o r t e s t i b l i t yo f v i s l c i r c u i t ，w h i c hc a ns a v e m u c he x p e n s ea n d t i m eo n p c bd e s i g n ，b u ta l s o p r o v i d e ae f f e c t i v ea n dc o n v e n i e n tw a yf o rt h e “d o w n l o a d ”o f r e g i s t e r si nc h i p s d e s i g no f t o f ( t i m eo f f l i g h t ) e l e c t r o n i c ss y s t e mw i l lu s e t h em o s ta d v a n c e dt d c ，h p t d c ( h i g hp e r f o r m a n c et d c ) f o rt h em e a s u r e m e n to f t i m e t h ef u n c t i o na n dw o r k i n gm o d eo f h p t d cc a nb ec h a n g e db yd o w n l o a d i n gd i f f e r e n td a t ai n t ot h el a r g ea m o u n to f r e g i s t e r si nt h e c h i pb yj t a g a l s o ，h p t d cc a nb eb o u n d a r ys c a n e dw i t hi t sb o n n d a r y - s c a nr e g i s t e r s t h et h e s i sw i l li n t r o d u c et h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fj t a go nt o fe l e c t r o n i c ss y s t e m a n ds o m eb a s i cr e s e a r c ha n de x a m i n a t i o n so nb o u n d a r y - s c a nt e c h n i q u e t h e r ea r ef i v ec h a p t e r sa n dt h r e ea n n e x e si nt h i st h e s i s t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do ft h ed e v e l o p m e n to fj t a gt h ef u n d a m e n t a l p r i n c i p l eo f b s tw i t hi t sc h a r a c t e r sa n dm e r i t s ，t h ef o r e g r o u n do f t h ea p p l i c a t i o no f j l a gm a dt h e a p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do f j t a gi nt o fe l e c t r o n i c ss y s t e m t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h e s p e c i f i c a t i o n o fj t a gf r o mt h r e e a s p e c t s ：t h e a r c h i t e c t u r eo fj t a gt h ei n s t r u c t i o no fj t a ga n db o u n d a r y - s c a nd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，t h e t h e s i sg i v eas i m p l ea n dg e n e r a li n t r o d u c t i o nt ot h ep r i n c i p l e ，a r c h i t e c t u r e ，s t a n d a r d ，s p e c i f i c t i o n a n ds o m eo t h e rs u p p l e m e n t a r ym a t e r i a l s t h et h i r dc h a p t e rm a i n l ye m p h a s i z e so nt h ea l g o r i t h mo fb o u n d a r y - s c a nt e g t m i q u e f i r s t ， t h e s i sa n a l y z e st h e i n t e r c o n e c tn e t s ”o fp c b s e c o n d l y , i n t e r c o n n e c tt e s ta n dc l u s t e rt e s ta r e i n t r u d u c e dw h i c ha r et h et w ot y p i c a lt e s to fb s t f i n a l l y , t h et h e s i sa n a l y z e st h em o d e la n d a l g o r i t h mo fp u r eb o u n d a r ys c a nt e s t a b l ea n dp a r t i a lb o u n d a r ys c a nt e s t a b l e n e t sa l s o ，s o m e c o r f l f l q o na l g o r i t h m sa r ei n t r o d u c e ds i m p l y i nt h ef o r t hc h a p t e r , t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g no fj t a gc o n t r o l l e rb a s e do np c s p a r a l l e lp o r t t h es c h e m eo ft h ed e s i g n ，t h eh a r d w a r eo fi n t e r f a c ea n dt h es o f t w a r ea r ei n t r o d u c e d o n eb y o n e i nt h ef i n a 】c h a p t e r , a n o t h e rd e s i g no f j t a gc o n t r o l l e rb yh a r d w a r ew h i c hi sb a s e do nv m e b u sa n dd e p e n d so nt b c ( t e s tb u sc o n t r o l l e r ) i si n t r o d u c e d t h ec o n t e n ti n c l u d e sg e n e r a ld e s i g n s c h e m eo fv m e - j t a gf u n c t i o no ft b c ，f p g ad e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n f i l a l l y , t h et e s t i n g r e s u l t sa n dt h ea n a l y s i so f t h ew h o l es y s t e ma r eg i v e n a n n e x1i sa b o u td i f f e r e n tt y p e so f b o u n d a r ys c a nr e g i s t e rc e l l sw h i e nc a nh e l pt ou n d e r s t a n d h o wj t a gw o r k s a n n e x2i sa b o u tb s d lf i l e s a ne x a m p l ei sg i v e n a n n e x3i sa b o u tt h e h a n d b o o ko fh o wt ou s et h eh p t d cj t a gc o n t r o l l e rs o f t w a r e ，w h i c hs h o w sd e t a i l si nt h ed e s i g n o f t h es o f t w a r eo f h p t d cj t a gc o n t r o l l e r 6 中国科学技术大学硕士论文j t a g 技术在t o fi 乜子学中的研究和应用 1 1j t a g 技术的发展背景 第一章绪论 随着半导体技术、微电子技术的飞速发展组装工艺的不断更新，电子器件、电路系统 的集成度越来越高、物理尺度越来越小。这样，必然导致了电子电路系统的测试复杂化，因 为可供测试的物理节点越来越小，甚至变成了“隐形”式节点，我们已经无法用探针、针床 等传统测试设备和方法有效地测试电路。同时，传统的测试方法还给电路系统的设计带来了 昂贵的电路测试成本，测试周期氏，耗人力资源多，还需要开发专门的测试分析仪。 于是，电子测试的研究方向从传统的测试方法发展到研究在电子系统甚至芯片设计阶段 就开始考虑系统测试问题的新型设计方法一d f t ( d e s i g nf o rt e s t ) 。在众多的可测试性设计 的结构化设计方法中，边界扫描测试技术是最重要最有效的一种。边界扫描测试技术最初在 1 9 8 5 年由j e t a g ( j o i n t e u r o p e a n t e s t a c t i o n g r o u p ) 提出，并在1 9 9 0 年正式成为i e e e 标准， 被命名为i e e e l l 4 9 1 ：同时由于全球众多厂商的加入，这项规范又被称为j t a g ( j o i n tt e s t a c t i o ng r o u p ) 规范。 1 2 边界扫描测试的基本思想 边界扫描( b o u n d a r ys c a n ) 测试方法通过在芯片管脚处分别内置一个边界扫描测试单元 ( b o u n d a r ys c a nc e l l ) ，并且把这些边界扫描单元通过一个j t a g 链串连在一起，形成一个数 据流通道。这样，这些测试单元就成为芯片对应管脚的测试节点，并且这些测试节点不需要 物理的探针去做接触测试就可以通过j t a g 链输出测试结果，当然，特定的测试向量( t e s t v e c t o r ) 也可以通过j t a g 链写入芯片管脚的测试节点。 8 仪i | 0 茹￥，s a nc e s e r i a i d a t ai n j t a sd e v i c e1 船豁张s i e i j j 1 _ a gd e v i c e2 s e r i a d a t a o u l 图1 1 边界扫描测试原理 如图1 1 所示，两个带有j t a g 的器件( 芯片) 之间有两个数据通道，一个是系统信号 通过管脚之间的连线互相传递；另一个是j t a g 链，扫描信号通过串连的方式传递于各个边 界扫描单元之间。这两个数据通道之间可以互不影响( 详细介绍见第二章) ，也就是说电路 系统在正常工作的模式下，可以通过j t a g 链数据通道去测试该电路系统。测试向量从s e r i a l d a t ai n 端口进入芯片的边界扫描测试单元，然后通过s e r i a ld a t ao u t 端口读出。这样，通 过比较实际读出的测试结果和理想情况下的测试结果就可以判断处电路系统的互联情况。如 果再配合一些特殊的测试算法，还可以进一步判断电路的运行情况。 1 3 边界扫描的特点和优势 边界扫描测试相对于传统的测试方法有以下几个特点：( 1 ) 边界扫描测试技术消除了物 7 中国科学技术大学硕士论文j t a g 技术在t o f 电子学中的研究和应用 理节点对电路测试的限制，测试节点内置芯片管脚，不再需要实物探针和示波器对某个器件 管脚进行接触式测试。( 2 ) 边界扫描测试方法是结构化的可测试性设计。结构化的可测试性 设计能形成芯片级、板级、系统级的兼容的边界扫描测试结构。这样就有利于可测试性设计 的拓展，有利于可测试性设计标准化和通用化。( 3 ) 边界扫描测试易于实现自动化测试。通 过i e e e l l 4 9 1 规范，芯片生产厂商对带有边界扫描功能芯片的j t a g 结构有专门的说明， 一般以b s d l 文件用b s d u b o u n d a r ys c a nd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 语言描述芯片底w a g 结构 和功能，这些结构和功能包括了一系列芯片内部自检测试、状态测试等自动化的测试功能。 而且，遵循同样的规范，带边界扫描的器件组装成系统时，很容易通过a t e ( a u t o m a t i ct e s t e q u i p m e n t ) 实现对整个系统底自动化测试。 显然，边界扫描测试可以大大降低电路系统开发的测试成本。传统的电路测试方法基本 上依靠手工，耗费大量的时间和人力资源，而边界扫描测试技术则有很高的自动化程度，不 仅速度快而且效率高；传统方法针对不同的系统需要专门的测试仪器，需要开发越来越精细 的探针，而且边界扫描测试技术则遵循了统一的标准，不需要任何实物探针：传统的电路设 计方法在系统设计阶段基本不考虑电路测试问题这样将导致随着电路系统的复杂度增高， 电路钡4 试的成本成十倍的增长，最终系统设计成功后有大量的工作需要放在电路测试上，出 现“三分设计，七分测试”的现象。以边界扫描测试为代表的可测试性设计把可测试性设计 包含整个系统设计之中综合考虑，充分利用j t a g 规范，在芯片级就基本上考虑和解决了大 部分的测试问题，大大简化了整个系统的测试。 1 4 边界扫描技术的应用前景 自j t a g 规范正式确立以来，世界上绝大部分的半导体生产厂商都推行了这套标准，大 量的半导体器件都带有边界扫描功能，可测试性设计流行于目前国外e d a 业界。相信不久 的将来国内的电子电路工程师也将掌握平l 利用边界扫描技术，从传统的设计方法发展到可测 试性设计方法。 同时，人们在利用j t a g 规范做边界扫描测试时，发现j t a g 规范还可以作为芯片内部 内置寄存器的读写规范。这样，大量具有强大功能的器件都利用j t a g 规范在芯片内部内置 人量的功能寄存器，这些寄存器标识了芯片不同功能不同工作模式，不同工作状态等，实 际上起到了对芯片有效的“编程( p r o g r a m ) ”。基于j t a g 规范配置芯片内部寄存器不影响芯 片的正常工作，不干扰系统的数据流，方便有效。于是，大量芯片内部的具有特殊功能的寄 存器都遵循j t a g 规范，同时人量芯片的特殊功能也是通过j t a g 规范来实现( 比如实现对 芯片管脚的高阻态设置) 。 总之边界扫描技术在今后的电路测试中将发挥越来越重要的作用，有着非常广泛的应 用前景。 ) 1 5t o f 电子学中j t a g 技术的应用背景 飞行时间测量是高能物理试验中对时间测量精度要求最高的测试系统，b e s i i i ( - j l 京谱 仪三期工程) t o f ( t i m eo f f l i g h t ) 电子学的设计要求是时间测量精度达到2 5 p s ，是目前世界上 精度要求最好的系统之一。因此t o f 电子学系统采用了时间测量精度极高、功能强大的 h p t d c ( h i g hp e r f o r m a n c et d c ) 作时间数字变换。该芯片通过内部设置大量j t a g 数据寄存 器完成其工作模式的设定以及d l l 和r c 校准，使芯片处于最佳工作状态。然而处于最佳 工作状态的h p t d c 芯片都有各自不同的d l l 和r c 校准和工作模式，因此在使用h p t d c 做t o f 时间测量前，我们需要对每一片h p t d c 分别进行测试，确定其各项参数和内部寄 存器的最佳配置；同样，在t o f 电子学系统开始工作前，也必须先按照已经测试好的参数 对各h p t d c 芯片的j t a g 数据寄存器分别进行配置。 中国科学技术大学硕士论文j t a g 技术在t o f 电子学中的研究和应用 因此，需要研究j t a g 技术在t o f 电子学中的应t 【1 = f ，开发适合于高能物理的j t a g 控 制器。本文将在简单介宝 j t a g 规范的基础上提出两种j t a g 控制器的设计方案并给出电 路测试结果。 9 中国科学技术大学硕士论文j t a g 技术在t o f 电子学中的研究和应用 第二章j t a g 规范简介 j t a g 规范，又称i e e e l l 4 9 1 标准是整个边界扫描机制和其它j t a g 功能的基础。它从 电路结构，功能模块，指令，测试机制以及边界扫描语言等方面对j t a g 功能做了详细的规 定。本章将从几个重要的应用角度对j t a g 规范做一个简单的介绍。 2 1 边界扫描器件的结构 带边界扫描的器件般都集成了适用于边界扫描功能的j t a g 电路结构，因此芯片内部 的逻辑功能不仅包括该芯片专有的功能，还有边界扫描和其他j t a g 功能。这两部分电路之 间关系紧密，又可以互不干扰。系统逻辑通过芯片本身的数据、控制和地址通道完成其系统 功能，j t a g 则通过j t a g 总线( 边界扫描测试总线) 对j t a g 操作进行控制。然而，这两 部分逻辑之间又可以互相沟通，通过一系列的j t a g 指令它们之间可以交换数据，从而完成 芯片测试的各项功能。 2 1 1j t a g 内部结构 8 t c l k 1 r s i ，p 图2 1j t a g 内部结构 带边界扫描功能、遵循j t a g 规范的芯片内部都集成了如图2 - 1 所示的j t a g 电路结构。 j t a g 电路结构由三部分组成：t a p ( t e s ta c c e s sp o r t ) 控制器、i r ( i n s t r u c t i o nr e g i s t e r ) 指令寄 存器( 包括了指令译码电路) 、d r ( d a t ar e g i s t e r s ) 数据寄存器。 t a p 控制器是整个j t a g 规范实现的核心控制器，内部由一个1 6 状态的有限状态机、 控制逻辑和译码电路组成。t a p 控制器的控制和数据信号一共有5 个，除了t r s t 是可选信 号外，其余4 个是必须信号，它们是：t c k 、t m s 、t d i 、t d o 。这些信号线又被称为j t a g 总线或边界扫描测试总线。 1 0 中国科学技术大学硕士论文, i t a g 技术在t o f 电子学中的研究和应用 指令寄存器( i r ) 在结构上包括一个n - b i t s 串行移动寄存器、个n - b i t s 当前指令锁存 器和指令译码器；功能上主要提供在扫描路径访问一个特殊数据寄存器所需要的地址和控制 信号。 数据寄存器( d r ) 是边界扫描测试扫描路径的数据通道。1 e e e l l 4 91 规定边界扫描寄 存器和旁通寄存器( b y p a s s ) 是两个必须的数据寄存器。其它的数据寄存器是可选的，芯片 内部可以设置不同的数据寄存器。芯片制造厂商利用j t a g 规范通过对芯片内置大量的数据 寄存器，就可以完成对芯片的特定操作。h p t d c 就是这样一个典型的芯片，h p t d c 复杂 的功能模式和测试手段都依赖丁- 芯片内部大量的数据寄存器米完成的。i d c o d e 数据寄存器 是一个典型的数据寄存器，i d c o d e 数据只能读出，读出数据就是这个芯片的i d c o d e ， 是芯片生产厂商用来表示这种型号芯片的信息。 b y p a s s 寄存器是j t a g 规范定义的必须的数据寄存器，只有l b i t ，主要是为了在做有 多个芯片组成的j t a g 链的边界扫描测试或者数据寄存器读写的过程中旁路那些没有参与 操作的芯片，以简化操作过程。 b s r ( 边界扫描寄存器) 不仅是必须的数据寄存器，更是j t a g 结构中最重要的数据寄 存器。它就是边界扫描测试的操作对象，即扫描路径。边界扫描寄存器由一个个边界扫描单 元串连组合，每个边界扫描单元都对应了芯片的一个管脚，介于芯片管脚和芯片内核逻辑之 间，在逻辑上相当于一个内置的测试节点。边界扫描单元可以采样截获、预置芯片管脚上 的电平信号，而且这些操作可以不干扰芯片本身的正常_ t 作，通过j t a g 数据链( t d i t d o ) 把数据写入和读出。边界扫描寄存器是j t a g 规范中最重要的数据寄存器，是边界扫描测试 机制的物理结构的基础。 d e s i g ns p e c i f i ct e s td a t ar e g i s t e r ，如u s e r c o d e 寄存器、i s p i c r 寄存器等，则是可 选的数据寄存器，是芯片开发厂商白定义的数据寄存器。不同的芯片有不同的d e s i g ns p e c i f i c t e s td a t ar e g i s t e r ，h p t d c 中就集成了大量这样的数据寄存器，这些数据寄存器在芯片复杂 的功能控制中起到了重要的作用，通过j t a g 对这些数据寄存器进行“编程”就可以修改 h p t d c 的工作模式。随着j t a g 技术的j 一泛应用，这种j t a g “编程”功能得到的极大的推 j 。，可编程芯片f p g a c p l d 的逻辑f 载，f l a s h 下载等等都可以通过j t a g 完成。a l t e r a 芯片中的i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m a b i l i t y ) i c r ( i n - c i r c u i tr e c o n n g u r a b i l i t y ) 寄存器就是j t a g 下载的一个应刚。 2 1 2 j t a g 寄存器单元的结构 不同的j t a g 寄存器有不同的电路结构寄存器单元的结构直接体现了该寄存器的特点 雨途。不同类型的数据寄存器有着满足自身要求的寄存器单元，特别是边界扫描寄存器单 元，不同的管脚类型( 输入、输山、般向等) 有不同的电路结构。当然，芯片生产厂商对自 己的产品也有不同的要求，采_ 【： 的j t a g 寄存器单元也不尽相同。 h o d o s 1 9 “0 11 “ s h l f t l 0 6 d - s c o ni n c 1 哥。c 1 占。 图2 2典型的边界扫描寄存器单元 乳2 ”1 中国科学技术大学硕士论文j t a g 技术在t o f 电子学中的研究和应用 第一种：边界扫描寄存器单元。由于不同芯片管脚配备的边界扫描寄存器单元的电路结构是 不一样的，这里仅从通用的结构和功能上介绍典型边界扫描寄存器单元。如图2 - 2 所示，一 个典型的边界扫描寄存器单元主要由一个s h i f tr e g 和一个u p d a t er e g 组成，s h i f tr e g 在扫描链 中起到传递数据的作用，u p d a t er e g 的则是j t a g 数据其作用的寄存器，这里的数据可以驱 动内部逻辑或者外部电路。附录1 中列出了其他类型的边界扫描寄存器以及它们的特点，特 别是双向管脚和三态管脚的边界扫描寄存器单元，附录中详细介绍了它们的结构以及工作原 理。 s h l f t l 只 0 6 t o f r o ml 尊$ tc o l l c l o c k l 8 u p d m t e i r r 9 e e x f r o nt di s h if t d 只 c l o ck d r 图2 - 3指令寄存器单元 b i n ls t t 。t i 。“ t or i o x tc o j l s h j f t d r 1 1 3o o d eb it f r o m o s tg 9 1 1 c l o c k o a 图2 4b y p a s s 寄存器单元 t ot 0 0 卜胡 i i ! j ! ! 打。n 。x t c 窜ll 图2 5i d c o d e 寄存器单元 除了边界扫描寄存器单元，j t a g 还对指令寄存器和其他数据寄存器的单元做了特别的 设计，图2 - 3 给出了一个指令寄存器单元的结构，图2 - 4 给出了b y p a s s 寄存器单元的结构， 图2 - 5 给出了i d c o d e 寄存器单元的结构，可以发现相对边界扫描寄存器单元，它们的电 路结构相对简单，这是由于它们本身的功能相对简单所决定的。 2 1 3t a p 控制器和1 6 位有限状态机 t a p 控制器的基本功能是产生时钟信号和控制信号。这些信号是指令寄存器和数据寄 存器正常工作所要求的，其主要功能是： ( 1 ) 提供信号允许将指令装入指令寄存器中。 ( 2 ) 提供信号将数据通过t d i 管脚移入移位寄存器中，并把数据通过t d o 管脚从移 位寄存器输出。 ( 3 ) 执行相应功能，如捕获、移位和更新数据等。 1 2 中国科学技术大学硕士论文 j t a g 披术在t o f 屯子学中的研究和应用 t m s t c k i n s - p 一c b e b a n d 灯c o n t r o l s 一 图2 - 6t a p 控制器 t a p 控制器是边界扫描测试的核心控制器，如图2 - 6 所示。t a p 控制器有4 个必须控制 和数据信号和一个可选控制信号，它们分别是： t c k ( t e s tc l o c ki n p u t ) ： 边界扫描时钟输入信号； t m s ( t e s tm o d es e l e e o ：t a g 测试模式选择信号： t d i ( t e s td a t ai n p u t 】： j t a g 串行输入数据； t d o ( t e s t d a t ao u t p n f ) ：j t a g 串 7 输出数据； t r s t ( t e s tr e s e ti n p u 0 ：j t a g 逻辑复位信号；可选信号。 i c k c o n t r a ller sl a t e 图2 7 t a p 控制器状态机的操作时序 t a p 控制器一i j 作核心是一个1 6 位的有限状态机，这个状态机在每一个t c k 上升沿时 刻通过判断t m s 的值米确定是否进行状态转换。在特定的状态下，j t a g 对指令寄存器或 者数据寄存器的操作将在每个t c k 的下降沿或者上升沿时刻完成，如图2 7 所示。t a p 控 制器的1 6 个状态中，有主要状态和辅助状态之分，主要状态对j t a g 工作起到实质性的左 右，即在这些状态卜对指令寄存器或者数据寄存器进行数据或者状态操作；而辅助状态不引 起系统作用，但能提供过程控制，起到状态过渡的左右。如图2 - 8 所示，带阴影部分的状态 是主要状态，不带阴影部分的则是辅助状态。同时，t a p 控制器的状态又分为稳定状态和 非稳定状态，t a p 控制器可以在稳定状态上保持多个t c k 周期，在非稳定状态上只能保持 一个t c k 周期。 g r n r o r u n c l k c s l o r o r 8 f 0 n e o t o 。n s t t - e t g e十能酣诛 牟li 十嚏 o r趴沁ne 省 魏糯嘛 喈e 中国科学技术大学硕士论文 j t a g 技术在t o f 电子学中的研究和应用 图2 8 t a p 控制器1 6 位有限状态机 无论主要状态还是辅助状态，或者稳定状态还是非稳定状态，t a p 控制器的每一个状 态都完成一个特定的功能。从图2 - 8 中可以发现这1 6 个状态中有两套针对m 和d r 操作的 状态是一一对应的，它们的操作过程是一样的，只是操作的寄存器不同。下面是各个状态的 功能简介： t h et e s t l o g i c - r e s e ts t a t e ： 图2 - 9 t e s t - l o g i c - r e s e t 状态下边界扫描单元的数据流 t a p 控制器在测试逻辑复位状态( t e s t ，l o g i c - r e s e t ) 下，所有的测试逻辑失去作用，所有 中国科学技术大学顶士论文j t a g 技术在t o f 电子学中的研究和应用 核心系统逻辑正常工作。当t m s 信号在五个以上连续的t c k 时钟脉冲上升沿为高( 逻辑l ) 时不论t a p 控制器处于什么状态。它都将进入测试逻辑复位状态。具体所需t c k 时钟脉 冲个数的精确数目取决于t a p 控制器的当前状态。如果可选择的信号t r s t 在测试存取通 道( t a p ) 中出现，在t a p 控制器的任何有机状态r ，它能强制使t a p 控制器立刻到达测 试逻辑复位状态，即异步复位。 t a p 控制器在测试逻辑复位状态卜，边界扫描数据寄存单元的动作如图2 - 9 所示，m o d e 为0 ，p i 直接与p o 相通：芯片处于核心逻辑正常工作模式状态下。 t h er u n t e s t i d l es t a t e ： 这是一个稳定的状态。主要执行i e e e1 1 4 9 1 定义的b i s t ( b u i l d i n - s e l f - t e s t ) 指令。 当t a p 控皋器处于这个状态，只要t m s 信号保持在低电平( 逻辑n 0 ) ，它应停留在该状态。 相应的测试逻辑操作取决于指令寄存器中有效的指令。例如在e x t e s t 指令状态下，那么 当t a p 控制器在运行一测试空闲状态时，所选择的数据寄存器将停留在空闲( i d l e ) 状态。 当t a p 控制器处于这个状态，当前指令不能发生变化。 t h ec a p t u r ed rs t a t e ： t a p 控制器在捕获数据寄存状态下，在t c k 上升沿时刻，数据从并行输入端并行装入 到所选择的数据寄存器中。 s m 0 吐e ： s l c l o c kc l r u 州a l e d r 图2 一t 0c a p t u r e 状态下数据寄存器单元的数据流dr t a p 控制器在捕获数据寄存状态f ，边界扫描数据寄存单元的动作如图2 - 1 0 所示， s h i f td p - 信号为0 ，控制多选器m u x i 将p i 连接至寄存器p e g l 的输入端，进入扫描路径， 下一时刻c l o c k d r 将触发p e g l ，使得p i 的信号进入串行移位寄存器中，这个实际上就是 对电路的实时采样。 t h es h i f t d rs t a t e ： t a p 控制器在移位数据寄存状态h - ，在每个t c k 时钟脉冲的上升沿前一数据移位寄 存单元的数据移向下一个数据移位寄存单元。 t a p 控制器在捕获数据寄存状态下，边界扫描数据寄存单元的动作如幽2 一ll 所示， s h i f td r 信号为1 ，p e g l 将锁存来自s i 的信号，井在下一时刻的c l o c k d r 时，将s i 的信 号输出到s o 。 中国科学技术大学硕士论文 j t a g 技术在t o f 电子学中的研究和应用 s h 掣c 1 0 c k d r u 叫嚣慷d r 图2 - 11s h i f td r 状态下数据寄存器单元的数据流 t h eu p d a t ed rs t a t e ： t a p 控制器在更新数据寄存状态下，在t c k 时钟脉冲的下降沿将新的数据锁存到它们 的并行输出端。所选择的数据寄存器中的移位寄存器将保持它以前状态。 t a p 控制器在捕获数据寄存状态下。边界扫描数据寄存单元的动作如图2 1 2 所示，将 p e g l 锁存输出的信号在u p d a t e d r 有效时通过r e g 2 置位到p o 输出。 8 o 图2 1 2u p d a t ed r 状态下数据寄存器单元的数据流 t h ec a p t u r ei rs t a t e ： t a p 控制器在捕获指令寄存状态下，在t c k 时钟脉冲的上升沿，指令数据将并行装入 到指令寄存器的移位寄存器中。 t a p 控制器在捕获指令寄存状态下指令寄存器单元的动作如图2 1 3 所示，s h i f ti g 信 号为0 ，控制多选器m u x l 将d a t a 连接至寄存器r e g l 的输入端，下一时刻c l o c k i r 将触 发r e g l ，使得d a t a 的信号进入指令寄存器单元中。 1 6 中国科学技术大学硕士论文 j t a g 技术在t o f 电子学中的研究和应用 s i n 雠i r d a l a c i o c k i r u p d a t ei r t r s l r e s e t | m u 1 s o n d r u c t i o n 崤l 图2 1 3c a p t u r ei r 状态f 指令寄存器单元的数据流 t h es h i f t _ l rs t a t e ： t a p 控制器在移位数据寄存状态下，在每个t c k 时钟脉冲的上升沿，前一指令移位寄 存单元的数据移向下一个指令移位寄存单元。 t a p 控制器在移位指令寄存器状态下，指令寄存器单元的动作如图2 1 4 所示，s h i f t 取 信号为l ，r e g l 将锁存来自s i 的信号，并在下一时刻的c l o c ki r 时，将s i 信号移位到 s o 。 m u x l 8 h n l r d a t ab t s i d o c k i r u p d a t ei r 丁r s t r e s e g - 8 0 n s t r u c t l o n “f 图2 1 4 s h i f ti r 状态下指令寄存器单元的数据流 t h eu p d a t e _ l rs t a t e ： t a p 控制器在更新指令寄存器状态下，在t c k 时钟脉冲下降沿，将已移入的指令数据 从移位寄存器装入并行指令寄存器中，则新的指令变为有效。由当前指令所选择的所有数据 移位寄存器将保持它们以前的状态。 t a p 控制器在更新指令寄存器状态下，指令寄存器单元的动作如图2 - 1 5 所示，p e g l 锁存输出信号( s o 信号) 在u p d a t e i r 有效时通过p e g 2 锁存输出到指令位。 7 中国科学技术大学颂士论文j t a g 技术在t o f 电子学中的研究和成用 8 h n l 只 d a t a s l a o c k i r u 0 d a e r t r g t r e s e p m u x l 图2 1 5u p d a t e _ r 状态下指令寄存器单元的数据流 t h ee x i ts t a t e ： 在最后一位数据移入( 上升沿) 的t c k 的下降沿，状态进入e x i t l 。 2 1 4i rs c a n 和d r s c a n s o l n z i t u c l i t mb i l 一条完整的j t a g 指令一般都包括了rs c a n 和d rs c a n 这两条最基本的j t a g 操作。 i rs c a n 是把j t a g 指令写入，d rs c a n 则是在特定的指令下完成对应的数据寄存器的操作。 t c k f i 几八f 1 辩f l n 兀f l n 1 几f l f l f l _ | ：1 n n 几n n 兀r n 孤几f 1 所 i m $v 几丌广 c o n t m