基于JTAG的星型掃描接口的設計及其仿真

邊界掃描測試技術飛速發(fā)展，測試與調(diào)試功能不斷增強，硬件IP模塊向集成多個內(nèi)核方向發(fā)展，以往芯片中傳統(tǒng)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(tǒng)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(guī)范標準化，2009年提出的新的測試標準IEEE 1149.7。為解決系統(tǒng)集成復雜度越來越高所帶來的測試調(diào)試任務困難，標準規(guī)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(tǒng)和芯片接口都為IEEE 1149.1標準規(guī)范測試訪問端口(TAP.1接口)，既滿足復雜系統(tǒng)測試的需要，又避免了重復開發(fā)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(diào)試的擴展功能。標準規(guī)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(jié)構(gòu)和控制時序邏輯，與IEEE 1149.1標準規(guī)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(guī)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(xiàn)升級特性，向下體現(xiàn)兼容特性。T0層在啟動時提供與TAP.1接口所規(guī)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(shù)據(jù)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(diào)試及測試系統(tǒng)(DTS)與目標系統(tǒng)(TS)之間的連接。此連接表現(xiàn)為：在IEEE 1149.1標準規(guī)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(guī)范的標準控制邏輯來實現(xiàn)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(guī)范的測試調(diào)試信號與IEEE 1149.1標準規(guī)范IP的TAP.1接口提供兼容的測試調(diào)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(diào)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(xiàn)新的升級功能特性，并將TAP.7信號的測試與調(diào)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(tǒng)稱為芯片級TAPC即CLTAPC)是完全符合IEEE 1149.1測試標準規(guī)范的TAP接口，主要完成器件的測試與調(diào)試邏輯的控制，從而完成相應的測試與調(diào)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(xié)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?qū)捠?4-引腳)TAP.7接口，為高級協(xié)議操作提供硬件支撐。根據(jù)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(gòu)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(jù)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(xiàn)TAP.7控制器的在線或離線狀態(tài)的控制操作，可以將不必要進行測試調(diào)試的控制器置于離線狀態(tài)，大大優(yōu)化了測試調(diào)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(guī)范的TAP.1信號，實現(xiàn)對CLTAPC的控制和完成STL的調(diào)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(yōu)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(tǒng)(比如：插卡式構(gòu)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(shù)據(jù)的驅(qū)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(tài)

TAPC等級制度中存在一個稱為“parking”(停泊)的TAPC 狀態(tài)，當某一等級TAPC的狀態(tài)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(tài)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(tài)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(tài)。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(tài)下停泊，CLTAPC 狀態(tài)可停泊的狀態(tài)包括Test-Logic-Reset、Run-Test/Idle和Pause-XR狀態(tài)。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。