基于JTAG标准的IC芯片结构及测试原理分析

　　介绍了支持 JTAG标准 的IC芯片结构、 边界扫描 测试原理以及利用边界扫描技术控制IC芯片处于特定功能模式的方法。

　　针对IC芯片某种特定的功能模式给出了设计思路和方法，并用两块xc9572 pc84芯片互连的PCB板为例进行设计分析和实验实现。通过实验实现，体现了边界扫描技术易于电路系统调试和方便系统设计的特点，且设计的系统控制逻辑简单方便，易于实现。

　　当今，微电子技术已经进入超大规模集成电路（VLSI）时代。随着芯片电路的小型化及表面封装技术（SMT）和电路板组装技术的发展，使得传统测试技术面临着巨大的挑战。在这种情况下，为了提高电路和系统的可测试性，联合测试行动小组（JTAG）于1987年提出了一种新的电路板测试方法——边界扫描测试，并于1990年被IEEE接纳，形成了IEEE1149.1标准，也称为JTAG标准［1］。这种技术以全新的“虚拟探针”代替传统的“物理探针”来提高电路和系统的可测性。由于 JTAG标准的通用性很好， 现在许多IC公司都提供了支持边界扫描机制的IC芯片，甚至部分FPGA和CPLD芯片也采用了这一技术。

　　本文介绍支持JTAG标准的IC芯片结构，并以Xilinx公司的两块xc9572_ pc84芯片为例，探讨并利用边界扫描技术控制IC芯片处于某种特定功能模式的方法，并且针对IC芯片某种特定的功能模式设计该芯片的JTAG控制器。

　　1 支持JTAG标准的IC芯片结构

　　边界扫描技术的核心就是在IC芯片的输入输出引脚与内核电路之间设置边界扫描结构。JTAG 标准定义了一个4-wire串行总线［2］，通过这四条测试线访问边界扫描单元，可以达到测试芯片内核与外围电路的目的。图1示出了支持JTAG标准的IC芯片结构。图中，扫描结构由测试存取通道（TAP）、边界扫描寄存器（BSR）、TAP控制器、指令寄存器（IR）和辅助寄存器等组成。

　　1.1 TAP

　　TAP是由4-wire串行测试线组成的测试存取通道，JTAG标准定义的所有操作都由这四条测试线来控制。这四条测试线分别是：测试时钟输入线（TCK），测试方式选择输入线（TMS），测试数据输入线（TDI），测试数据输出线（TDO）。

　　1.2 TAP控制器

　　TAP控制器是边界扫描测试的核心控制器，具有一个16状态的有限状态机。它与TCK信号同步工作，并响应TMS信号。在TCK信号和TMS信号的控制下， TAP控制器可以选择使用指令寄存器扫描还是数据寄存器扫描，以及选择用于控制边界扫描测试的各个状态。图2描述了TAP控制器的状态转换全过程［3］。

　　无论当前状态如何， 只要TMS保持5个TCK 时钟为高电平， TAP控制器都会回到Test_Logic_Reset状态， 使测试电路不影响IC芯片本身的正常逻辑。需要测试时，TAP控制器跳出该状态， 选择数据寄存器扫描（Select_DR_SCAN）或选择指令寄存器扫描（Select_IR_Scan）进入图2的各个状态。一个标准的测试过程如下：TAP控制器在Capture_IR状态捕获指令信息， 经过Shift_IR状态移入新指令，新指令经过Update_IR状态成为当前指令；紧接着，当前指令在Select_DR_Scan状态选择相应的测试数据寄存器， 在Capture_DR状态捕获前一测试向量的响应向量，在Shift_DR状态移出该响应向量，同时移入下一测试向量，在Update_DR状态将新的测试量并行加载到相应的串行数据通道，直到移入最后一个测试向量为止。其中，Pause_DR状态和Pause_IR状态暂停数据移位状态；而四个Exit状态是不稳定状态，它们为状态转换提供灵活性。

　　1.3 BSR

　　BSR是边界扫描技术的核心，它构成边界扫描链，其中的每一个边界扫描单元（BSC）都是由触发器Q、多路选择开关mux组成。图3示出了JTAP标准中BC_ 1 类型的BSC的结构［3］。

　　在图3中，SI为BSC的串行输入端，连接上一个器件（BSC）的串行输出端SO，依次相连便构成边界扫描链。该扫描链的首端接TDI引脚，末端接TDO引脚。当MODE为0时，芯片工作在正常模式下。当芯片工作在测试模式时，测试数据在移位信号（SHIFT=1）的控制下，通过SI 端进入到多路选择器1（MUX1）中，通过SO端进入下一个BSC的SI端；当芯片工作在捕获方式时（SHIFT=0），触发器Q1将捕获BSR并行输入端（DI）的数据，送入SO端，在扫描链中传递捕获的数据，并在TDO回收数据，以此来检测故障的存在并且定位故障所在的位置。当MODE为1时，芯片工作在更新方式下，Q1中的数据在更新信号（UPDATE）的作用下，进入到多路选择器2（MUX2）中，通过BSR的并行输出端（DO）进入芯片的内核中。