什么是边界扫描？JTAG边界扫描测试方案介绍

1. 什么是边界扫描？

提到边界扫描，就不得不提JTAG，因为边界扫描是JTAG接口的功能之一。

JTAG，是Joint Test Action Group的简称，即联合测试行为小组。

JTAG，对于电子行业的工程师们来说再熟悉不过了，无论是搞单片机、ARM开发，还是FPGA、DSP开发，都离不开这个接口，它不仅可以进行程序下载，还能在线调试Debug，简简单单几根线就完成了如此强大的功能，大大的提高了开发效率。

但是，你知道吗？JTAG协议的设计初衷， 并不是用来下载程序的 。

JTAG中的'T'，是Test的缩写，没错！JTAG接口被设计之初，就是用来测试的！

上世纪90年代，集成电路、芯片设计产业开始迅速发展，同时，也面临着诸多问题：芯片管脚和晶圆之间的连接如何确定是正常的？芯片管脚之间是没有短路的？芯片被焊接到PCB板上之后，如何保证焊接是良好的，没有短路、开路？芯片外围的电路和与之互联的芯片是正常的呢？尤其是一些BGA封装的芯片，无法使用探针等方式来直接测量芯片的管脚。

面对这些问题，Philips、TI等半导体厂商在1985年成立了联合测试行动小组 ，即JTAG，用来解决这些问题。

尽管人们认为 IEEE 1149.1 标准实际上就是JTAG，不过该标准的官方称谓是“ 标准测试访问端口与边界扫描架构 (Standard Test Access Port and Boundary-Scan Architecture) ”。它定义了利用边界扫描检测 PC 电路板的检测访问端口 (TAP) 等。

JTAG协议发展到现在，目前主要有三个典型应用：

• 程序下载。即目前最常用的一个功能，它可以把用户程序下载到芯片内部的Flash中。
• 程序调试。即实时监控程序的运动状态，并且可以通过加入断点的方式来实时调试程序。
• 边界扫描。即Boundary-scan，也就是JTAG设计的初衷，主要用于芯片本身和PCB电路板的硬件测试。

2. JTAG硬件接口

JTAG协议工作的基本逻辑全依赖内部的TAP控制器（Test Access Port），其实就是一个状态机，通过TMS信号来切换不同的状态。

标准的JTAG接口最少需要4个引脚，即：TCK、TDI、TDO和TMS，在IEEE1149.1标准中，TRST信号是可选的。

下面是每个信号的定义和功能：

• Test Clock Input (TCK)
  TCK 为 TAP 的操作提供了一个独立的、基本的时钟信号，TAP 的所有操作都是通过这个时钟信号来驱动的。TCK 在 IEEE 1149.1 标准里是强制要求的。
• Test Mode Selection Input (TMS)
  TMS 信号用来控制 TAP 状态机的转换。通过 TMS 信号，可以控制 TAP 在不同的状态间相互转换。TMS 信号在 TCK 的上升沿有效。TMS 在 IEEE 1149.1 标准里是强制要求的。
• **Test Data Input (TDI) **
  TDI 是数据输入的接口。所有要输入到特定寄存器的数据都是通过 TDI 接口一位一位串行输入的（由 TCK 驱动）。TDI 在 IEEE 1149.1 标准里是强制要求的。
• **Test Data Output (TDO)
  **TDO 是数据输出的接口。所有要从特定的寄存器中输出的数据都是通过 TDO 接口一位一位串行输出的（由 TCK 驱动）。TDO 在 IEEE 1149.1 标准里是强制要求的。
• **Test Reset Input (TRST) **
  TRST可以用来对TAP Controller进行复位（初始化）。不过这个信号接口在IEEE 1149.1标准里是可选的，并不是强制要求的。因为通过 TMS 也可以对 TAP Controller 进行复位（初始化）。

以Jlink的JTAG接口为例，可以看到标准的4个JTAG管脚：

以下是JTAG接口的使用示意：

每个管脚都有一个边界扫描寄存器单元，在时钟的驱动下，每个管脚的信号在寄存器单元之间依次流动，从而实现每个管脚状态的控制和读取。

3. 边界扫描相关的软硬件

理论上只要支持JTAG协议的调试器、下载器，都可以用来进行边界扫描测试，不过可能需要开发相对应的上位机软件。

本文介绍常见的两款边界扫描测试方案。

• JLink + TopJTAG Probe

TopJTAG是一款非常简洁、实用的边界扫描测试软件，支持多种调试器，比如最常用的JLink、USB-Blaster等等。我会在后面的文章单独介绍这款软件配合Jlink来进行边界扫描测试。

• X-JTAG

一套非常专业的边界扫描方案，研发公司位于英国剑桥，包括调试器和上位机，功能极其强大，当然售价也不菲！广泛应用于航天、汽车、国防、医疗、通信等专业领域。

5. 总结

对了，开头介绍的那款板卡，我使用边界扫描获取到的管脚定义如下：

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#  ModuleName : top.xdc 
#  Date       : 2023-03-04
#  Time       : 23:55:00
#  Author     : whik1194
#  Function   : Pin constraint
#  Version    : v1.0
#       Version | Modify
#       ----------------------------------
#        v1.0    first version
####################################################################

set_property PACKAGE_PIN AA10 [get_ports gclk_p]
set_property PACKAGE_PIN D9 [get_ports greset]
set_property PACKAGE_PIN D8 [get_ports key]
set_property PACKAGE_PIN G20 [get_ports led1]
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set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports can_rx]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports can_tx]

#QSPI 

set_property BITSTREAM.GENERAL.COMPRESS TRUE [current_design]
set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGRATE 50 [current_design]
set_property BITSTREAM.CONFIG.SPI_BUSWIDTH 4 [current_design]