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FPGA/PLD  

滿足嵌入式系統電路特性測試需求的JTAG技術

上網時間: 2006年06月19日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:JTAG  IEEE1149.1  BGA  CPLD  FPGA 

IEEE 1149.1邊界掃描測試標準是一種用來進行複雜IC與電路板上的特性測試的業界標準方法,大多數複雜電子系統都以這種方式運用了IEEE1149.1(JTAG)標準的優勢。為了能夠更瞭解這種方法,本文將探討在不同年代的系統開發與設計中是如何使用JTAG的,透過借助過去有關JTAG接取的經驗或投入,推動設計向新一代發展。

大多數複雜電子系統都運用了IEEE1149.1(JTAG)標準的優勢。如果系統採用的是複雜FPGACPLD,那麼幾乎可以確定這些硬體是透過JTAG埠設置的。如果系統利用模擬工具來除錯硬體或軟體,那麼模擬工具也很可能是透過JTAG埠與微處理器對話。而且,如果系統中採用了球閘陣列(BGA)封裝的IC,那麼JTAG也是測試BGA元件與底層印刷電路板之間連接的最有效方法。

IEEE 1149.1邊界掃描測試標準(通常稱為JTAG、1149.1或dot 1)是一種用來進行複雜IC與電路板上特性測試的產業標準方法。支援該標準的IC與電路板都具備一個支援JTAG測試的4線串列匯流排(第5條線為可選的重置線),分別為TDI(測試數據輸入)、TDO(測試數據輸出)、TMS(測試模式選擇)與TCK(測試時脈)。該匯流排主要支援對焊點、電路板過孔、短路和開路等連接進行結構測試。此外,許多CPLD和FPGA製造商也將JTAG作為其元件在系統程式與配置的標準方法。JTAG不但支援結構(互連)測試,如今還是一種用於在系統級實現配置、程式以及混合訊號測試的標準方法。

但大多數設計團隊都在新設計中對JTAG的應用很少會完全轉變,而是以一種更易掌控的方式慢慢轉為全面利用JTAG介面。有些團隊規則(discipline)中廣泛利用了JTAG介面,有些則只利用了其中很有限的一部份。但每種規則都根據其自身的需要調整JTAG。在各種規則的共同作用下,發展出了幾代不同的JTAG應用,每一代JTAG應用都有各自的特點,並具有某種增強功能。

由於具有各式JTAG接取要求,所以開發團隊必須採用一種跨規則的JTAG接取策略以大幅發揮JTAG接取功能。這種策略對於實現一種標準方法非常重要,這種標準方法可以再使用,且下一代產品可基於其建構。為了能夠更瞭解這種方法,我們將探討在不同年代的系統開發與設計中是如何使用JTAG的,希望借助過去與JTAG接取的相關經驗或投入推動新一代設計發展。

JTAG應用的各個階段

在JTAG應用的第一階段中,只利用了某些有關電路板的特性和功能,有關該方法的整理和標準化工作卻做得很少。

圖1:第二代JTAG應用:利用JTAG多支路多工器簡化對多個JTAG鏈的接取。

這是一種最簡單的方法,幾乎甚至完全不需要進行任何軟體工具投資,通常使用IC廠商提供的免費工具即可。該階段的JTAG通常不具備或者只具備很有限的診斷功能,也沒有適用於產生測試或程式向量軟體。此時JTAG接取只在生產時用於配置CPLD或針對快閃記憶體編程。稍複雜一些的板卡也可利用它做測試。

然而,這並不是成本最低的方法。因為每種規則都有可能會為其自身的需要用一個單獨的JTAG接頭(header),於是一塊電路板上就得用多個JTAG接頭,因而增加了成本,也佔用了電路板空間。而且,每種規則可能都會開發它們自己的‘自製’軟體工具和硬體,以實現與JTAG特性的交互,而這些軟體工具和硬體對其他規則(discipline)而言卻是多餘的。所以,採用這種方法開發的產品受其定製開發的影響,很難轉移到新一代的產品中去。如果在生產中採用,這種方法也會增加成本,因為它需要進行多次插入。

許多開發團隊都被這一代JTAG應用綁住了手腳。最終,當系統複雜性持續增大時,要保持產品的競爭力,就必須採用一種JTAG接取策略。

第二代JTAG應用

在第二代JTAG應用中,不同的開發團隊規則對在新板卡設計上採用JTAG功能進行管理。該階段的JTAG應用需要一定程度的ATPG(自動測試程式產生)軟體工具(這類軟體工具具有穩健診斷功能)投資,用於對程式和測試向量的開發和傳送進行管理。這類ATPG工具的供應商提供從簡單的針對每一任務的向量產生的支援與諮詢服務,也提供生產用的多任務(multi-seat)全套軟體支援。

在每塊電路板上添加一個策略性IC元件-JTAG再使用元件,目的是去除電路板上的多個1149.1接頭並管理多個JTAG通路。這個JTAG再使用元件所佔用的電路板空間通常比一個JTAG接頭還小,但卻簡化了元件的隔離,也簡化了提高接取效率所需掃描路徑的組織。

例如,開發人員可能會希望將不同廠商的FPGA隔離在不同的掃描鏈中,以便簡化利用每個廠商提供的工具接取JTAG的過程。另外,我們可能還希望將微處理器放在一個單獨的掃描鏈中,因而在模擬工具除錯軟體或在快閃記憶體寫入程式時,最大程度提高微處理器的執行速度。ATPG廠商對這些元件都提供了很好的支援,因此軟體支援通常很簡單,直接提供解決方案。

如今我們的第二代設計都只有一個單獨的JTAG接取點,在這種基本配置下,整個板卡的所有模擬、配置和1149.1測試都可以在一次插入中,在一個測試站(test station)上用一個基於PC的系統來實現。

在這一階段出現了一種新的JTAG匯流排應用-在產品的整個生命週期中都能利用JTAG接取功能。例如,可以將整個電路板級的向量圖(vector image)存檔,以便在需要現場服務時,對板卡重新程式或除錯。同樣的接取功能還可以用於現場FPGA韌體升級,或用於診斷一個FRU(現場可替換單元)中的問題。返回廠商進行故障分析的設備也可以利用同一組向量圖(以及廠商或開發測試站)來對問題進行隔離。

如果說這一代JTAG應用有什麼缺點,那就是開發團隊通常還抱著單一板卡的心態。這是一種常有的心態,認為設計團隊的責任只侷限於其設計板卡及其介面。然而,如果不能向第三代JTAG發展,那麼這種JTAG應用就出現了瓶頸,限制了使用JTAG實現多板卡的能力。

第三代JTAG應用

當能夠對一個背板上的多板卡系統級使用到JTAG的特性時,就實現了下一代JTAG接取。在這種環境下,仍然能夠單獨實現單板卡級JTAG功能,而且還可以利用到板卡間的功能。這一代JTAG應用不但促進了單板卡上不同規則的設計團隊相互合作,也促進了整個系統下不同板卡設計團隊之間的合作。如果在上一代JTAG應用中採用了一個JTAG多工器,那麼這個多工器支援多支路(multi-drop)接取。採用一種尋址方案,可以將串列JTAG匯流排用於多支路配置,提供對多板卡的支援。而一旦JTAG能夠接取一塊背板上的多個板卡,就能實現系統級的配置或程式(例如,JTAG可以平行接取多塊板卡)。

圖2:第三代J:將JTAG匯流排的擴展到在整個背板以連接多個板卡。

如果驅動器/接收器對允許進行JTAG可接取的全速BIST(內建自測),也能測試板卡之間的背板互連,或者可以驗證板卡之間的高速LVDS串列鏈接,那麼就能對板卡間背板互連的完整性進行測試,或者驗證板卡間的高速LVDS串列連接。或這些高速互連都是電容器性耦合,並且驅動器/接收器支援,則可以進行IEEE 1149.6測試。

利用與第二代同樣的設備,如一個基於PC的JTAG站,就能使用所有這些JTAG功能。這個基於PC的JTAG站作為JTAG主控設備,透過一組單獨的線路連接到背板上的JTAG接頭。這個主控設備負責驅動測試向量,並管理整個背板上的元件接取JTAG功能。

第三代JTAG應用中添加的一項最有意思的新功能,在系統執行時,透過這個邊帶(sideband)JTAG通道可以存取整個系統。具備了這一功能,這使得很多系統級功能得以實現,例如線上‘健康’狀況監測、故障預測、故障檢測、故障插入(用於故障轉移測試或冗餘度測試)以及診斷。

第四代JTAG應用

當測試向量的傳送和管理產生在系統內部時,對JTAG的應用就達到了最高級別,即第四代。第四代JTAG應用採用了一個板載JTAG主控制器來驅動背板JTAG匯流排。同時,還利用板載記憶體儲存測試向量,並利用一個微處理器驅動JTAG主控制器。多板卡系統級主控制器可以位於一塊單獨的板卡上的,也可以在每塊板卡上設置一個主控制器以增強控制性能。

到了第四代,所有前面幾代JTAG應用的功能都能透過遠端方式實現,包括程式、配置、互連測試以及診斷,因而極大降低了現場服務與支援所需的成本。當需要升級一個現場系統的韌體時,直接將新的配置文件下載到JTAG主控制器上,再由JTAG主控制器透過背板JTAG匯流排將其發給目標元件即可。當然,在生產時只要將主控制器禁用,那麼仍可使用基於PC的JTAG接取站,這又進一步增強了靈活性,也在所有整合度上提供了最多的接取選擇。

JTAG接取可以透過外部或內部啟動,也可以由某些系統事件啟動,例如系統上電或電源重置。

本文小結

迄今為止,JTAG應用與整合中存在的最大障礙,就是如何讓人們認識到需要一種基於多個開發規則的策略,並使管理者相信這種策略能夠帶來經濟效益。一旦跨出了這一步,並且採用了ATPG支援和JTAG再使用元件,那麼就更容易一步步或一代代地循序漸進評估或實現新的JTAG功能。而且,如果開發團隊能夠基於先前應用JTAG的經驗,就能更好地發揮JTAG匯流排的功用。

增大JTAG結構的複雜性並不一定會成為系統的負擔,恰恰相反,這樣才能完全地發揮JTAG作為一個受到廣泛支援的,對現代複雜電子系統進行系統級測試、程式、配置和的健康狀態監控的產業標準方法的全部價值。

作者:Brian Stearns

首席技術行銷工程師

美國國家半導體公司




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