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測試與測量  

用JTAG邊界掃描測試電路板、BGA和互連

上網時間: 2006年12月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:BGA  JTAG  JSCAN  邊界掃描 

當第一批電路板樣板放在硬體工程師桌面的時候,在測試時他會感到非常困擾。在工程師耗費幾個星期的時間設計電路圖和佈局,並安裝好了零組件後,現在必須確定它能否工作。工程師插上板子,加電並觀察。但沒有辦法檢測BGA下方微小到必須用放大鏡才能看清楚的晶片接腳,工程師應該怎麼辦?

BGA具有很多優點,應用非常普遍。但我們無法拆開元件來探測BGA下面的連線。X光是一種可選的測試方案,但它們僅能呈現焊點的靜態影像,而不是提供確保連接性所需的動態電氣報告,因而極難判斷虛焊和可靠焊點之間的差異。人們總是希望一換掉BGA,問題就會消失。這通常是一種昂貴和耗時的選擇方案,且生產率非常低。

傳統的邊界掃描是另一種選擇方案,但是這通常需要一些昂貴的工具,且必須製作測試向量和測試執行,整個過程要花很長時間。所花費的時間長短取決於設計文件的穩定性和精密度。此外,測試結果不是動態的,它們通常是對電路板上所發現問題的匯總。

最佳測試方案是存在於現有設計中的快速、簡單和廉價方案。許多BGA和大多數高階嵌入式處理器都支援透過IEEE 1149.1 JTAG介面進行邊界掃描。

核心問題在於:訊號線是否被正確地連接到實體上無法用探頭接觸的BGA元件的某一接腳?該訊號線可能是時脈線、地址線、數據匯流排或任何感興趣的訊號線。關鍵是對其在電路中進行測試,以觀察其狀態是高、低或正產生狀態跳變,以及訊號線是否連通。

基於JTAG的邊界掃描能以非傳統的方式獲得這些資訊。概念很簡單,即IC獲取其所有接腳的狀態並透過邊界掃描鏈重複地把這些狀態移出,並在個人電腦上同步顯示結果。用戶可以觀察BGA元件下每一個可掃描接腳的動態行為指示。

從顯示器可以即時觀察振盪器是否連接到G17接腳或地址、數據匯流排的行為,在此同時,電路板上的電路可以不受干擾而保持正常執行。該技術的最好之處在於電路不知道你在進行測試,測試對電路的工作完全透明。測試應用程式以全速執行,在JTAG掃描鏈上的每一個元件都受到監測。

完成這類測試的工具非常依賴於圖形化用戶介面(GUI)。一旦電路板被描述到應用軟體中,螢幕上顯示的晶片圖就類似於電路版圖中的封裝。因為晶片的JTAG介面可能以菊花鏈排列,版圖可能僅包含一個處理器或一些BGA元件,或者可能包含許多元件,如處理器、閘陣列、輸入/輸出控制器等。接腳在螢幕上以彩色編碼顯示即時狀況,如接腳現在的邏輯電平或是否在產生狀態跳變。這就使測試非常直觀。當測試目的是簡單的連通性和狀態檢查時,就消除了製作測試向量或測試執行的需要。

每一個元件都被發送JTAG指令EXTEST,以容許對元件上的每一根接腳進行完全的控制。應用程式然後可以驅動地址匯流排或切換到一根到連接器或LED的線,以檢查整個電路的連通性,所有這一切只要點選滑鼠就能完成。

所有具備JTAG埠的積體電路都將內建邊界掃描功能,其組成部份包括:圍繞被掃描元件邊界的較長的移位暫存器和控制移位暫存器行為的狀態機。在邊界暫存器中的每一個暫存器位元擷取或控制元件上每一個接腳的某些方面。如果該位元是緩衝器開啟狀態,該暫存器位元就可能控制若干接腳。

軟體應用程式引導狀態機把每一個接腳的狀態擷取到邊界暫存器之中,然後將其移出JTAG埠。重複這個過程,並把結果顯示在螢幕上,就可以即時顯示在掃描鏈中的每一個元件的每一個接腳的行為。因為與測試向量法相較,透過顯示影像可以做可視化分析,所以掃描速度不是問題。

對於典型的閘陣列,一個這樣的暫存器通常有300到400位元;而對於處理器,最多有幾千位元。邊界掃描描述語言文件(BSDL)定義了暫存器中每一位元的含義。這些文件常見於IC供應商的網站,它們非常詳細、精確地描述了邊界掃描鏈中每一個單元的含義以及它與實體接腳的關係。

在元件中與每一個接腳相關的典型掃描單元有三種:1. 擷取/控制進入元件的訊號;2. 擷取/控制流出元件的訊號;3. 擷取/控制輸出緩衝器的開啟狀態。如果接腳是一個專用的‘輸入’接腳,它通常具有單個掃描單元。

JTAG介面只有4條線:測試數據輸入(TDI)、測試數據輸出(TDO)、測試時脈(TCK)和測試模式選擇(TMS)。TCK是用於把數據讀入TDI接腳並把數據讀出TDO接腳的非同步時脈。TMS接腳被用於轉換TAP控制器的狀態機。

BSDL文件是免費的,邊界掃描電路已經被建構在你的JTAG元件之中,而JTAG接頭在你的目標板上。接下來做的事就是編寫合適的診斷應用程式,並開始觀察BGA元件下的情況。

Macraigor、XJTAG和Corellis等公司提供了很多工具,幫助硬體工程師大幅地利用目標板內建的JTAG功能。面對價格和功能各異的各種工具,你需要找到最適合你的測試要求的工具。所幸大多數可由JTAG解決的硬體問題都可以採用合適的工具方便和快速地加以解決。


圖1:目前市場上常見的JTAG除錯工具

市場上存在廉價的工具,它不僅完全支援JTAG除錯,而且配備極易使用的GUI。Macraigor Systems公司最近剛推出一種稱為JSCAN的工具,它除了能夠完成所有上述工作之外,還能完成許多其它測試任務。在應用程式中,包含各種虛擬LED和開關,它們可以虛擬連接到BGA元件的接腳以幫助監測和控制被測訊號。它具有一個腳本記錄器,所以,你可以創造包含循環、用戶提示和查詢的簡單測試腳本。該腳本被儲存在業界標準的SVF文件中,可以在JSACN工具或任何SVF播放器上播放。這就容許你快速地測試多個電路板並即時瞭解哪塊板有問題及其問題的根源。

此外,該產品無論板上的處理器是否在執行,都能對快閃記憶體進行編程。只要選擇一些選項,提供一個數據文件並點選‘編程’項,就能把訊號資訊(地址、數據和控制)填入空位元。JSCAN控制被測元件的所有接腳,並使用這些接腳對快閃記憶體編程。當然這需要假定你的快閃記憶體已經連接到JTAG鏈中的一個或多個元件。

JTAG Commander是一種較低階的工具,它直觀地輔助JTAG掃描鏈本身被診斷,並為硬體工程師提供了SVF和JAM目標程式碼文件的播放器。

除了電路板測試外,Macraigor Systems公司還提供高階和低階除錯工具,使軟體監測作業系統和執行在你的目標系統上的所有應用程式。

作者:Craig Haller

總工程師

Macraigor Systems公司

craig@macraigor.com




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