JTAG Boundary Scan Basics White paper

# JTAG边界扫描基础知识白皮书 ## 引言 ### JTAG边界扫描简介 历史上，大多数印刷电路板(Print Circuit Board, PCB)测试都通过针床(in-circuittest)测试设备完成。随着VLSI技术的发展，微处理器和专用集成电路(Application Specific Integrated Circuits, ASICs)可以封装为高密度、细间距的封装形式。这些高密度器件给制造带来了独特的挑战，例如测试点的可访问性以及测试设备高昂的成本。 为了解决这些问题，1985年，一群欧洲公司成立了联合欧洲测试行动组织(Joint European Test Action Group, JETAG)，旨在将硬件纳入标准组件并通过软件控制，从而无需复杂的针床测试设备。到1988年，这一概念在美国获得关注，几家公司在北美洲建立了联合测试接入组(Joint Test Access Group, JTAG)联盟，正式确立了这一理念。1990年，电气与电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE)进一步完善了这一概念，并制定了1149.1标准，即IEEE标准测试接入端口和边界扫描架构。 ### 什么是边界扫描？ 边界扫描是一种方法论，允许完全控制和观察兼容JTAG设备的边界引脚，通过软件控制实现。这一能力使得无需使用针床测试设备就可以进行电路板测试。下图展示了JTAG兼容设备输入和输出引脚的可能结构。  在正常操作模式下，边界单元处于非活动状态，允许数据通过设备正常传播。而在测试模式下，所有输入信号被捕获以供分析，所有输出信号被预设以测试后续设备。边界扫描单元的操作通过测试接入端口(Test Access Port, TAP)控制器和指令寄存器来控制。 ### 边界扫描设备的结构 #### 输入和输出结构 图1展示了JTAG兼容设备输入和输出引脚的可能结构。在标准操作模式下，边界单元处于非活动状态，允许数据正常通过设备传播。在测试模式下，所有的输入信号被捕获用于分析，而所有的输出信号被预设用于测试下游设备。 #### 边界扫描设备示意图  图2中的边界扫描设备显示了边界单元的运作方式。TAP控制器是一个状态机（具有16种可能的状态），用于控制与边界扫描单元相关的操作。基本操作包括： - **进入测试模式**：激活TAP控制器以准备进行测试。 - **设置测试命令**：通过指令寄存器发送测试命令到TAP控制器。 - **执行扫描操作**：根据接收到的命令，TAP控制器控制边界扫描单元进行扫描操作。 - **读取测试结果**：获取测试过程中捕获的数据并分析结果。 ### 测试接入端口(TAP)控制器 TAP控制器是一个状态机，具有16种可能的状态，用于控制与边界扫描单元相关的操作。其主要功能包括： - 控制边界扫描单元的操作； - 接收和执行来自外部的测试命令； - 读取测试结果并将它们传递给外部设备。 ### 指令寄存器的作用 指令寄存器负责存储和转发由TAP控制器执行的具体测试指令。这些指令决定了边界扫描单元如何进行测试操作，包括但不限于： - 初始化测试环境； - 执行特定的测试序列； - 读取测试结果并将其传回外部设备。 ### 边界扫描的应用场景 边界扫描技术的应用场景非常广泛，主要包括以下几个方面： 1. **故障诊断**：边界扫描可以帮助快速定位故障，减少维修时间。 2. **生产测试**：在大规模生产过程中，边界扫描可以作为质量控制的一部分，确保每个产品都能通过必要的测试。 3. **现场维护**：边界扫描技术还可以用于现场设备的维护，帮助技术人员快速确定问题所在。 ### 结论 边界扫描技术是现代电子产品制造和测试领域的重要组成部分。通过将硬件集成到标准组件中并通过软件控制，边界扫描不仅解决了传统针床测试设备的局限性，还提高了测试效率和准确性。随着技术的不断发展，边界扫描的应用范围也将不断扩大，成为电子制造业不可或缺的技术之一。