故障信息處理測(cè)試中的邊界掃描技術(shù)探討

　　論文關(guān)鍵詞：邊界掃描技術(shù)　JTAG　邊界掃描設(shè)計(jì)

　　論文摘要：邊界掃描技術(shù)是一種完整的、標(biāo)準(zhǔn)化的可測(cè)性設(shè)計(jì)方法，它提供了對(duì)電路板上元件的功能、互連等進(jìn)行測(cè)試的一種統(tǒng)一方案，極大地提高了系統(tǒng)測(cè)試的效率。該文詳細(xì)介紹了邊界掃描測(cè)試的原理、結(jié)構(gòu)，討論了邊界掃描測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用。

　　集成電路的發(fā)展，特別是VLSI的出現(xiàn)和表面安裝工藝（SMT）的使用，使復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)和A－SIC的測(cè)試變得越來越困難。鑒于此，聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)組（JTAG）致力于可測(cè)性設(shè)計(jì)方法——邊界掃描技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，并于1990年被IEEE接納，形成了IEEE 1149.1“測(cè)試存取口及邊界掃描設(shè)計(jì)”標(biāo)準(zhǔn)。JTAG標(biāo)準(zhǔn)通過邊界掃描技術(shù)使IC各管腳的可控制性和可觀察性達(dá)到了100％，支持從器件級(jí)直至系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試。
　　1 邊界掃描技術(shù)的基本原理
　　邊界掃描技術(shù)的工作原理是：JTAG測(cè)試儀器使用一個(gè)四線測(cè)試接口，將測(cè)試數(shù)據(jù)以串行方式由TDI輸入到邊界掃描寄存器中，通過TMS發(fā)送測(cè)試控制命令，經(jīng)TAP控制器控制邊界掃描單元完成測(cè)試數(shù)據(jù)的加載和響應(yīng)數(shù)據(jù)的采集。最后，測(cè)試響應(yīng)數(shù)據(jù)以串行掃描方式由TDO送出到JTAG測(cè)試儀器。JTAG測(cè)試儀器將捕獲到的響應(yīng)數(shù)據(jù)與期望的響應(yīng)進(jìn)行比較，如果數(shù)據(jù)一致，則說明無故障存在。
　　邊界掃描測(cè)試總線由四個(gè)（另有一個(gè)TRST＊為可選）專用引腳組成：測(cè)試數(shù)據(jù)輸入（TestData In，TDI）、測(cè)試數(shù)據(jù)輸出（TestData Ou，t TDO）、測(cè)試模式選擇（TestMode Selec，t TMS）和測(cè)試時(shí)鐘（TestClock，TCK）。主要完成測(cè)試矢量輸入、測(cè)試相應(yīng)輸出和測(cè)試控制。器件內(nèi)邊界掃描結(jié)構(gòu)主要由測(cè)試存取口（TestAccessPor，t TAP）、TAP控制器（TAPController）、指令寄存器（Instruction Register，IR）和測(cè)試數(shù)據(jù)寄存器（DataRegister，DR）等組成。
　　邊界掃描測(cè)試的所有操作都是經(jīng)由測(cè)試訪問端口，在TAP控制器的統(tǒng)一管轄之下實(shí)現(xiàn)的。TAP控制器是一個(gè)16位有限狀態(tài)機(jī)，在TCK的上升沿時(shí)刻，TAP控制器利用TMS管腳的控制信號(hào)控制IC中的邊界掃描單元進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換、測(cè)試數(shù)據(jù)的加載和測(cè)試響應(yīng)數(shù)據(jù)的采集。測(cè)試指令和數(shù)據(jù)通過TDI輸入到測(cè)試邏輯，從TDI送入的數(shù)據(jù)在一定的周期（由指令或是測(cè)試數(shù)據(jù)寄存器決定）后將輸出至TDO。簡(jiǎn)而言之，TAP提供了將指令／數(shù)據(jù)位流（bit stream）移位進(jìn)入，或者移位出核心邏輯的機(jī)制。當(dāng)其為指令位流時(shí)，用來選擇測(cè)試邏輯的哪個(gè)寄存器為有效。當(dāng)其為測(cè)試數(shù)據(jù)位流時(shí)，用來傳送適當(dāng)?shù)募��?lì)／響應(yīng)到測(cè)試邏輯的當(dāng)前有效組件中。
　　2 邊界掃描測(cè)試方法
　　應(yīng)用邊界掃描技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)器件間互連通路測(cè)試、器件和電路板的靜態(tài)功能測(cè)試和器件自測(cè)試。不同的測(cè)試在不同的工作方式下進(jìn)行。這些工作方式可以通過加載相應(yīng)指令到指令寄存器來選擇。
　　2.1 內(nèi)測(cè)試（IN TEST）
　　內(nèi)測(cè)試測(cè)試IC本身的邏輯功能，即測(cè)試電路板上集成電路芯片的內(nèi)部故障。測(cè)試向量由TDI輸入，并通過掃描路徑移位將測(cè)試向量施加到芯片的核心邏輯輸入端，邊界掃描寄存器的輸出單元捕獲核心邏輯的輸出值即響應(yīng)向量，根據(jù)輸入向量和輸出響應(yīng)，就可以對(duì)電路板上各芯片的內(nèi)部工作狀態(tài)做出測(cè)試分析。
　　在進(jìn)行內(nèi)測(cè)試時(shí)，通過邊界掃描測(cè)試總線發(fā)送自測(cè)試 “RUNBIST”命令，將芯片配置為自測(cè)試模式，自動(dòng)完成測(cè)試矢量加載和測(cè)試響應(yīng)分析，并通過邊界掃描測(cè)試總線輸出測(cè)試結(jié)果。
　　2.2 外測(cè)試方式（EXTEST）
　　外測(cè)試用于檢測(cè)各集成電路間連線以及板級(jí)互連故障，包括短路故障和斷路故障。此時(shí)邊界掃描寄存器把IC的內(nèi)部邏輯與被測(cè)板上其他元件隔離開來。
　　器件間的互連通路測(cè)試是邊界掃描技術(shù)的基本測(cè)試類型之一。基本方法為：從互連網(wǎng)絡(luò)一端的邊界掃描單元加載輸入值，發(fā)出外部測(cè)試“EXTEST”命令，然后通過互連網(wǎng)絡(luò)另一端的邊界掃描單元讀出響應(yīng)值，根據(jù)輸入輸出結(jié)果即可判斷是否存在互連通路上的故障。
　　在電路板的測(cè)試中出現(xiàn)最頻繁的是斷路和短路故障，傳統(tǒng)的逐點(diǎn)檢查的方法既麻煩又費(fèi)時(shí)，而通過邊界掃描技術(shù)的外部測(cè)試方式，把從TDO端輸出的邊界掃描寄存器的串行信號(hào)與正確的信號(hào)相比較，就可以方便有效地診斷出電路板引線及芯片引腳間的斷路和短路故障。這是邊界掃描技術(shù)一個(gè)非常顯著的優(yōu)點(diǎn)。

　　2.3 采樣測(cè)試方式（SAMPLE／RELOAD）
　　采樣測(cè)試方式用于對(duì)一個(gè)正在運(yùn)行的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)集成電路芯片處于正常工作狀態(tài)下，將其數(shù)據(jù)采樣下來，經(jīng)掃描路徑送出來檢查系統(tǒng)的性能。
　　采樣測(cè)試在捕捉階段從輸入端并行輸入引腳的數(shù)據(jù)，為外測(cè)試做準(zhǔn)備。輸入單元移出器件標(biāo)識(shí)（ID Code）：選擇旁路寄存器，使數(shù)據(jù)在電路芯片間快速移位，可以觀察IC正常工作時(shí)輸入、輸出引腳的數(shù)據(jù)流。
　　此外還有多種測(cè)試指令，他們的存在和不斷擴(kuò)充，使邊界掃描技術(shù)的應(yīng)用得以拓展和延伸，為集成電路的測(cè)試提供有效方法。
　　3 邊界掃描鏈路的實(shí)現(xiàn)
　　3.1 掃描器件的設(shè)置
　　電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要進(jìn)行測(cè)試性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要有基于貪婪策略的次優(yōu)算法和基于色數(shù)理論的優(yōu)化算法，對(duì)電路板上的器件及引腳進(jìn)行優(yōu)化，目的就是設(shè)置最少的測(cè)試點(diǎn)獲得最大測(cè)試覆蓋面。根據(jù)文獻(xiàn)中的算法，對(duì)故障信息處理計(jì)算機(jī)電路的分析設(shè)置的測(cè)試點(diǎn)主要包括數(shù)據(jù)和地址總線、片選信號(hào)、DSP的讀寫信號(hào)等進(jìn)行設(shè)置邊界掃描點(diǎn)。
　　設(shè)計(jì)掃描電路時(shí)主要有掃描器件直接替換和掃描結(jié)構(gòu)置入兩個(gè)途徑。如果電路中的器件存在同功能的邊界掃描器件，則采用器件直接替換；對(duì)不存在同功能的邊界掃描器件的元器件則采用掃描結(jié)構(gòu)置入法來實(shí)現(xiàn)掃描測(cè)試。故障信息處理計(jì)算機(jī)電路中的FPGA、CPLD就直接支持邊界掃描功能；開關(guān)量模塊中的緩存器都存在同功能的掃描器件。其他測(cè)試點(diǎn)采用掃描結(jié)構(gòu)置入法實(shí)現(xiàn)邊界掃描。首先進(jìn)行簡(jiǎn)單的緩沖器、收發(fā)器、驅(qū)動(dòng)器掃描器件的測(cè)試，最后進(jìn)行FPGA、CPLD的掃描。

　　3.2 邊界掃描控制
　　整個(gè)系統(tǒng)的邊界掃描控制程序存儲(chǔ)在故障信息處理計(jì)算機(jī)中的，由計(jì)算機(jī)來協(xié)調(diào)實(shí)施整個(gè)測(cè)試過程，邊界掃描控制器接口可以在FPGA中實(shí)現(xiàn)，并負(fù)責(zé)向其他的電路板發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)，完成分系統(tǒng)的邊界掃描測(cè)試。選用Alter公司的Cyclone系列FPGA芯片，型號(hào)是EP1C12F256C6。邊界掃描測(cè)試結(jié)果經(jīng)過邊界掃描控制器傳回DSP進(jìn)行處理。FPGA中應(yīng)用的是NIOSⅡ處理器單元，程序并用VHDL語(yǔ)言編寫。
　　4 結(jié)束語(yǔ)
　　邊界掃描技術(shù)提供了從元器件到板級(jí)直至系統(tǒng)級(jí)的完整測(cè)試保障方案，已經(jīng)成為可測(cè)性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。隨著邊界掃描技術(shù)的發(fā)展和支持邊界掃描的芯片增加，在整個(gè)板級(jí)利用邊界掃描技術(shù)進(jìn)行可測(cè)性設(shè)計(jì)成為一種必然趨勢(shì)。JTAG不僅能測(cè)試集成電路芯片的輸入／輸出管腳的狀態(tài)，而且能夠測(cè)試芯片內(nèi)部工作情況以及直至引線極的斷路和短路故障。對(duì)芯片管腳的測(cè)試可以提供100％的故障覆蓋率，且能實(shí)現(xiàn)高精度的故障定位。因此將邊界掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍用電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和研制當(dāng)中，對(duì)降低軍事裝備系統(tǒng)的測(cè)試成本以及提高部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力都具有重要的意義。本文結(jié)合一個(gè)具體的故障信息處理系統(tǒng)，給出了邊界掃描技術(shù)在該系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用，經(jīng)過仿真驗(yàn)證、硬件測(cè)試，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能及指標(biāo)要求。因此，故障信息處理與邊界掃描技術(shù)結(jié)合，能夠快速完成多種電路的測(cè)試與診斷，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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