JTAG电路的工作原理

JTAG电路工作原理1.JTAG电路简介JTAG的全名是联合测试行动小组。目前，JTAG已经成为国际标准测试协议，主要用于各种芯片的内部测试。目前，最先进的设备(包括FPGA、单片机、DSP、CPU等。)支持JTAG协议，如现场可编程门阵列、数字信号处理器等。标准JTAG接口为四线接口：TMS、TCK、TDI和TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出信号线。JTAG电路的功能模块如图5-4所示。图5-4 JTAG电路内部结构示意图JTAG最初被用来测试芯片。基本原理是在设备内部定义一个TAP(测试访问端口)端口，并通过一个特殊的JTAG测试工具测试内部节点。此外，JTAG协议允许多个设备通过JTAG接口串联，形成JTAG链，可以分别测试每个设备。此外，JTAG接口还通常用于实现系统内可编程在线编程，以对闪存等设备进行编程。JTAG在线编程的特点也改变了传统的生产工艺，简化了在JTAG编程之前将芯片安装到电路板上以将器件固定在电路板上的预编程过程，从而大大加快了项目进度。2.JTAG边界扫描电路边界扫描测试通常使用4线接口(在5线接口中，有一个主复位信号)。BST的功能也可以通过PC机的RS-232接口来模拟。BST标准接口用于测试电路板，并在设备正常运行期间捕获功能数据。该装置的边界扫描单元可强制逻辑跟踪引脚信号或从装置的核心逻辑信号中捕获数据，然后将强制添加的测试数据串行移入边界扫描单元，将捕获的数据串行移出并与装置外的不同预期结果进行比较，并根据比较结果给出扫描状态，以提示用户电路设计是否正确。典型的边界扫描测试电路的结构如图5-5所示。图5-5 JTAG链扫描结构示意图边界扫描测试为符合IEEE规范的设备之间的引脚连接提供了串行扫描路径。IEEE1149.1标准中规定的BST结构是：当器件在JTAG BST模式下工作时，4个专用输入/输出引脚和一个可选引脚TRST用作JTAG引脚。四个专用输入/输出引脚分别是时分复用、TDO、时分复用和时分复用。表5-2列出了所有JTAG引脚的核心功能。表5-2 JTAG引脚描述3.JTAG电路计时JTAG电路的时序如图5-6所示。所有基于JTAG的操作必须与JTAG时钟信号TCK同步。在TCK的上升沿读取或输出有效数据需要严格的建立和保持时间，因此JTAG时钟一般不会太高。图5-6 JTAG电路时序图4.4 JTAG扫描电路的工作流程。现场可编程门阵列芯片JTAG边界扫描测试由测试访问端口的控制器管理。只要电压在现场可编程门阵列上电和JTAG链路完成后是正确的，JTAG电路可以立即正常工作，清空JTAG配置寄存器等待外部响应。整个过程如图5-7所示。图5-7 JTAG边界扫描流程示意图TMS、TRST和TCK引脚管理TAP控制器的操作，TDI和TDO为数据寄存器提供串行通道。TDI还向指令寄存器提供数据，然后为数据寄存器生成控制逻辑。通过从测试时钟(TCK)和测试模式(TMS)中选择两个控制信号来确定用于选择寄存器、加载数据、检测和移除结果的控制信号。在四线接口标准中，四个信号TDI、TDO、TCK和TMS被组合成一个TAP测试接入端口，并且测试复位信号(通常在低电平有效的TRST)通常被作为可选的第五端口信号。5.2.2西林JTAG下载热线下载线的一端以JTAG模式连接到现场可编程门阵列/可编程只读存储器芯片，另一端通过通用串行总线/并行端口连接到计算机，为设计者配置现场可编程门阵列/可编程只读存储器芯片和计算机提供数据链路。本节介绍目前常用的西林下载线以及制作简单下载线的方法。1.Xilinx下载线路介绍根据下载线与PC机的不同连接方式，可分为USB下载线和并行下载线。USB下载线路速度快，稳定性高，当然价格也相对昂贵。目前，Xilinx公司提供的USB下载线价格为149美元。根据下载速度不同，并行下载线路可分为并行电缆四(PC4)和并行电缆三(PC3):PC4可适用于所有Xilinx芯片，速度比PC3快8倍，价格约为通用串行总线下载线路的1/3；PC3采用简单的EPP模式，通过传输实现，成本低，但下载速度慢，不具备配置电压自适应的功能，因此不能用于Xilinx新的现场可编程门阵列的开发，具有一定的应用局限性。不管下载线路如何，在现场可编程门阵列端有标准的4个JTAG接口、电源引脚和地(VCC、GND、TCK、TMS、TDI和TDO)，总共有6个信号端口，也称为JTAG连接器。还有一个常见的10针JTAG连接器，其中增加了一个GND信号和三个浮动信号(数控)。在实际项目中，有一条性能稳定的下载线，不仅可以避免配置错误(例如，在配置最新系列的芯片如斯巴达-3E与PC3并行下载线时经常出现错误)，还可以提高配置的成功率和时间(在实践中，一个完整正确的配置电路不能保证每个配置的成功)。下表5-3列出了Xilinx下载线路的特点和性能，供读者参考。表5-3 Xilinx下载线路性能总结2.PC3并行下载电路原理图首先，简单介绍了PC机的打印机端口。电脑上的打印接口共有25个连接(通常也称为DB25)，如图M所示，其中18-25个都是地线，所以实际上有17条线，分为三类：8条数据线，可以输出数据；5条状态线，输入；4条控制线，输出。这三组线路由打印端口的三个寄存器控制器控制，即数据端口、状态端口和控制端口。只要校准或写入这三个寄存器，就可以输入或输出数据。并行下载线主要完成PC机并行端口和FPGA芯片JTAG接口之间的数据适配。Xilinx PC3并行下载电缆的原理图是开放式的，结构简单，成本不超过10元。它可以自己制造，但在电子市场上通常要花费几十美元。下载电缆的接口电路相对简单，如图5-11所示。制造时间很短，半天。接口电路只完成电平转换，不涉及信号时序的改变。图5-11 Xilinx下载线路接口电路图其中，74HC125是飞利浦公司生产的4输入3态驱动器，用于增强信号强度。指示灯用于给出下载信息的说明。详细的部件清单见表5-12。表5-12并行下载线路组件列