边界扫描测试应用与九大指令
在现代电子应用系统中 ，印刷电路板越来越复杂多层板的设计越来越普遍，大量使用各种表贴元件和b ga （ball grid array） 封装元件，元器件的管脚数和管脚密度不断提高，使用万用表、示波器测试芯片的传统“探针”方法已不能满足要求。在这种背景下，早在 20 世纪 80 年代，联合测试行动组（joint testaction group，简称 j ta g） 起草了边界扫描测试（ boundary2scan testing ，简 写 bst） 规 范，后 来 在1990 年被批准为 ieee 标准 1149. 121990 规定，简称jtag标准。该标准规定了进行边界扫描测试所需要的硬件和软件。自从1990 年批准后，ieee 分别于1993 年和1995 年对该标准作了补充，形成了现在使用的ieee1149.1a-1993 和ieee1149.1b-1994。jtag 主要应用于：电路的边界扫描测试和可编程芯片的在线系统编程。
边界扫描测试有两大优点 ：一个是方便芯片的故障定位，迅速准确地测试两个芯片管脚的连接是否可靠，提高测试检验效率；另一个是，具有 jtag接口的芯片，内置一些预先定义好的功能模式，通过边界扫描通道来使芯片处于某个特定的功能模式，以提高系统控制的灵活性和方便系统设计。
现在，所有复杂的 ic 芯片几乎都具有jtag控制接口，jtag控制逻辑简单方便，易于实现。
边界扫描技术的应用 对于需要进行ic元件测试的设计人员来说，只要根据ta p控制器的状态机，设计特定的控制逻辑，就可以进行ic元件的边界扫描测试或利用jta g接口使ic元件处于某个特定的功能模式。
inter的pc i to pc i桥片21154，bga封装，共304个管脚，具有符合ieee 114911标准的jta g控制引脚。在设计的一个compactpc i系统中，需要利用jta g控制使其进入一种高阻模式（h ighz模式，这是ieee 114911推荐的任选模式之一）。在这种模式下。芯片的所有输出管脚都处于无效态即高阻态。要使21154进入h ighz，必须将位码00101写入指令寄存器，这时，边界测试数据寄存器选择的是旁通寄存器。
21154 的 jta g 控制步骤 21154正常工作时，tm s持续为高电平或trst=0。
控制21154进入jta g h ighz状态需要经过以下6个步骤：
（1）trst=1。
（2）进入sh ift ir状态：在连续5个tck（上升沿），使tm 3=01100，则进入sh ift_ir状态。
（3）将指令码写入指令寄存器：在sh ift_ir状态，通过td i将00101写入指令寄存器，需要5个时钟周期。
（4）进入ex it l ir状态：在sh ift_ir状态的第5个tck的上升沿（最后一个指令码），使tm s=1，则进入ex it l ir状态。
（5）进入u pdate ir状态：进入ex it l ir状态后，再使tm s=1，则进入u pdate ir状态。
（6）进入run testöidle状态：进入u pdate ir状态后，再使tm s=0，则进入run testöidle状态，此时，21154进入h ighz状态。
21154的jta g控制v erilog hdl代码 说明：beginjta g_1是控制21154进入h ighz的触发信号。低电平有效。
a lw ays
@ （beginjta g_ 1， clk）
begin
t rst 《 = ′0′
jtag_ stste《 = s0;
case （jtag_ stste）
s0：
if （beginjta g_ 1= ′0′）
begin
t rst《 = ′1′;
tm s《 = ′0′;
jtag_ stste《 = s1;
end
else begin
jtag_ stste《 = s0;
end
s1：
tm s《 = ′0′;
t id《 = ′0′;
jtag_ stste《 = s2;
s2：
tm s《 = ′1′;
t id《 = ′0′;
jtag_ stste《 = s3;
s3：
tm s《 = ′1′;
t id《 = ′0′;
jtag_ stste《 = s4;
s4：
tm s《 = ′0′;
t id《 = ′0′;
jtag_ stste《 = s5;
s5：
tm s《 = ′0′;
t id《 = ′0′;
jtag_ stste《 = s6;
s6：
tm s《 = ′0′;
t id《 = ′0′;
jtag_ stste《 = s7;
s7：
tm s《 = ′0′;
t id《 = ′0′;
jtag_ stste《 = s8;
s8：
tm s《 = ′0′;
t id《 = ′1′;
jtag_ stste《 = s9;
s9：
tm s《 = ′0′;
t id《 = ′0′;
jtag_ stste《 = s10;
s10：
tm s《 = ′1′;
t id《 = ′1′;
jtag_ stste《 = s11;
s11：
tm s《 = ′0′;
t id《 = ′0′;
jtag_ stste《 = s12;
s12：
tm s《 = ′0′;
t id《 = ′0′;
o thers：
end case
end
上述代码，经过编译、仿真，得到图7所示jta g控制时序波形。在设计的系统中，将上述v erilog hdl代码经过编译后生成目标文件，写入a ltera公司的可编程逻辑芯片epm 7128slc84_7（在此芯片内还有其他逻辑），当beginjta g_1=0时，实现了控制21154进入jta g高阻状态。
边界扫描九大指令
extest指令--强制指令 用于芯片外部测试，如互连测试
测试模式下的输出管脚，由bsc update锁存驱动（bsc注释：寄存器的每一个单元分配给ic芯片的相应引脚，每一个独立的单元称为bsc（boundary-scan cell）边界扫描单元。）
bsc scan锁存捕获的输入数据
移位操作，可以从tdi输入测试激励，并从tdo观察测试响应。
在移位操作后，新的测试激励存储到bsc的update锁存
原先extest指令时强制为全“0”的，在ieee 1149.1--2001中，这条强制取消了。选择extest指令时，ic工作在边界扫描外部测试模式（external boundary-test mode），也就是说对ic的操作影响芯片的正常工作。选择边界扫描寄存器连通tdi和tdo。在这种指令下，可以通过边界扫描输出单元来驱动测试信号至其他边界扫描芯片，以及通过边界扫描输入单元来从其他边界扫描芯片接收测试信号。extest指令是ieee 1149.1标准的核心所在，在边界扫描测试中的互连测试（interconnect test）就是基于这个指令的。
（该指令初始化外部电路测试，主要用于板级互连以及片外电路测试。extest指令在shift-dr状态时将扫描寄存器bsr寄存器连接到tdi与tdo之间。在capture-dr状态时，extest指令将输入管脚的状态在tck的上升沿装入bsr中。extest指令从不使用移入bsr中的输入锁存器中的数据，而是直接从管脚上捕获数据。在update-dr状态时，extest指令将锁存在并行输出寄存器单元中的数据在tck的下降沿驱动到对应的输出管脚上去。）
sample/preload指令--强制指令 在进入测试模式前对bsc进行预装载
输入输出管脚可正常操作
输入管脚数据和内核输出数据装载到bsc的scan锁存中。
移位操作，可以从tdi输入测试激励，并从tdo观察测试响应。
在移位操作后，新的测试激励存储到bsc的update锁存。
原先这两个指令是合在一起的，在ieee 1149.1--2001中这两个指令分开了，分成一个sample指令，一个preload指令。选择sample/preload指令时，ic工作在正常工作模式，也就是说对ic的操作不影响ic的正常工作。选择边界扫描寄存器连通tdi和tdo。 sample指令---通过数据扫描操作（data scan）来访问边界扫描寄存器，以及对进入和离开ic的数据进行采样。preload指令---在进入extest指令之前对边界扫描寄存器进行数据加载。
（在capture-dr状态下，sample/preload指令提供一个从管脚到片上系统逻辑的数据流快照，快照在tck上升沿提取。在update-dr状态时，sample/preload指令将bsr寄存器单元中的数据锁存到并行输出寄存器单元中，然后由extest指令将锁存在并行输出寄存器单元中的数据在tck的下降沿驱动到对应的输出管脚上去。）
bypass指令--强制指令 提供穿透芯片的最短通路。
输入输出管脚可正常操作
选择一位的旁路（bypass）寄存器
强制全为1和未定义的指令为bypass指令 bypass指令为全“1”。选择bypass指令时，ic工作在正常工作模式，选择一位的bypass寄存器连通tdi和tdo，数据的通过不影响ic的正常工作。
（bypass指令通过在tdi和tdo之间放置一个1位的旁通寄存器，这样移位操作时只经过1位的旁通寄存器而不是很多位（与管脚数量相当）的边界扫描寄存器bsr，从而使得对连接在同一jtag链上主cpu之外的其他芯片进行测试时提高效率。）
intest指令 ---可选指令 选择intest指令时，ic工作在边界扫描内部测试模式（internal boundary-test mode），选择边界扫描寄存器连通tdi和tdo。在这种指令下，可以通过边界扫描输出单元来驱动测试信号至其内部逻辑，以及通过边界扫描输入单元来从 其内部逻辑接受测试信号。
runbist指令 ---可选指令 选择runbist指令时，ic工作在自测试模式（self-test mode），对ic的内部逻辑进行全面的自测试，通过选择用户自定义的数据寄存器连通tdi和tdo。在这种指令下，边界扫描单元的输出被内部逻辑控制了，所以外部信号不能干扰其相邻ic。
idcode指令 ---可选指令 选择idcode指令时，ic工作在正常工作模式，选择数据识别寄存器（data identification register）连通tdi和tdo。数据识别寄存器是一个32位的寄存器，内容包括ic的生产厂商，芯片类型，版本等。访问数据识别寄存器不会影响 ic的正常工作。由于idcode指令是可选的，不是每个芯片都有的，所以当对一个边界扫描链（scan chain）执行idcode指令来输出所有idcode时，有idcode指令的芯片就选择idcode寄存器，输出输出idcode，没有 idcode指令的芯片会自动选择bypass寄存器，输出一个“0”。
（读取cpu id号指令。在设计中存在device identification register时，tap强制定义。该指令将处理器的id号寄存器连接到tdi和tdo之间。）
usercode指令 ---可选指令 选择usercode指令时，ic工作在正常工作模式，选择用户自定义数据寄存器（user defined test data register）连通tdi和tdo。usercode指令一般是在进行芯片内部测试时用的。
clamp指令 ---可选指令 clamp指令使ic的输出置于由边界扫描寄存器的当前内容决定的逻辑电平上，选择bypass寄存器连通 tdi和tdo。在加载这个指令之前，边界扫描寄存器的内容可以由sample/preload指令来预置。在clamp指令下，数据通过bypass寄 存器从tdi传递至tdo，不会影响此ic的输出。
highz指令 ---可选指令 highz指令使ic的所有输出置于高阻状态，选择bypass寄存器连通tdi和tdo。在highz指令下，数据通过bypass寄存器从tdi传递至tdo，不会影响此ic的输出。
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21154 的 jta g 控制步骤 21154正常工作时，tm s持续为高电平或trst=0。
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（1）trst=1。
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21154的jta g控制v erilog hdl代码 说明：beginjta g_1是控制21154进入h ighz的触发信号。低电平有效。
a lw ays
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begin
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bsc scan锁存捕获的输入数据
移位操作，可以从tdi输入测试激励，并从tdo观察测试响应。
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sample/preload指令--强制指令 在进入测试模式前对bsc进行预装载
输入输出管脚可正常操作
输入管脚数据和内核输出数据装载到bsc的scan锁存中。
移位操作，可以从tdi输入测试激励，并从tdo观察测试响应。
在移位操作后，新的测试激励存储到bsc的update锁存。
原先这两个指令是合在一起的，在ieee 1149.1--2001中这两个指令分开了，分成一个sample指令，一个preload指令。选择sample/preload指令时，ic工作在正常工作模式，也就是说对ic的操作不影响ic的正常工作。选择边界扫描寄存器连通tdi和tdo。 sample指令---通过数据扫描操作（data scan）来访问边界扫描寄存器，以及对进入和离开ic的数据进行采样。preload指令---在进入extest指令之前对边界扫描寄存器进行数据加载。
（在capture-dr状态下，sample/preload指令提供一个从管脚到片上系统逻辑的数据流快照，快照在tck上升沿提取。在update-dr状态时，sample/preload指令将bsr寄存器单元中的数据锁存到并行输出寄存器单元中，然后由extest指令将锁存在并行输出寄存器单元中的数据在tck的下降沿驱动到对应的输出管脚上去。）
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选择一位的旁路（bypass）寄存器
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（bypass指令通过在tdi和tdo之间放置一个1位的旁通寄存器，这样移位操作时只经过1位的旁通寄存器而不是很多位（与管脚数量相当）的边界扫描寄存器bsr，从而使得对连接在同一jtag链上主cpu之外的其他芯片进行测试时提高效率。）
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runbist指令 ---可选指令 选择runbist指令时，ic工作在自测试模式（self-test mode），对ic的内部逻辑进行全面的自测试，通过选择用户自定义的数据寄存器连通tdi和tdo。在这种指令下，边界扫描单元的输出被内部逻辑控制了，所以外部信号不能干扰其相邻ic。
idcode指令 ---可选指令 选择idcode指令时，ic工作在正常工作模式，选择数据识别寄存器（data identification register）连通tdi和tdo。数据识别寄存器是一个32位的寄存器，内容包括ic的生产厂商，芯片类型，版本等。访问数据识别寄存器不会影响 ic的正常工作。由于idcode指令是可选的，不是每个芯片都有的，所以当对一个边界扫描链（scan chain）执行idcode指令来输出所有idcode时，有idcode指令的芯片就选择idcode寄存器，输出输出idcode，没有 idcode指令的芯片会自动选择bypass寄存器，输出一个“0”。
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clamp指令 ---可选指令 clamp指令使ic的输出置于由边界扫描寄存器的当前内容决定的逻辑电平上，选择bypass寄存器连通 tdi和tdo。在加载这个指令之前，边界扫描寄存器的内容可以由sample/preload指令来预置。在clamp指令下，数据通过bypass寄 存器从tdi传递至tdo，不会影响此ic的输出。
highz指令 ---可选指令 highz指令使ic的所有输出置于高阻状态，选择bypass寄存器连通tdi和tdo。在highz指令下，数据通过bypass寄存器从tdi传递至tdo，不会影响此ic的输出。
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