【设计方案】构建系统级JTAG调试电路

构建系统级JTAG链调试电路第一部分：JTAG技术介绍JTAG技术俗称边界扫描技术，是近代发展起来的高级测试技术。JTAG主要有以下几个方面应用：1).互连测试。判断互连线路是否存在开路、短路或固定逻辑故障。2).可编程器件的程序加载。如FLASH、CPLD、FPGA等器件的加载。3).可编程器件的在线调试。如FPGA，DSP等器件在线debug。4).电路采样。器件正常工作时，对管脚状态进行采样观察。JTAG测试一般使用标准的TAP(TestAccessPort)连接器,如下图所示。A).1号脚为TCK。JTAG测试参考时钟，由JTAG主控制器提供给被测试器件，该信号需要下拉处理，下拉电阻不能小于330ohm，一般选择1Kohm。之所以TCK要下拉处理，是因为JTAG测试规范规定：在TCK为低电平时，被测试器件的TAP状态机不得发生变化。所以，默认状态下，TCK必须为低电平，使TAP状态机保持稳定。最小驱动电流为2mA。B).2号脚为GND。使用时直接连单板的GND即可。C).3号脚为TDO。JTAG测试数据输出管脚，JTAG主控制器从此管脚输出测试数据给被测试器件，JTAG主控制器的TDO接被测试器件的TDI。TDO在TCK的下降沿输出。JTAG测试规范没有规定如何处理TDO管脚，一般情况下悬空即可，也可以通过4.7Kohm电阻上拉到VCC，已增加驱动TDO的驱动能力。D).4号脚为VCC。连接电源，一般为3.3V/2.5V/1.8V等，具体看芯片说明。在这里特别说明下，在实际使用中，很容易将2号脚的GND与此VCC接反，导致JTAG不可用，所以，大家在设计审查时一定要特别关注这个地方。以免因低级错误导致设计改板。E).5号脚为TMS。TMS是TestModeSelect的缩写，作用是进行测试模式选择，由JTAG主控制器输出给被测试器件。被测试器件在TCK的上升沿才TMS信号进行采样，根据采样结果来判断是正常模式还是JTAG测试模式(TMS=“0”为正常模式，TMS=“1”为JTAG模式)。该管脚需要上拉处理，上拉电阻不小于470ohm，一般选取4.7Kohm。之所以要上拉处理，是因为JTAG测试规范规定：当TMS为高电平状态持续5个TCK时钟周期时，TAP状态机必须回归到复位状态上，不管当前处于何种状态。为了让TAP在非测试时间里保持在复位的待命状态，所以将TMS上拉，使其默认状态为高电平。最小驱动电流为1mA。TMS的频率一般在10MHz以下。F).6号脚为NC。NotConnect的意思，该管脚为定义，使用时悬空即可。G).7号脚为/TRST。TAP状态机复位信号。由JTAG主控制器输出到被测试器件。该信号需要下拉处理，下拉电阻不小于330ohm，一般选取1kohm。为了保证器件的正常功能，上电时需要使TAP状态机复位，这样就不会因为TAP状态机的状态不定而影响芯片的正常功能。通过电阻下拉到GND后，所有被测试芯片的TAP状态机一直处于复位状态。/TRST为可选信号(因为TMS上拉已经可以保证TAP状态机处于复位状态)，一般CPLD/FPGA等逻辑器件的JTAG接口没有提供此信号。H).8号脚为/DW。DirectWrite的意思，由JTAG主控制器输出到被测试器件。该信号一般在对JTAG写入速度要求很高的情况下使用，该信号有效时，JTAG写入时可以跳过很多中间状态，直接写入数据。该信号一般很少使用。I).9号脚为TDI。TestDataInput，JTAG主控制器的TDI接被测试器件的TDO。JTAG主控制器会在TCK的上升沿对TDI信号进行采样。该信号需要上拉处理，上拉电阻要求不小于1Kohm，一般选取4.7Kohm。之所以要上拉处理，是因为JTAG测试规范中规定：当从TDI接收到的数据为全“1”指令时，TAP状态机会跳转到bypass状态。为了在出错时让TAP处于旁路状态，所以将TDI上拉，使其默认状态为高电平。J).10号脚为GND。使用时接单板地即可。JTAG测试时，TCK、TMS、TDI和TDO四个信号为必须，只要有这四个信号，即可完成JTAG测试工作，/TRST为可选信号。分析上图可知，与测试有关的信号全部在奇数脚(1、3、5、7、9)，偶数脚(2、4、6、8、10)均为VCC、GND、NC、/DW等辅助或无用引脚。目前，一些规模较大的IC器件基本上都提供JTAG接口，所以，一块单板上会有很多JTAG测试口，如何将这些测试口连接起来呢？目前有三种连接方式：串行方式、并行方式和独立方式。纵观当前主流JTAG设计，以串行方式的菊花链结构最为流行。菊花链结构示意图如下所示。第二部分：需要解决的问题我们的8250项目中要用到很多的数字板，每板上有几个FPGA，我们需要实现通过底板一个JTAG接口对所有FPGA统一编程管理和调试管理，这样就会加快整机调试速度，尤其方便整机组装后的FPGA程序更新和chipscope调试。预期实现图如下：第三部分：可以实现的方案3-1：桥接芯片实现法对于一个简单的单板，一条JTAG链就可以满足测试要求，但是，对于ATCA架构的系统来说，就需要系统级的JTAG架构来将系统上的所有单板连接起来进行系统管理，这就需要用JTAG控制器和JTAG桥片来连接。如下图所示。目前，有很多IC厂商都有JTAG主控制器和桥片产品，如NationalSemiconductor的SCANSTA101、SCANSTA111（每片价格30-50）、SCANSTA112（每片价格100-150），TI的SN74LVT8986（每片价格50-60）、SN54ABT8996，MAXIM的DS26900等。根据询价情况，预计实现成本在800-1200。优点：有成功案例参考缺点：成本高，电路复杂。3-2：总线并联法底板JTAG总线LVT245LVT245LVT245Board1JTAGBoard2JTAGBoard32JTAG对外JTAG接口总线并联法的原理主要是将各PCB板内各个FPGA用串行菊花链方式，各板之间通过245分别连接到底板的JTAG总线上。优点：成本低（160左右），电路简单。缺点：无案例参考，JTAG信号经过245控制后是否能正确传到不同的板？供电与共地问题的解决？以上疑问需要做个验证试验。验证试验结果：JTAG口信号TMS，TCK，TDI，TDO可以准确无误地通过245芯片，供电与地问题得到解决。下载程序成功，chipscope调试成功。验证试验成功。结论：该方案可行。