基于JTAG的星型扫描接口的设计及其仿真

边界扫描测试技术飞速发展，测试与调试功能不断增强，硬件IP模块向集成多个内核方向发展，以往芯片中传统的测试访问端口(TAP)中嵌入单一的测试访问端口控制器(TAPC)逐渐被系统芯片中嵌入多个TAPC所取代。为使单芯片中集成多TAPC的操作规范标准化，2009年提出的新的测试标准IEEE 1149.7。为解决系统集成复杂度越来越高所带来的测试调试任务困难，标准规范了一种支持星型扫描功能的IEEE 1149.7测试访问端口(在本文中称为TAP.7接口)，其接口在原有的IEEE1149.1端口(JTAG)器件的基础上提供新的功能与特征[1]。目前，大量的集成系统和芯片接口都为IEEE 1149.1标准规范测试访问端口(TAP.1接口)，既满足复杂系统测试的需要，又避免了重复开发所带来的浪费，最大化地重复利用目前已有的IEEE 1149.1 IP，基于原有JTAG器件的星型扫描技术的研究非常有应用价值和市场需求，本文针对支持星型扫描功能的接口进行研究、设计及验证。

1 IEEE 1149.7标准简介

IEEE 1149.7标准以IEEE 1149.1-2001边界扫描标准为基础，保持与之兼容的同时还增加新特性以支持测试与调试的扩展功能。标准规范了新特性的IEEE 1149.7测试访问端口(在本文中称为TAP.7接口)结构和控制时序逻辑，与IEEE 1149.1标准规范测试访问端口(TAP.1接口)所不同的是芯片中可嵌入多个测试存取端口控制器(TAPC)，并给它们划分等级。标准中规范的TAPC等级由高到低包括：ADTAPC、CLTAPC和EMTAPC，它们在接口中成串型连接，且高等级的TAPC控制和管理低等级的TAPC。在功能特性方面：TAP.7接口定义了T0~T5 6个功能层次，每一层向上体现升级特性，向下体现兼容特性。T0层在启动时提供与TAP.1接口所规定的操作行为;T1层主要增加了电源控制功能;T2层增加了芯片级旁路功能，同时提供一种“热连接保护”作用;T3层增加了支持4-线星型拓扑扫描的机制;T4层提供了支持2-引脚连接方式的功能特性; T5层增加数据传输功能以及支持边界扫描以外的其他功能。

2 基于JTAG的TAP.7接口的升级特性

IEEE 1149.7测试标准定义了一种以IEEE 1149.1测试标准为基础的调试及测试系统(DTS)与目标系统(TS)之间的连接。此连接表现为：在IEEE 1149.1标准规范测试访问端口[2](在本文中简称TAP.1接口)上添加一个由IEEE 1149.7标准规范的标准控制逻辑来实现新的功能特性(在本文中称添加层为TAP.7控制器)。TAP.7控制器主要为IEEE 1149.7标准规范的测试调试信号与IEEE 1149.1标准规范IP的TAP.1接口提供兼容的测试调试接口(本文中简称TAP.7接口)，这样可在原有TAP.1接口上对调试与测试新功能升级，其TAP.7接口升级特性的测试连接框图如图1所示。

如图1所示，TAP.7接口升级层中TAP控制器为ADTAPC(在本文中简称为TAPC)，主要完成对TAP.7信号的控制操作，从而实现新的升级功能特性，并将TAP.7信号的测试与调试逻辑解码为符合TAP.1接口的时序信号，从而完成对IEEE 1149.1器件TAPC的控制。IEEE 1149.1 IP也可认为是具有符合IEEE 1149.1测试标准的测试JTAG口的器件[3] (在本文中以后简称为STL)，其中包含的TAP控制器(在本文中统称为芯片级TAPC即CLTAPC)是完全符合IEEE 1149.1测试标准规范的TAP接口，主要完成器件的测试与调试逻辑的控制，从而完成相应的测试与调试任务。

3 星型扫描技术接口的原理及设计

完整的TAP.7接口升级层包括RSU、APU、EPU。RSU(复位选择单元)提供复位操作和TAP.7控制器选择取消操作。EPU(扩展协议单元)主要为T1-T3层 TAP.7接口提供了一个IEEE 1149.1 接口。APU为T4-T5层提供窄式(2-引脚)或宽式(4-引脚)TAP.7接口，为高级协议操作提供硬件支撑。根据实际功能的设计需求，TAP.7控制器可以由RSU、EPU和APU 中的任意组合构成，为TAP.7信号与STL的TAP.1接口之间提供了一座桥梁，且RSU、APU和EPU层并不影响STL扫描路径的长度。

3.1 星型扫描功能接口硬件设计

4-线星型扫描拓扑功能是TAP.7接口T0~T3层所定义的，组成星型拓扑的技术分支是广义的，可包括：TAP.7接口串型拓扑的技术分支、4线星型拓扑的技术分支、TAP.1接口的串型技术分支和其他的技术分支。本文主要是对前两种技术分支共享DTS连接的扫描功能进行研究。根据TAP.7功能扩展性和硬件层次性，星型扫描功能的TAP.7接口硬件层主要包括：RUS和EPU单元。其硬件设计原理框图如图2所示。

图2中，RSU单元层主要实现TAP.7控制器的在线或离线状态的控制操作，可以将不必要进行测试调试的控制器置于离线状态，大大优化了测试调试操作。在星型扫描拓扑或多种扫描拓扑技术分支共享DTS操作时， RSU单元提供了选择不同技术分支和控制器的功能。EPU单元的功能是将TAP.7信号解码成符合IEEE 1149.1标准规范的TAP.1信号，实现对CLTAPC的控制和完成STL的调试测试任务。

3.2 星型扫描技术接口设计原理

星型扫描的应用，可以优化扫描链的长度，它是并行的连接方式，因此在TAP可以灵活地添加或移出测试系统(比如：插卡式构架)中，星型扫描拓扑是很有效的。支持星型扫描的TAP.7接口具备以下功能：(1)支持星型扫描拓扑中的寻址能力。(2)JTAG接口中的TDO数据的驱动冲突保护。(3)在多技术分支共享DTS的操作中，提供选择不同技术分支的操作。下面对这些功能的原理进行详细介绍。

3.2.1 TAPC停泊状态

TAPC等级制度中存在一个称为“parking”(停泊)的TAPC 状态，当某一等级TAPC的状态处于停泊时，其高等级TAPC可操作，而该等级以及低等级TAPC不能操作，它的状态不随高等级TAPC的操作同步改变。某一等级TAPC控制的扫描链不作用时，TAPC的状态就可以停泊。选择与取消用来描述在任何等级中TAPC的扫描与停泊状态。支持星型扫描功能的TAP.7接口有TAP.7控制器的ADTAPC和STL的CLTAPC两个TAPC等级，其ADTAPC可以在任何状态下停泊，CLTAPC 状态可停泊的状态包括Test-Logic-Reset、Run-Test/Idle和Pause-XR状态。本文中取消与选择的设计，用门限时钟信号来达到对ADTAPC与CLTAC的选择与取消操作。