Новый JTAG-стандарт IEEE 1149.7

Работа над этим новым стандартом велась
длительное время группой экспертов
и рядом ведущих электронных
компаний, и с его появлением связывались
значительные ожидания специалистов как
в области разработки и производства интегральных
микросхем (ИС), так и в области
разработки и производства печатных плат.
Мы в дальнейшем подробно обсудим этот
новый стандарт во всех деталях, предлагаемая
же колонка является кратким обзором
побудительных мотивов разработки стандарта
и его основных параметров.

Следует сразу предупредить энтузиастов
революционных перемен: традиционный
стандарт граничного сканирования
JTAG, или 1149.1 [ПЭ. 2007. № 5], успешно
применяемый в тестировании более двадцати
лет, жив, эффективен и останется
одной из ведущих технологий тестирования
в сколько-нибудь обозримом будущем.
Новый стандарт 1149.7 с довольно длинным
названием «Архитектура граничного сканирования
и порт тестового доступа с усовершенствованными
функциями и сокращенным
числом контактов» вовсе не призван
заменить «старый JTAG», а напротив,
базируется на нем, представляет собой его
расширение, полностью с ним совместим,
и его задачи вполне эволюционны — улучшить
характеристики 1149.1 и расширить
области его применения. Основные отличия
стандарта 1149.7, называемого также сJTAG
(сompact JTAG), следующие:

• Уменьшение до двух числа обязательных
  контактов.
• Соединение «звездой» вместо «цепочки».
• Прямая адресация микросхем.
• Обход микросхем на уровне чипа.
• Дополнительные возможности управления
  напряжениями питания.

К главным преимуществам нового стандарта
относятся:

• Упрощение связей между микросхемами,
  обеспечивающих их тестопригодность.

• Усовершенствование тестовой поддержки
  многоядерных микросхем.
• Улучшение возможностей отладки тестов.

Стандарт 1149.7 охватывает две группы характеристик,
каждая изкоторых подразделяется
на классы. Первая группа характеристик представляет
собой расширение стандарта 1149.1,
то есть определяет ряд усовершенствованных
методов тестирования, реализация которых
в рамках традиционного стандарта JTAG даже
не предполагалась. Вторая группа характеристик
определяет двухконтактный протокол
функционирования таких усовершенствованных
JTAG-структур. Стандарт 1149.7 подразделяется
на шесть операционных классов,
каждый из которых строится на базе функций,
задаваемых предыдущим классом. Первые четыре
класса, от Т0 до Т3, относятся к первой
группе характеристик, а два класса, Т4 и Т5 —
ко второй группе.

Класс Т0 определяет совместимость ИС, поддерживающих
стандарт 1149.1 (ИС.1), и ИС,
поддерживающих стандарт 1149.7 (ИС.7),
в рамках одной и той же схемы. Правила совмещения
класса Т0 предполагают использование
n-разрядного РК и одноразрядного РО
для выполнения команды обхода BYPASS,
32-разрядный РИ необходим [ПЭ. 2007. № 6],
а обязательные команды те же, что и в стандарте
1149.1. При задании общего сброса TLR
все одновременно управляемые ИС.7 реализуют
одноразрядное DR-сканирование, выполняя
обычную команду BYPASS.

Характеристики класса Т1 определяют так называемые уровни управления ИС.7,
которых вовсе не существует для ИС.1. Эти
уровни управления являются основой построения
всех функций, определяемых классами
Т1–Т5, и базируются они на той же диаграмме
состояний контроллера ТАР, хорошо
нам знакомой по традиционному стандарту
1149.1 [ПЭ. 2007. № 5].

Введение уровней управления ИС.7 (будем
их обозначать далее как УУ ИС.7) является ключевым новшеством стандарта 1149.7, которое
заключается в использовании последовательностей
состояний диаграммы ТАР
в сочетании с подсчетом количества обходов
состояния Shift-DR, или, если угодно, числа
невхождений в это состояние диаграммы
ТАР. УУ ИС.7 используют команды
BYPASS или IDCODE совместно с сериями
1149.1-совместимых последовательностей,
которые мы будем называть нулевым
DR-сканированием (zero-bit DR scans), или
ZBS. Такое ZBS-сканирование заключается
(внимание, это важно!) в смене состояний
диаграммы ТАР в обход состояния Shift-DR,
то есть переход от состояния Select-DR-Scan
к Capture-DR и далее к Exit1-DR, а оттуда —
к Update-DR. Оба этих последних перехода
выполняются при удержании ТМS = 1.

Применение УУ ИС.7 предполагает наличие
некоего ZBS-счетчика числа выполненных
ZBS-сканирований, всегда начинающихся
в состоянии TLR диаграммы порта ТАР, поскольку
именно в этом состоянии происходит
инициализация регистров команд (РК) обеими
командами — BYPASS и IDCODE. Начиная
с ZBS = 0, этот счетчик инкрементируется при
каждом следующем ZBS-сканировании. Если
происходит DR-сканирование, включающее
в себя прохождение состояния Shift-DR, но содержимое
счетчика не равно нулю, его инкрементирование
блокируется, и никакие последующие
ZBS-сканирования счетчик не включают.
Блокирование ZBS-счетчика означает,
таким образом, запоминание числа последовательно
выполненных ZBS-сканирований, иными словами — запоминание одного
из уровней управления ИС.7, принимающих
значения от 1 до 7.

Таблица. Уровни управления IEEE 1149.7

Сброс ZBS-счетчика происходит при наступлении
одного из следующих событий: прохождение
состояний Select-IR-Scan или Test-
Logic-Reset диаграммы ТАР, а также выдача
определенных команд, связанных с синхронизацией
операций, определяемых классами
Т4 и Т5. Учет содержимого ZBS-счетчика, или
УУ ИС.7, не только меняет функцию команд
BYPASS и IDCODE, как указано в столбце
«Функция перегрузки» таблицы УУ, но и влияет
на изменение пути DR-сканирования.

Например, на уровне управления 2 активизируются
так называемые команды
управления, подразумевающие выполнение
двух последовательных DR-сканирований
и представляющие собой 10-разрядные слова,
старшие 5 разрядов которых (СР1) — это
код операции, а младшие (СР2) — собственно
операнд. Само содержимое этих слов
формируется динамически путем подсчета
(с округлением до 5 разрядов) числа проходов
через состояние Shift-DR диаграммы ТАР
между состояниями Capture-DR и Update-DR
при DR-сканировании. Иерархия управления
структурой 1149.7 с учетом содержимого
ZBS-счетчика как раз и образует ту основу,
на которой базируется двухконтактный
протокол, определяемый классами Т4 и Т5.
Поскольку команды управления представляют
собой некоторую функцию последовательности
переходов между состояниями
диаграммы ТАР, для управления протоколом
требуется лишь два контакта — TCK и TMS.

Кроме определения уровней управления,
класс Т1 определяет следующие 4 режима
выключения питания ИС.7, что может быть
критично при тестировании самих ИС и ПП,
а также при отладке тестов:

• Выключение питания, если сигнал ТСК находится
  на уровне «лог. 1» более 1 мс.
• Выключение питания, если сигнал ТСК находится
  на уровне «лог. 1» более 1 мс при
  нахождении ТАР в состоянии сброса TLR.
• Выключение питания, если ИС.7 находится
  в состоянии сброса TLR.
• Всегда включено.

Рис. 1. Соединение ИС.7 «звездой» в формате JSCAN3

Рис. 2. Передача данных по цепи TMSC

Класс Т2 определяет механизм обхода ИС.7
на уровне чипа, который предназначен для
укорачивания цепочек сканирования при
разработке тестов сложных схем. Этот же
класс обуславливает механизм так называемого
горячего включения (hot-connect) ИС.7.
Для реализации этих новых возможностей
класс Т2 определяет три формата JTAGсканирования:

• JSCAN0 — операции, совместимые с традиционным
  JTAG-стандартом 1149.1.
• JSCAN1 — обеспечивает защиту при горячем
  включении и отключении ИС.7,
  обуславливая обход всех подключенных
  ИС.7 при включении питания по умолчанию.
  Этот формат предназначен для защиты
  отдельных портов ТАР от непреднамеренных
  подключений и предотвращения
  повреждения функциональных ядер при
  горячем включении.
• JSCAN2 — обеспечивает обход ИС.7
  на уровне чипа для последовательных
  цепочек ИС. Этот механизм работает
  как некий заслон безопасности (firewall),
  разрешающий доступ к порту ИС.7 только
  после выполнения заданной последовательности
  операций, содержащих, кроме
  прочего, проверку стабильности электрических
  соединений.

Характеристики класса Т3
определяют возможность
соединения ИС.7 «звездой», что
является определенным упущением стандарта
1149.1, предполагающего соединение ИС
только «в цепочку». Соединение «звездой»
обеспечивает новый формат JSCAN3 (рис. 1),
для определения которого в классе Т3 используется
специальный регистр «Только
для записи». Стандарт 1149.7 предусматривает
также возможность адресации каждой
из ИС.7 при соединении их «звездой».

Операции сканирования в стандарте 1149.7
при соединении «звездой» функционально эквивалентны
последовательным сканированиям, при этом прохождение состояний CapturexR
и Update-хR в группе из нескольких ИС.7
синхронизировано. Смена данных сканирования
в каждом из портов ТАР группы происходит
в интервале времени между этими
состояниями, а выборка и блокирование этих
портов выполняется без захода в состояния
Capture-xR и Update-хR. Для обеспечения возможности
адресации при соединении «звездой
» каждой ИС.7 присваивается идентификатор
CID, для чего используется специальная
итеративная арбитражная схема.

Класс Т4 вводит ряд дополнительных
форматов сканирования для поддержки
протокола передачи тестовых данных при
помощи только двух контактов порта ТАР
вместо четырех. Контакты передачи данных
TDI и TDO не используются вовсе, а тестовые
данные передаются по теперь уже двунаправленной
цепи TMSC (рис. 2). Кроме того,
класс Т4 определяет ряд оптимизированных
режимов ввода тестовых данных, позволяющих
вводить только абсолютно необходимые
данные, без повторов и избыточности.

Функции класса Т5 предназначены в основном для разработчиков программного
обеспечения, использующих протокол
JTAG в целях отладки. Основное преимущество
этих функций заключается в сокращении
числа контактов, предназначенных
только для отладки, а также в использовании
контактов TMSС и ТСКС для реализации
разнообразных пользовательских протоколов.

В заключение следует отметить, что наряду
с полной совместимостью с традиционным
стандартом 1149.1 новый стандарт 1149.7
обеспечивает сокращение числа контактов
сложных ИС типа SOC, массово применяемых
последнее время в потребительской
электронике, выключение питания ИС в схемах
с пониженным потреблением, упрощает
производство и тестирование многоядерных
модулей и ИС с многоэтажными чипами,
а также существенно повышает эффективность
процедур отладки.