Хардуерно тестване: Цялостно ръководство за Boundary Scan (JTAG)

В постоянно развиващия се свят на електрониката, осигуряването на качеството и надеждността на хардуера е от първостепенно значение. С увеличаването на плътността на печатните платки и намаляването на размерите на компонентите, традиционните методи за тестване стават все по-предизвикателни и скъпи. Boundary Scan, известен също като JTAG (Joint Test Action Group), предоставя мощно и универсално решение за тестване на сложни електронни възли. Това подробно ръководство разглежда принципите, предимствата, внедряването и бъдещите тенденции на Boundary Scan тестването.

Какво е Boundary Scan (JTAG)?

Boundary Scan е стандартизиран метод за тестване на взаимовръзките между интегрални схеми (ИС) на печатна платка (PCB) без физическо сондиране. Той е дефиниран от стандарта IEEE 1149.1, който специфицира сериен комуникационен протокол и архитектура, позволяващи достъп до вътрешни възли на ИС чрез специален тестов порт. Този порт обикновено се състои от четири или пет сигнала: TDI (Test Data In), TDO (Test Data Out), TCK (Test Clock), TMS (Test Mode Select) и по избор TRST (Test Reset).

В основата си Boundary Scan включва поставяне на сканиращи клетки на входовете и изходите на ИС. Тези сканиращи клетки могат да улавят данни от функционалната логика на ИС и да ги извеждат през тестовия порт. Обратно, данни могат да се въвеждат в сканиращите клетки от тестовия порт и да се прилагат към функционалната логика. Чрез контролиране на въвежданите и извежданите данни инженерите могат да тестват свързаността между ИС, да идентифицират повреди и дори да програмират устройства.

Произход и еволюция на JTAG

Нарастващата сложност на печатните платки (PCBs) и технологията за повърхностен монтаж (SMT) през 80-те години на миналия век правят традиционното тестване тип „легло от пирони“ все по-трудно и скъпо. В резултат на това е сформирана Joint Test Action Group (JTAG) за разработване на стандартизиран и рентабилен метод за тестване на печатни платки. Резултатът е стандартът IEEE 1149.1, официално ратифициран през 1990 г.

Оттогава JTAG се е развил от технология за тестване, фокусирана предимно върху производството, до широко прието решение за различни приложения, включително:

• Производствен тест: Откриване на производствени дефекти като къси съединения, прекъсвания и неправилно поставяне на компоненти.
• Програмиране в системата (ISP): Програмиране на флаш памет и други програмируеми устройства, след като са сглобени на печатната платка.
• Първоначално пускане и отстраняване на грешки на платката: Диагностициране на хардуерни проблеми по време на фазата на проектиране и разработка.
• Конфигуриране на FPGA: Конфигуриране на FPGA без нужда от външни програматори.
• Приложения за сигурност: Сигурно програмиране и проверка на устройства, както и за извършване на одити за сигурност.

Ключови компоненти на система за Boundary Scan

Системата за Boundary Scan обикновено се състои от следните компоненти:

• Съвместими с Boundary Scan ИС: ИС, които прилагат стандарта IEEE 1149.1 и включват клетки за boundary scan.
• Порт за тестов достъп (TAP): Физическият интерфейс на ИС, използван за достъп до логиката на boundary scan (TDI, TDO, TCK, TMS, TRST).
• Контролер на порта за тестов достъп (TAP Controller): Краен автомат в рамките на ИС, който контролира работата на логиката на boundary scan.
• Регистър за Boundary Scan (BSR): Регистър с изместване, който съдържа клетките за boundary scan.
• Регистри за тестови данни (TDRs): Регистри, използвани за изместване на данни към и от ИС по време на тестване. Често срещани TDRs включват Bypass Register, Instruction Register и дефинирани от потребителя регистри.
• Език за описание на Boundary Scan (BSDL) файл: Текстов файл, който описва възможностите за boundary scan на дадена ИС, включително разположението на изводите, структурата на сканиращата верига и набора от инструкции. BSDL файловете са от съществено значение за генерирането на тестови вектори.
• Автоматизирано тестово оборудване (ATE): Система, която осигурява стимула и измерва реакцията на тестваното устройство (DUT). ATE системите обикновено включват контролери и софтуер за Boundary Scan.
• Софтуер за Boundary Scan: Софтуер, използван за генериране на тестови вектори, управление на хардуера за Boundary Scan и анализ на резултатите от теста.

Предимства на Boundary Scan тестването

Boundary Scan предлага множество предимства пред традиционните методи за тестване:

• Подобрено покритие на теста: Boundary Scan може да достигне до голям процент от възлите на печатна платка, осигурявайки високо покритие на теста, дори за сложни дизайни с ограничен физически достъп.
• Намалено време за разработка на теста: Софтуерът за Boundary Scan може автоматично да генерира тестови вектори от BSDL файлове, намалявайки времето и усилията, необходими за разработване на тестови програми.
• По-ниски разходи за тестване: Boundary Scan елиминира нуждата от физическо сондиране, намалявайки разходите за тестови приспособления и риска от повреда на печатната платка.
• По-бърза изолация на повреди: Boundary Scan предоставя подробна диагностична информация, позволяваща на инженерите бързо да идентифицират и изолират повреди.
• Програмиране в системата (ISP): Boundary Scan може да се използва за програмиране на флаш памет и други програмируеми устройства, след като са сглобени на печатната платка, което опростява производствения процес.
• Намален размер и цена на платката: Чрез намаляване на нуждата от тестови точки, Boundary Scan позволява проектирането на по-малки и по-евтини платки.
• Ранно откриване на дефекти: Внедряването на boundary scan във фазата на проектиране позволява по-ранно откриване на потенциални производствени проблеми, намалявайки цената на грешките в по-късните етапи.

Приложения на Boundary Scan

Boundary Scan се използва в широк спектър от приложения, включително:

• Производствен тест: Откриване на производствени дефекти като къси съединения, прекъсвания и неправилно поставяне на компоненти.
• Програмиране в системата (ISP): Програмиране на флаш памет и други програмируеми устройства, след като са сглобени на печатната платка.
• Първоначално пускане и отстраняване на грешки на платката: Диагностициране на хардуерни проблеми по време на фазата на проектиране и разработка.
• Конфигуриране на FPGA: Конфигуриране на FPGA без нужда от външни програматори.
• Приложения за сигурност: Сигурно програмиране и проверка на устройства, както и за извършване на одити за сигурност.

Примери за Boundary Scan в действие:

• Телекомуникационно оборудване: Проверка на целостта на високоскоростни връзки на сложни мрежови интерфейсни карти. Представете си телекомуникационна компания в Стокхолм, която трябва да гарантира надеждността на своята 5G инфраструктура. Boundary scan им позволява бързо да диагностицират проблеми със свързаността на гъсто населени платки.
• Автомобилна електроника: Тестване на функционалността на електронните контролни блокове (ECU) в автомобилите. Например, производител в Щутгарт използва boundary scan, за да тества комуникацията между управляващия блок на двигателя и управляващия блок на трансмисията.
• Авиокосмическа и отбранителна промишленост: Гарантиране на надеждността на критични електронни системи в самолети и военно оборудване. Изпълнител на поръчки за отбраната в Съединените щати може да използва boundary scan, за да провери свързаността на компонентите в система за управление на полета, където надеждността е от първостепенно значение.
• Индустриална автоматизация: Диагностициране и ремонт на повреди в програмируеми логически контролери (PLC) и друго индустриално оборудване. Представете си фабрика в Япония, която използва boundary scan, за да идентифицира бързо дефектна връзка в PLC, управляващ роботизирана ръка.
• Медицински устройства: Проверка на функционалността на електронните компоненти в медицински устройства като пейсмейкъри и дефибрилатори. Производител на медицински изделия в Швейцария използва boundary scan, за да гарантира надеждността на комуникационните пътища в животоспасяващо устройство.

Внедряване на Boundary Scan: Ръководство стъпка по стъпка

Внедряването на Boundary Scan включва няколко стъпки:

1. Проектиране с оглед на тестируемостта (DFT): Вземете предвид изискванията за тестируемост по време на фазата на проектиране. Това включва избор на съвместими с Boundary Scan ИС и гарантиране, че веригата за Boundary Scan е правилно конфигурирана. Ключови съображения за DFT включват минимизиране на броя на TAP контролерите на една платка (може да се наложи каскадно свързване на TAP контролери при сложни дизайни) и осигуряване на добра цялост на сигнала на JTAG сигналите.
2. Придобиване на BSDL файлове: Набавете BSDL файловете за всички съвместими с Boundary Scan ИС в дизайна. Тези файлове обикновено се предоставят от производителите на ИС.
3. Генериране на тестови вектори: Използвайте софтуер за Boundary Scan за генериране на тестови вектори въз основа на BSDL файловете и нетлиста на дизайна. Софтуерът автоматично ще създаде последователностите от сигнали, необходими за тестване на взаимовръзките. Някои инструменти предлагат автоматично генериране на тестови модели (ATPG) за тестване на взаимовръзки.
4. Изпълнение на теста: Заредете тестовите вектори в ATE системата и изпълнете тестовете. ATE системата ще приложи тестовите модели към платката и ще следи отговорите.
5. Диагностика на повреди: Анализирайте резултатите от теста, за да идентифицирате и изолирате повреди. Софтуерът за Boundary Scan обикновено предоставя подробна диагностична информация, като например местоположението на къси съединения и прекъсвания.
6. Програмиране в системата (ISP): Ако е необходимо, използвайте Boundary Scan за програмиране на флаш памет или конфигуриране на програмируеми устройства.

Предизвикателства при Boundary Scan

Въпреки че Boundary Scan предлага значителни предимства, има и предизвикателства, които трябва да се вземат предвид:

• Цена на съвместимите с Boundary Scan ИС: Съвместимите с Boundary Scan ИС може да са по-скъпи от несъвместимите. Това важи особено за по-стари или по-рядко срещани компоненти.
• Наличност и точност на BSDL файловете: Точните и пълни BSDL файлове са от съществено значение за генерирането на ефективни тестови вектори. За съжаление, BSDL файловете невинаги са лесно достъпни или може да съдържат грешки. Винаги проверявайте BSDL файловете, преди да ги използвате.
• Сложност на генерирането на тестови вектори: Генерирането на тестови вектори за сложни дизайни може да бъде предизвикателство, изискващо специализиран софтуер и експертиза.
• Ограничен достъп до вътрешни възли: Boundary Scan осигурява достъп до изводите на ИС, но не предоставя директен достъп до вътрешни възли в рамките на ИС.
• Проблеми с целостта на сигнала: Дългите вериги за Boundary Scan могат да въведат проблеми с целостта на сигнала, особено при високи тактови честоти. Правилното терминиране и маршрутизиране на сигналите са от съществено значение.

Преодоляване на предизвикателствата при Boundary Scan

Съществуват много стратегии за преодоляване на ограниченията на boundary scan:

• Стратегически избор на компоненти: Изберете съвместими с boundary scan компоненти за критични области на дизайна, където тестовият достъп е ограничен.
• Цялостна проверка на BSDL: Внимателно прегледайте и валидирайте BSDL файловете за точност. Свържете се с производителя на компонента, ако бъдат открити грешки.
• Инвестиране в усъвършенствани инструменти: Използвайте мощни инструменти за boundary scan, които поддържат автоматично генериране на тестови модели (ATPG) и разширени диагностични възможности.
• Комбиниране на Boundary Scan с други техники за тестване: Интегрирайте boundary scan с други методи за тестване като функционално тестване, тестване в схема (ICT) и тестване с летящи сонди, за да постигнете цялостно покритие на теста.
• Оптимизиране на топологията на JTAG веригата: Приложете внимателни техники за маршрутизиране и терминиране на JTAG веригата, за да минимизирате проблемите с целостта на сигнала. Обмислете използването на буфериране или други техники за кондициониране на сигнала.

Стандарти и инструменти за Boundary Scan

Краеъгълният камък на Boundary Scan е стандартът IEEE 1149.1. Въпреки това, няколко други стандарта и инструменти играят решаваща роля:

• IEEE 1149.1 (JTAG): Основополагащият стандарт, дефиниращ архитектурата и протокола на Boundary Scan.
• IEEE 1149.6 (Advanced Digital Networks): Разширява Boundary Scan, за да поддържа високоскоростна диференциална сигнализация, намираща се в напреднали цифрови мрежи.
• BSDL (Boundary Scan Description Language): Стандартизиран език за описване на възможностите за boundary scan на ИС.
• SVF (Serial Vector Format) и STAPL (Standard Test and Programming Language): Стандартизирани файлови формати за съхранение и обмен на тестови вектори.

Налични са множество комерсиални и отворени инструменти за Boundary Scan, включително:

• ATE системи: Цялостни тестови платформи от доставчици като Keysight Technologies, Teradyne и National Instruments.
• Специализирани инструменти за Boundary Scan: Специализирани инструменти от компании като Corelis, Goepel electronic и XJTAG.
• Вградени JTAG решения: JTAG емулатори и дебъгери от компании като Segger и Lauterbach.
• Инструменти с отворен код: OpenOCD (Open On-Chip Debugger) и UrJTAG са популярни JTAG инструменти с отворен код.

Бъдещето на Boundary Scan

Boundary Scan продължава да се развива, за да отговори на предизвикателствата на съвременната електроника.

• Увеличена интеграция: Boundary Scan все повече се интегрира в ИС, което позволява по-цялостно тестване и диагностика.
• Разширени възможности за отстраняване на грешки: Boundary Scan се използва за по-напреднали задачи за отстраняване на грешки, като тестване на паметта и емулация на процесора.
• Високоскоростен Boundary Scan: Разработват се нови техники за увеличаване на скоростта на Boundary Scan, което позволява по-бързо тестване и програмиране.
• Приложения за сигурност: Boundary Scan се използва за подобряване на сигурността на електронните устройства, като предоставя сигурен канал за програмиране и проверка. Възможността за отдалечен достъп и преконфигуриране на устройства чрез JTAG поражда опасения за сигурността, което стимулира иновациите в мерките за сигурност.
• Интеграция с цифрови близнаци: Данните от Boundary Scan могат да се използват за създаване на цифрови близнаци на електронни възли, което позволява прогнозна поддръжка и подобрена надеждност.

В заключение, Boundary Scan е жизненоважна технология за осигуряване на качеството и надеждността на съвременната електроника. Чрез разбирането на неговите принципи, предимства и внедряване, инженерите могат да използват Boundary Scan, за да подобрят покритието на теста, да намалят разходите за тестване и да ускорят времето за излизане на пазара. Тъй като електрониката продължава да става все по-сложна, Boundary Scan ще остане основен инструмент за хардуерно тестване.