Testování hardwaru: Komplexní průvodce Boundary Scan (JTAG)

V neustále se vyvíjejícím světě elektroniky je zajištění kvality a spolehlivosti hardwaru prvořadé. Jak se zvyšuje hustota desek s plošnými spoji a zmenšují se rozměry součástek, tradiční metody testování se stávají stále náročnějšími a nákladnějšími. Boundary Scan, známý také jako JTAG (Joint Test Action Group), poskytuje výkonné a všestranné řešení pro testování složitých elektronických sestav. Tento komplexní průvodce se zabývá principy, výhodami, implementací a budoucími trendy testování Boundary Scan.

Co je Boundary Scan (JTAG)?

Boundary Scan je standardizovaná metoda pro testování propojení mezi integrovanými obvody (IC) na desce s plošnými spoji (PCB) bez fyzického sondování. Je definován standardem IEEE 1149.1, který specifikuje sériový komunikační protokol a architekturu, která umožňuje přístup k interním uzlům IC prostřednictvím vyhrazeného testovacího portu. Tento port se typicky skládá ze čtyř nebo pěti signálů: TDI (Test Data In), TDO (Test Data Out), TCK (Test Clock), TMS (Test Mode Select) a volitelně TRST (Test Reset).

Jádrem Boundary Scan je umisťování scan cell na vstupy a výstupy IC. Tyto scan cell mohou zachytit data z funkční logiky IC a přesouvat je ven přes testovací port. Naopak data mohou být přesunuta do scan cell z testovacího portu a aplikována na funkční logiku. Ovládáním dat posunutých dovnitř a ven mohou inženýři testovat konektivitu mezi IC, identifikovat závady a dokonce programovat zařízení.

Původ a vývoj JTAG

Zvyšující se složitost desek s plošnými spoji (PCB) a technologie povrchové montáže (SMT) v 80. letech 20. století ztěžovala a prodražovala tradiční testování 'bed of nails'. V důsledku toho byla vytvořena Joint Test Action Group (JTAG), aby vyvinula standardizovanou, nákladově efektivní metodu testování PCB. Výsledkem byl standard IEEE 1149.1, formálně ratifikovaný v roce 1990.

Od té doby se JTAG vyvinul z primárně výrobní testovací technologie na široce přijaté řešení pro různé aplikace, včetně:

• Testování výroby: Detekce výrobních vad, jako jsou zkraty, rozpojení a nesprávné umístění součástek.
• Programování v systému (ISP): Programování flash paměti a dalších programovatelných zařízení po jejich sestavení na PCB.
• Zprovoznění a ladění desky: Diagnostika hardwarových problémů během fáze návrhu a vývoje.
• Konfigurace FPGA: Konfigurace FPGA bez nutnosti externích programátorů.
• Bezpečnostní aplikace: Bezpečné programování a ověřování zařízení a provádění bezpečnostních auditů.

Klíčové komponenty systému Boundary Scan

Systém Boundary Scan se typicky skládá z následujících komponent:

• IC kompatibilní s Boundary Scan: IC, které implementují standard IEEE 1149.1 a obsahují scan cell Boundary Scan.
• Test Access Port (TAP): Fyzické rozhraní na IC používané pro přístup k logice Boundary Scan (TDI, TDO, TCK, TMS, TRST).
• Test Access Port Controller (TAP Controller): Stavový automat v rámci IC, který řídí provoz logiky Boundary Scan.
• Boundary Scan Register (BSR): Posuvný registr, který obsahuje scan cell Boundary Scan.
• Test Data Registers (TDRs): Registrace používané pro přesouvání dat do a z IC během testování. Běžné TDR zahrnují Bypass registr, Instruction registr a uživatelsky definované registry.
• Soubor Boundary Scan Description Language (BSDL): Textový soubor, který popisuje možnosti Boundary Scan IC, včetně vývodů, struktury scan chain a sady instrukcí. Soubory BSDL jsou nezbytné pro generování testovacích vektorů.
• Automatizované testovací zařízení (ATE): Systém, který poskytuje stimul a měří odezvu testovaného zařízení (DUT). Systémy ATE obvykle zahrnují řadiče Boundary Scan a software.
• Software Boundary Scan: Software používaný pro generování testovacích vektorů, řízení hardwaru Boundary Scan a analýzu výsledků testů.

Výhody testování Boundary Scan

Boundary Scan nabízí řadu výhod oproti tradičním testovacím metodám:

• Vylepšené pokrytí testem: Boundary Scan může přistupovat k velkému procentu uzlů na PCB, což poskytuje vysoké pokrytí testem, a to i u složitých návrhů s omezeným fyzickým přístupem.
• Zkrácení doby vývoje testu: Software Boundary Scan může automaticky generovat testovací vektory ze souborů BSDL, což zkracuje čas a úsilí potřebné k vývoji testovacích programů.
• Nižší náklady na testování: Boundary Scan eliminuje potřebu fyzického sondování, což snižuje náklady na testovací přípravky a riziko poškození PCB.
• Rychlejší izolace chyb: Boundary Scan poskytuje podrobné diagnostické informace, což inženýrům umožňuje rychle identifikovat a izolovat závady.
• Programování v systému (ISP): Boundary Scan lze použít k programování flash paměti a dalších programovatelných zařízení po jejich sestavení na PCB, což zjednodušuje výrobní proces.
• Menší velikost a náklady desky: Redukcí potřeby testovacích bodů umožňuje Boundary Scan navrhovat menší a levnější desky.
• Včasná detekce vad: Implementace boundary scan ve fázi návrhu umožňuje včasnější detekci potenciálních výrobních problémů, což snižuje náklady na chyby v pozdějších fázích.

Aplikace Boundary Scan

Boundary Scan se používá v široké škále aplikací, včetně:

• Testování výroby: Detekce výrobních vad, jako jsou zkraty, rozpojení a nesprávné umístění součástek.
• Programování v systému (ISP): Programování flash paměti a dalších programovatelných zařízení po jejich sestavení na PCB.
• Zprovoznění a ladění desky: Diagnostika hardwarových problémů během fáze návrhu a vývoje.
• Konfigurace FPGA: Konfigurace FPGA bez nutnosti externích programátorů.
• Bezpečnostní aplikace: Bezpečné programování a ověřování zařízení a provádění bezpečnostních auditů.

Příklady Boundary Scan v praxi:

• Telekomunikační zařízení: Ověření integrity vysokorychlostních propojení na složitých síťových rozhraních. Představte si telekomunikační společnost ve Stockholmu, která potřebuje zajistit spolehlivost své infrastruktury 5G. Boundary scan jim umožňuje rychle diagnostikovat problémy s konektivitou na hustě osazených deskách.
• Automobilová elektronika: Testování funkčnosti elektronických řídicích jednotek (ECU) v automobilech. Například výrobce ve Stuttgartu používající boundary scan k testování komunikace mezi řídicí jednotkou motoru a řídicí jednotkou převodovky.
• Letectví a obrana: Zajištění spolehlivosti kritických elektronických systémů v letadlech a vojenském vybavení. Dodavatel obrany ve Spojených státech by mohl použít boundary scan k ověření konektivity komponent v letovém řídicím systému, kde je spolehlivost prvořadá.
• Průmyslová automatizace: Diagnostika a opravy závad v programovatelných logických automatech (PLC) a jiných průmyslových zařízeních. Zvažte továrnu v Japonsku, která používá boundary scan k rychlé identifikaci vadného spojení v PLC řídícím robotické rameno.
• Zdravotnické prostředky: Ověření funkčnosti elektronických komponent ve zdravotnických prostředcích, jako jsou kardiostimulátory a defibrilátory. Výrobce zdravotnických prostředků ve Švýcarsku používající boundary scan k zajištění spolehlivosti komunikačních cest v zařízení zachraňujícím životy.

Implementace Boundary Scan: Průvodce krok za krokem

Implementace Boundary Scan zahrnuje několik kroků:

1. Návrh pro testovatelnost (DFT): Zvažte požadavky na testovatelnost během fáze návrhu. To zahrnuje výběr IC kompatibilních s Boundary Scan a zajištění správné konfigurace řetězce Boundary Scan. Klíčové úvahy DFT zahrnují minimalizaci počtu TAP řadičů na desce (kaskádové TAP řadiče mohou být potřeba u složitých návrhů) a zajištění dobré integrity signálu na signálech JTAG.
2. Získání souboru BSDL: Získejte soubory BSDL pro všechny IC kompatibilní s Boundary Scan v návrhu. Tyto soubory jsou obvykle poskytovány výrobci IC.
3. Generování testovacích vektorů: Použijte software Boundary Scan ke generování testovacích vektorů na základě souborů BSDL a netlistu návrhu. Software automaticky vytvoří sekvence signálů potřebných k testování propojení. Některé nástroje nabízejí automatické generování testovacích vzorků (ATPG) pro testování propojení.
4. Provedení testu: Nahrajte testovací vektory do systému ATE a proveďte testy. Systém ATE aplikuje testovací vzory na desku a sleduje reakce.
5. Diagnostika poruch: Analyzujte výsledky testů a identifikujte a izolujte poruchy. Software Boundary Scan obvykle poskytuje podrobné diagnostické informace, například umístění zkratů a rozpojení.
6. Programování v systému (ISP): Je-li požadováno, použijte Boundary Scan k programování flash paměti nebo konfiguraci programovatelných zařízení.

Výzvy Boundary Scan

Přestože Boundary Scan nabízí významné výhody, je třeba zvážit i výzvy:

• Náklady na IC kompatibilní s Boundary Scan: IC kompatibilní s Boundary Scan mohou být dražší než IC, které s Boundary Scan nejsou kompatibilní. To platí zejména pro starší nebo méně běžné součástky.
• Dostupnost a přesnost souboru BSDL: Přesné a kompletní soubory BSDL jsou nezbytné pro generování efektivních testovacích vektorů. Bohužel soubory BSDL nejsou vždy snadno dostupné nebo mohou obsahovat chyby. Před použitím souborů BSDL vždy ověřte.
• Složitost generování testovacích vektorů: Generování testovacích vektorů pro složité návrhy může být náročné a vyžaduje specializovaný software a odborné znalosti.
• Omezený přístup k interním uzlům: Boundary Scan poskytuje přístup k pinům IC, ale neposkytuje přímý přístup k interním uzlům uvnitř IC.
• Problémy s integritou signálu: Dlouhé řetězce Boundary Scan mohou zavést problémy s integritou signálu, zejména při vysokých taktovacích frekvencích. Správné ukončení a směrování signálu jsou zásadní.

Překonávání výzev Boundary Scan

Existuje mnoho strategií, jak překonat omezení boundary scan:

• Strategický výběr komponent: Zvolte komponenty kompatibilní s boundary scan pro kritické oblasti návrhu, kde je přístup k testu omezen.
• Důkladné ověření BSDL: Pečlivě zkontrolujte a ověřte soubory BSDL, zda jsou přesné. Pokud jsou nalezeny chyby, kontaktujte výrobce komponenty.
• Investice do pokročilých nástrojů: Použijte výkonné nástroje boundary scan, které podporují automatické generování testovacích vzorků (ATPG) a pokročilé diagnostické možnosti.
• Kombinace Boundary Scan s dalšími testovacími technikami: Integrujte boundary scan s dalšími testovacími metodami, jako je funkční testování, testování v obvodu (ICT) a testování létající sondou, abyste dosáhli komplexního pokrytí testem.
• Optimalizace topologie řetězce JTAG: Implementujte pečlivé směrování řetězce JTAG a techniky ukončení, abyste minimalizovali problémy s integritou signálu. Zvažte použití vyrovnávací paměti nebo jiných technik úpravy signálu.

Standardy a nástroje Boundary Scan

Základním kamenem Boundary Scan je standard IEEE 1149.1. Několik dalších standardů a nástrojů však hraje zásadní roli:

• IEEE 1149.1 (JTAG): Základní standard definující architekturu a protokol Boundary Scan.
• IEEE 1149.6 (Advanced Digital Networks): Rozšiřuje Boundary Scan na podporu vysokorychlostního diferenciálního signalizace, která se nachází v pokročilých digitálních sítích.
• BSDL (Boundary Scan Description Language): Standardizovaný jazyk pro popis možností Boundary Scan IC.
• SVF (Serial Vector Format) a STAPL (Standard Test and Programming Language): Standardizované formáty souborů pro ukládání a výměnu testovacích vektorů.

K dispozici je řada komerčních a open-source nástrojů Boundary Scan, včetně:

• Systémy ATE: Komplexní testovací platformy od dodavatelů, jako jsou Keysight Technologies, Teradyne a National Instruments.
• Specializované nástroje Boundary Scan: Specializované nástroje od společností jako Corelis, Goepel electronic a XJTAG.
• Vestavěná řešení JTAG: JTAG emulátory a debuggery od společností jako Segger a Lauterbach.
• Open Source Tools: OpenOCD (Open On-Chip Debugger) a UrJTAG jsou populární open-source nástroje JTAG.

Budoucnost Boundary Scan

Boundary Scan se nadále vyvíjí, aby splňoval výzvy moderní elektroniky.

• Zvýšená integrace: Boundary Scan je stále více integrován do IC, což umožňuje komplexnější testování a diagnostiku.
• Pokročilé možnosti ladění: Boundary Scan se používá pro pokročilejší úkoly ladění, jako je testování paměti a emulace CPU.
• Vysokorychlostní Boundary Scan: Vyvíjejí se nové techniky pro zvýšení rychlosti Boundary Scan, což umožňuje rychlejší testování a programování.
• Bezpečnostní aplikace: Boundary Scan se používá ke zvýšení bezpečnosti elektronických zařízení tím, že poskytuje zabezpečený kanál pro programování a ověřování. Schopnost vzdáleně přistupovat a rekonfigurovat zařízení přes JTAG vyvolává obavy o zabezpečení a žene inovace v bezpečnostních opatřeních.
• Integrace s digitálními dvojčaty: Data Boundary Scan lze použít k vytváření digitálních dvojčat elektronických sestav, což umožňuje prediktivní údržbu a zlepšenou spolehlivost.

Závěrem lze říci, že Boundary Scan je životně důležitá technologie pro zajištění kvality a spolehlivosti moderní elektroniky. Pochopením jejích principů, výhod a implementace mohou inženýři využít Boundary Scan ke zlepšení pokrytí testem, snížení nákladů na testování a urychlení uvedení na trh. Vzhledem k tomu, že elektronika se neustále stává složitější, Boundary Scan zůstane nezbytným nástrojem pro testování hardwaru.