Riistvara testimine: põhjalik juhend piiriskaneerimise (JTAG) kohta

Elektroonika pidevalt arenevas maailmas on riistvara kvaliteedi ja töökindluse tagamine ülimalt tähtis. Kuna trükkplaatide tihedus suureneb ja komponentide suurused vähenevad, muutuvad traditsioonilised testimismeetodid üha keerulisemaks ja kallimaks. Piiriskaneerimine, tuntud ka kui JTAG (Joint Test Action Group), pakub võimsat ja mitmekülgset lahendust keerukate elektroonikakoostude testimiseks. See põhjalik juhend süveneb piiriskaneerimise testimise põhialustesse, eelistesesse, rakendamisse ja tulevikutrendidesse.

Mis on piiriskaneerimine (JTAG)?

Piiriskaneerimine on standardiseeritud meetod integreeritud vooluringide (IC) vaheliste ühenduste testimiseks trükkplaatidel (PCB) ilma füüsilise proovivõtuta. Selle määratleb IEEE 1149.1 standard, mis täpsustab jadapõhise sideseadistuse ja arhitektuuri, mis võimaldab juurdepääsu IC sisemistele sõlmedele spetsiaalse testpordi kaudu. See port koosneb tavaliselt neljast või viiest signaalist: TDI (Test Data In), TDO (Test Data Out), TCK (Test Clock), TMS (Test Mode Select) ja valikuliselt TRST (Test Reset).

Põhimõtteliselt hõlmab piiriskaneerimine skaneerimisrakkude paigutamist IC sisenditesse ja väljunditesse. Need skaneerimisrakud suudavad andmeid kinni püüda IC funktsionaalsest loogikast ja saata need testpordi kaudu välja. Vastupidi, andmeid saab testpordist skaneerimisrakkudesse saata ja funktsionaalsele loogikale rakendada. Sisestatud ja väljunddatud andmete kontrollimisega saavad insenerid testida IC-de vahelist ühenduvust, tuvastada vigu ja isegi programmeerida seadmeid.

JTAG-i päritolu ja areng

Trükkplaatide (PCB) ja pinnapealse paigalduse tehnoloogia (SMT) kasvav keerukus 1980ndatel muutis traditsioonilise „naelavoodi” testimise üha keerulisemaks ja kallimaks. Selle tulemusena moodustati Joint Test Action Group (JTAG), et töötada välja standardiseeritud, kulutõhus meetod PCB-de testimiseks. Tulemuseks oli IEEE 1149.1 standard, mis ratifitseeriti ametlikult 1990. aastal.

Sellest ajast alates on JTAG arenenud peamiselt tootmisele keskendunud testimistehnoloogiast laialdaselt kasutatavaks lahenduseks mitmesugusteks rakendusteks, sealhulgas:

Tootmistest: Tootmisvigade tuvastamine, nagu lühised, avad ja vale komponentide paigutus.
Süsteemisisese programmeerimise (ISP): Mälu ja muude programmeeritavate seadmete programmeerimine pärast nende paigaldamist PCB-le.
Plaadi käivitus ja silumine: Riistvaraprobleemide diagnoosimine disaini ja arendamise etapis.
FPGA konfigureerimine: FPGA-de konfigureerimine ilma väliste programmeerijateta.
Turvarakendused: Seadmete turvaline programmeerimine ja kontrollimine ning turvaauditite läbiviimine.

Piiriskaneerimise süsteemi peamised komponendid

Piiriskaneerimise süsteem koosneb tavaliselt järgmistest komponentidest:

Piiriskaneerimisega ühilduvad IC-d: IC-d, mis rakendavad IEEE 1149.1 standardit ja sisaldavad piiriskaneerimisrakke.
Testipääsuport (TAP): IC füüsiline liides, mida kasutatakse piiriskaneerimise loogika juurde pääsemiseks (TDI, TDO, TCK, TMS, TRST).
Testipääsuporti kontroller (TAP Controller): IC sees olev olekumasin, mis juhib piiriskaneerimise loogika tööd.
Piiriskaneerimisregister (BSR): Nihkeregister, mis sisaldab piiriskaneerimisrakke.
Testandmeregistrid (TDR-id): Registrid, mida kasutatakse andmete sisestamiseks ja väljastamiseks IC-st testimise ajal. Levinud TDR-ide hulka kuuluvad möödaviiguregister, juhisregister ja kasutaja määratletud registrid.
Piiriskaneerimise kirjelduskeel (BSDL) fail: Tekstifail, mis kirjeldab IC piiriskaneerimise võimalusi, sealhulgas pinoutsid, skaneerimisahela struktuuri ja käsukomplekti. BSDL-failid on testivektorite genereerimiseks hädavajalikud.
Automaatne testimisseadmed (ATE): Süsteem, mis pakub ärritust ja mõõdab testitava seadme (DUT) vastuseid. ATE-süsteemid sisaldavad tavaliselt piiriskaneerimise kontrollerit ja tarkvara.
Piiriskaneerimise tarkvara: Tarkvara, mida kasutatakse testivektorite genereerimiseks, piiriskaneerimise riistvara juhtimiseks ja testitulemuste analüüsimiseks.

Piiriskaneerimise testimise eelised

Piiriskaneerimine pakub arvukalt eeliseid võrreldes traditsiooniliste testimismeetoditega:

Parem testikatvus: Piiriskaneerimine pääseb ligi suurele protsendile PCB sõlmedest, pakkudes kõrget testikatvust, isegi piiratud füüsilise juurdepääsuga keerukate kujunduste puhul.
Lühem testiarenduse aeg: Piiriskaneerimise tarkvara saab automaatselt genereerida testivektoreid BSDL-failidest, vähendades testiprogrammide arendamiseks kuluvat aega ja vaeva.
Madalamad testimiskulud: Piiriskaneerimine välistab füüsilise proovivõtu vajaduse, vähendades testifiguuride kulusid ja PCB kahjustamise riski.
Kiirem vea isoleerimine: Piiriskaneerimine annab üksikasjalikku diagnostikateavet, võimaldades inseneridel kiiresti tuvastada ja isoleerida vigu.
Süsteemisisese programmeerimine (ISP): Piiriskaneerimist saab kasutada mälukiipide või muude programmeeritavate seadmete programmeerimiseks pärast nende paigaldamist PCB-le, lihtsustades tootmisprotsessi.
Väiksem plaadi suurus ja hind: Testipunktide vajaduse vähendamisega võimaldab piiriskaneerimine kujundada väiksemaid ja odavamaid plaate.
Vigade varajane tuvastamine: Piiriskaneerimise rakendamine disainietapis võimaldab varajast potentsiaalsete tootmisprobleemide tuvastamist, vähendades vigade kulusid hilisemates etappides.

Piiriskaneerimise rakendused

Piiriskaneerimist kasutatakse laias valikus rakendustes, sealhulgas:

Tootmistest: Tootmisvigade tuvastamine, nagu lühised, avad ja vale komponentide paigutus.
Süsteemisisese programmeerimise (ISP): Mälu ja muude programmeeritavate seadmete programmeerimine pärast nende paigaldamist PCB-le.
Plaadi käivitus ja silumine: Riistvaraprobleemide diagnoosimine disaini ja arendamise etapis.
FPGA konfigureerimine: FPGA-de konfigureerimine ilma väliste programmeerijateta.
Turvarakendused: Seadmete turvaline programmeerimine ja kontrollimine ning turvaauditite läbiviimine.

Näited piiriskaneerimisest tegevuses:

Telekommunikatsiooniseadmed: Kiirete ühenduste terviklikkuse kontrollimine keerukatel võrguliidese kaartidel. Kujutage ette Stockholmis asuvat telekommunikatsiooniettevõtet, kes peab tagama oma 5G infrastruktuuri töökindluse. Piiriskaneerimine võimaldab neil kiiresti diagnoosida ühenduvusprobleeme tihedalt asustatud plaatidel.
Autotööstuse elektroonika: Mootoriajamite ja käigukasti juhtplokkide elektrooniliste juhtplokkide (ECU) funktsionaalsuse testimine autodes. Näiteks Stuttgarti tootja kasutab piiriskaneerimist mootori juhtploki ja käigukasti juhtploki vahelise kommunikatsiooni testimiseks.
Lennundus ja kaitse: Kriitiliste elektroonikasüsteemide töökindluse tagamine lennukites ja sõjavarustuses. Ameerika Ühendriikide kaitseettevõte võib kasutada piiriskaneerimist lennujuhtimissüsteemi komponentide ühenduvuse kontrollimiseks, kus töökindlus on esmatähtis.
Tööstusautomaatika: Programmeeritavate loogikakontrollerite (PLC) ja muu tööstusseadmete rikete diagnoosimine ja parandamine. Mõelge Jaapani tehasele, mis kasutab piiriskaneerimist robotkäe juhtiva PLC-i vigase ühenduse kiireks tuvastamiseks.
Meditsiiniseadmed: Südamestimulaatorite ja defibrillaatorite nagu meditsiiniseadmete elektroonikakomponentide funktsionaalsuse kontrollimine. Šveitsi meditsiiniseadmete tootja kasutab piiriskaneerimist, et tagada elupäästva seadme sidesüsteemide töökindlus.

Piiriskaneerimise rakendamine: samm-sammult juhend

Piiriskaneerimise rakendamine hõlmab mitmeid samme:

Testitavuse kujundamine (DFT): Võtke arvesse testitavuse nõudeid disainietapis. See hõlmab piiriskaneerimisega ühilduvate IC-de valimist ja piiriskaneerimisahela õige konfigureerimise tagamist. Olulised DFT-kaalutlused hõlmavad TAP-kontrollerite arvu vähendamist plaadil (keerukate kujunduste puhul võib olla vajalik TAP-kontrollerite kaskaadühendus) ja JTAG-signaalide hea signaali terviklikkuse tagamist.
BSDL-failide hankimine: Hankige BSDL-failid kõigi kujunduses olevate piiriskaneerimisega ühilduvate IC-de jaoks. Need failid esitatakse tavaliselt IC-tootjate poolt.
Testivektorite genereerimine: Kasutage piiriskaneerimise tarkvara, et genereerida testivektoreid BSDL-failide ja disainivõrgu loendi põhjal. Tarkvara loob automaatselt signaalijadad, mis on vajalikud ühenduste testimiseks. Mõned tööriistad pakuvad automaatset testmustri genereerimist (ATPG) ühenduste testimiseks.
Testi täitmine: Laadige testivektorid ATE-süsteemi ja täitke testid. ATE-süsteem rakendab testimustreid plaadile ja jälgib vastuseid.
Vigade diagnoosimine: Analüüsige testitulemusi, et tuvastada ja isoleerida vigu. Piiriskaneerimise tarkvara pakub tavaliselt üksikasjalikku diagnostikateavet, näiteks lühiste ja avade asukohti.
Süsteemisisese programmeerimine (ISP): Vajaduse korral kasutage mälukiipide programmeerimiseks või programmeeritavate seadmete konfigureerimiseks piiriskaneerimist.

Piiriskaneerimise väljakutsed

Kuigi piiriskaneerimine pakub märkimisväärseid eeliseid, on ka väljakutseid, mida tuleb kaaluda:

Piiriskaneerimisega ühilduvate IC-de maksumus: Piiriskaneerimisega ühilduvad IC-d võivad olla kallimad kui mitteühilduvad IC-d. See kehtib eriti vanemate või vähem levinud komponentide kohta.
BSDL-failide kättesaadavus ja täpsus: Täpsed ja täielikud BSDL-failid on tõhusate testivektorite genereerimiseks hädavajalikud. Kahjuks ei ole BSDL-failid alati kergesti kättesaadavad või võivad need sisaldada vigu. Kontrollige alati BSDL-faile enne nende kasutamist.
Testivektorite genereerimise keerukus: Testivektorite genereerimine keerukate kujunduste jaoks võib olla keeruline, nõudes spetsiaalset tarkvara ja oskusteavet.
Piiratud juurdepääs sisemistele sõlmedele: Piiriskaneerimine annab juurdepääsu IC-de väljalülititele, kuid ei anna otsest juurdepääsu IC-de sisemistele sõlmedele.
Signaali terviklikkuse probleemid: Pikad piiriskaneerimisahelad võivad tekitada signaali terviklikkuse probleeme, eriti kõrgetel taktsagedustel. Korrektne lõpetamine ja signaalide marsruutimine on hädavajalikud.

Piiriskaneerimise väljakutsete ületamine

Piiriskaneerimise piirangute ületamiseks on palju strateegiaid:

Strateegiline komponentide valik: Valige piiriskaneerimisega ühilduvad komponendid kujunduse kriitilisteks piirkondadeks, kus testimisjuurdepääs on piiratud.
Põhjalik BSDL-i kontrollimine: Vaadake hoolikalt üle ja kontrollige BSDL-failide täpsust. Vigade korral võtke ühendust komponendi tootjaga.
Investeerimine täiustatud tööriistadesse: Kasutage võimsaid piiriskaneerimise tööriistu, mis toetavad automaatset testimismustri genereerimist (ATPG) ja täiustatud diagnostikavõimalusi.
Piiriskaneerimise kombineerimine teiste testimistehnikatega: Integreerige piiriskaneerimine teiste testimismeetoditega, nagu funktsionaalne testimine, vooluringisisene testimine (ICT) ja lendava proovi testimine, et saavutada terviklik testikatvus.
JTAG-ahela topoloogia optimeerimine: Rakendage hoolikat JTAG-ahela marsruutimist ja lõpetamistehnikaid, et minimeerida signaali terviklikkuse probleeme. Kaaluge puhverdusmeetodite või muude signaalikonditsioneerimistehnikate kasutamist.

Piiriskaneerimise standardid ja tööriistad

Piiriskaneerimise nurgakiviks on IEEE 1149.1 standard. Kuid mitmed muud standardid ja tööriistad mängivad otsustavat rolli:

IEEE 1149.1 (JTAG): Alusstandard, mis määratleb piiriskaneerimise arhitektuuri ja protokollid.
IEEE 1149.6 (Täiustatud digitaalvõrgud): Laiendab piiriskaneerimist, et toetada kõrgsageduslikku diferentsiaalsignaali, mida leidub täiustatud digitaalvõrkudes.
BSDL (Boundary Scan Description Language): Standardiseeritud keel IC-de piiriskaneerimisvõimaluste kirjeldamiseks.
SVF (Serial Vector Format) ja STAPL (Standard Test and Programming Language): Standardiseeritud failivormingud testivektorite salvestamiseks ja vahetamiseks.

Saadaval on arvukalt kommerts- ja avatud lähtekoodiga piiriskaneerimise tööriistu, sealhulgas:

ATE-süsteemid: Põhjalikud testplatvormid müüjatelt nagu Keysight Technologies, Teradyne ja National Instruments.
Spetsiaalsed piiriskaneerimise tööriistad: Spetsialiseerunud tööriistad ettevõtetelt nagu Corelis, Goepel electronic ja XJTAG.
Manussüsteemid JTAG-lahendustega: JTAG-emulaatorid ja silurid ettevõtetelt nagu Segger ja Lauterbach.
Avatud lähtekoodiga tööriistad: OpenOCD (Open On-Chip Debugger) ja UrJTAG on populaarsed avatud lähtekoodiga JTAG-tööriistad.

Piiriskaneerimise tulevik

Piiriskaneerimine areneb jätkuvalt, et tulla toime tänapäeva elektroonika väljakutsetega.

Suurem integratsioon: Piiriskaneerimist integreeritakse üha enam IC-desse, võimaldades põhjalikumat testimist ja diagnostikat.
Täiustatud silumisvõimalused: Piiriskaneerimist kasutatakse täiustatumate silumisülesannete jaoks, nagu mälu testimine ja protsessori emuleerimine.
Kõrgsageduslik piiriskaneerimine: Töötatakse välja uusi tehnikaid piiriskaneerimise kiiruse suurendamiseks, võimaldades kiiremat testimist ja programmeerimist.
Turvarakendused: Piiriskaneerimist kasutatakse elektroonikaseadmete turvalisuse suurendamiseks, pakkudes turvalist kanalit programmeerimiseks ja kontrollimiseks. Võimalus kaugjuurdepääsuks ja seadmete uuesti konfigureerimiseks JTAG-i kaudu tekitab turvaküsimusi, soodustades uuendusi turvameetodites.
Integratsioon digitaalsete kaksikutega: Piiriskaneerimise andmeid saab kasutada elektrooniliste koostude digitaalsete kaksikute loomiseks, mis võimaldab ennustavat hooldust ja töökindluse parandamist.

Kokkuvõtteks võib öelda, et piiriskaneerimine on tänapäevase elektroonika kvaliteedi ja töökindluse tagamiseks elutähtis tehnoloogia. Selle põhialuste, eeliste ja rakendamise mõistmisega saavad insenerid kasutada piiriskaneerimist testikatvuse parandamiseks, testimiskulude vähendamiseks ja turuletoomise aja kiirendamiseks. Kuna elektroonika muutub üha keerukamaks, jääb piiriskaneerimine riistvara testimise jaoks oluliseks tööriistaks.