آزمایش سخت‌افزار: راهنمای جامع اسکن مرزی (JTAG)

در دنیای همیشه در حال تحول الکترونیک، اطمینان از کیفیت و قابلیت اطمینان سخت‌افزار از اهمیت بالایی برخوردار است. با افزایش تراکم بردهای مدار و کوچک شدن اندازه قطعات، روش‌های آزمایش سنتی به طور فزاینده‌ای چالش برانگیز و پرهزینه می‌شوند. اسکن مرزی، که با نام JTAG (Joint Test Action Group) نیز شناخته می‌شود، یک راه‌حل قدرتمند و همه‌کاره برای آزمایش مجموعه‌های الکترونیکی پیچیده ارائه می‌دهد. این راهنمای جامع به بررسی اصول، مزایا، پیاده‌سازی و روندهای آینده آزمایش اسکن مرزی می‌پردازد.

اسکن مرزی (JTAG) چیست؟

اسکن مرزی یک روش استاندارد برای آزمایش اتصالات متقابل بین مدارهای مجتمع (ICs) روی یک برد مدار چاپی (PCB) بدون پروب فیزیکی است. این توسط استاندارد IEEE 1149.1 تعریف شده است که یک پروتکل ارتباط سریال و معماری را مشخص می‌کند که امکان دسترسی به گره‌های داخلی یک IC را از طریق یک پورت تست اختصاصی فراهم می‌کند. این پورت معمولاً از چهار یا پنج سیگنال تشکیل شده است: TDI (Test Data In)، TDO (Test Data Out)، TCK (Test Clock)، TMS (Test Mode Select) و در صورت تمایل TRST (Test Reset).

در اصل، اسکن مرزی شامل قرار دادن سلول‌های اسکن در ورودی‌ها و خروجی‌های IC‌ها است. این سلول‌های اسکن می‌توانند داده‌ها را از منطق عملکردی IC دریافت کرده و از طریق پورت تست خارج کنند. برعکس، داده‌ها می‌توانند از پورت تست وارد سلول‌های اسکن شده و به منطق عملکردی اعمال شوند. با کنترل داده‌های وارد و خارج شده، مهندسان می‌توانند اتصال بین IC‌ها را آزمایش کنند، عیوب را شناسایی کنند و حتی دستگاه‌ها را برنامه‌ریزی کنند.

منشاء و تکامل JTAG

پیچیدگی فزاینده بردهای مدار چاپی (PCB) و فناوری نصب سطحی (SMT) در دهه 1980، آزمایش سنتی 'تخت میخ' را به طور فزاینده‌ای دشوار و پرهزینه کرد. در نتیجه، گروه اقدام مشترک آزمون (JTAG) برای توسعه یک روش استاندارد و مقرون به صرفه برای آزمایش PCBها تشکیل شد. نتیجه استاندارد IEEE 1149.1 بود که رسماً در سال 1990 تصویب شد.

از آن زمان، JTAG از یک فناوری آزمایشی که در درجه اول بر تولید متمرکز بود، به یک راه‌حل که به طور گسترده برای کاربردهای مختلف از جمله موارد زیر مورد استفاده قرار می‌گیرد، تکامل یافته است:

• آزمایش تولید: شناسایی عیوب تولید مانند اتصالات کوتاه، بازشدگی‌ها و قرارگیری نادرست قطعات.
• برنامه‌نویسی درون سیستمی (ISP): برنامه‌نویسی حافظه فلش و سایر دستگاه‌های قابل برنامه‌ریزی پس از مونتاژ آنها در PCB.
• راه‌اندازی و اشکال‌زدایی برد: تشخیص مشکلات سخت‌افزاری در طول فاز طراحی و توسعه.
• پیکربندی FPGA: پیکربندی FPGAها بدون نیاز به برنامه‌نویسان خارجی.
• برنامه‌های امنیتی: برنامه‌نویسی و تأیید دستگاه‌ها به صورت ایمن و برای انجام ممیزی‌های امنیتی.

اجزای کلیدی یک سیستم اسکن مرزی

یک سیستم اسکن مرزی معمولاً از اجزای زیر تشکیل شده است:

• ICs سازگار با اسکن مرزی: ICهایی که استاندارد IEEE 1149.1 را پیاده‌سازی می‌کنند و شامل سلول‌های اسکن مرزی هستند.
• پورت دسترسی به تست (TAP): رابط فیزیکی روی IC که برای دسترسی به منطق اسکن مرزی (TDI، TDO، TCK، TMS، TRST) استفاده می‌شود.
• کنترل‌کننده پورت دسترسی به تست (TAP Controller): یک ماشین حالت در داخل IC که عملکرد منطق اسکن مرزی را کنترل می‌کند.
• ثبت‌کننده اسکن مرزی (BSR): یک شیفت رجیستر که حاوی سلول‌های اسکن مرزی است.
• ثبت‌کننده‌های داده تست (TDRs): رجیسترهایی که برای انتقال داده‌ها به داخل و خارج از IC در طول آزمایش استفاده می‌شوند. TDRهای رایج شامل رجیستر بای پس، رجیستر دستورالعمل و رجیسترهای تعریف شده توسط کاربر هستند.
• فایل زبان توصیف اسکن مرزی (BSDL): یک فایل متنی که قابلیت‌های اسکن مرزی یک IC را شرح می‌دهد، از جمله پین‌اوت، ساختار زنجیره اسکن و مجموعه دستورالعمل. فایل‌های BSDL برای تولید بردارهای تست ضروری هستند.
• تجهیزات تست خودکار (ATE): سیستمی که محرک را فراهم می‌کند و پاسخ دستگاه تحت آزمایش (DUT) را اندازه‌گیری می‌کند. سیستم‌های ATE معمولاً شامل کنترل‌کننده‌های اسکن مرزی و نرم‌افزار هستند.
• نرم‌افزار اسکن مرزی: نرم‌افزاری که برای تولید بردارهای تست، کنترل سخت‌افزار اسکن مرزی و تجزیه و تحلیل نتایج تست استفاده می‌شود.

مزایای آزمایش اسکن مرزی

اسکن مرزی مزایای متعددی نسبت به روش‌های آزمایش سنتی ارائه می‌دهد:

• پوشش تست بهبود یافته: اسکن مرزی می‌تواند به درصد زیادی از گره‌های موجود در یک PCB دسترسی داشته باشد و پوشش تست بالایی را حتی برای طرح‌های پیچیده با دسترسی فیزیکی محدود فراهم کند.
• کاهش زمان توسعه تست: نرم‌افزار اسکن مرزی می‌تواند به طور خودکار بردارهای تست را از فایل‌های BSDL تولید کند و زمان و تلاش مورد نیاز برای توسعه برنامه‌های تست را کاهش دهد.
• کاهش هزینه‌های آزمایش: اسکن مرزی نیازی به پروب فیزیکی را از بین می‌برد و هزینه‌های ابزارهای تست و خطر آسیب به PCB را کاهش می‌دهد.
• جداسازی سریعتر خطا: اسکن مرزی اطلاعات تشخیصی دقیقی را ارائه می‌دهد و به مهندسان اجازه می‌دهد تا به سرعت خطاها را شناسایی و جدا کنند.
• برنامه‌نویسی درون سیستمی (ISP): از اسکن مرزی می‌توان برای برنامه‌نویسی حافظه فلش و سایر دستگاه‌های قابل برنامه‌ریزی پس از مونتاژ آنها در PCB استفاده کرد، که فرآیند تولید را ساده می‌کند.
• کاهش اندازه و هزینه برد: با کاهش نیاز به نقاط تست، اسکن مرزی، طراحی بردهای کوچکتر و کم‌هزینه‌تر را ممکن می‌سازد.
• تشخیص زودهنگام نقص: پیاده‌سازی اسکن مرزی در فاز طراحی امکان تشخیص زودهنگام مشکلات احتمالی تولید را فراهم می‌کند و هزینه اشتباهات را در مراحل بعدی کاهش می‌دهد.

کاربردهای اسکن مرزی

اسکن مرزی در طیف گسترده‌ای از برنامه‌ها استفاده می‌شود، از جمله:

• آزمایش تولید: شناسایی عیوب تولید مانند اتصالات کوتاه، بازشدگی‌ها و قرارگیری نادرست قطعات.
• برنامه‌نویسی درون سیستمی (ISP): برنامه‌نویسی حافظه فلش و سایر دستگاه‌های قابل برنامه‌ریزی پس از مونتاژ آنها در PCB.
• راه‌اندازی و اشکال‌زدایی برد: تشخیص مشکلات سخت‌افزاری در طول فاز طراحی و توسعه.
• پیکربندی FPGA: پیکربندی FPGAها بدون نیاز به برنامه‌نویسان خارجی.
• برنامه‌های امنیتی: برنامه‌نویسی و تأیید دستگاه‌ها به صورت ایمن و برای انجام ممیزی‌های امنیتی.

نمونه‌هایی از اسکن مرزی در عمل:

• تجهیزات مخابراتی: تأیید یکپارچگی اتصالات متقابل پرسرعت در کارت‌های رابط شبکه پیچیده. تصور کنید یک شرکت مخابراتی در استکهلم نیاز به اطمینان از قابلیت اطمینان زیرساخت‌های 5G خود دارد. اسکن مرزی به آنها اجازه می‌دهد تا به سرعت مشکلات اتصال را در بردهای متراکم تشخیص دهند.
• الکترونیک خودرو: آزمایش عملکرد واحدهای کنترل الکترونیکی (ECU) در خودروها. به عنوان مثال، یک تولیدکننده در اشتوتگارت با استفاده از اسکن مرزی برای آزمایش ارتباط بین واحد کنترل موتور و واحد کنترل انتقال.
• هوا فضا و دفاع: اطمینان از قابلیت اطمینان سیستم‌های الکترونیکی حیاتی در هواپیماها و تجهیزات نظامی. یک پیمانکار دفاعی در ایالات متحده ممکن است از اسکن مرزی برای تأیید اتصال قطعات در یک سیستم کنترل پرواز استفاده کند، که در آن قابلیت اطمینان از اهمیت بالایی برخوردار است.
• اتوماسیون صنعتی: تشخیص و تعمیر عیوب در کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC) و سایر تجهیزات صنعتی. یک کارخانه در ژاپن را در نظر بگیرید که از اسکن مرزی برای شناسایی سریع یک اتصال معیوب در یک PLC که یک بازوی روباتیک را کنترل می‌کند، استفاده می‌کند.
• دستگاه‌های پزشکی: تأیید عملکرد اجزای الکترونیکی در دستگاه‌های پزشکی مانند ضربان‌سازها و دفیبریلاتورها. یک تولیدکننده دستگاه‌های پزشکی در سوئیس با استفاده از اسکن مرزی برای اطمینان از قابلیت اطمینان مسیرهای ارتباطی در یک دستگاه نجات‌دهنده.

پیاده‌سازی اسکن مرزی: یک راهنمای گام به گام

پیاده‌سازی اسکن مرزی شامل چندین مرحله است:

1. طراحی برای قابلیت آزمایش (DFT): الزامات قابلیت آزمایش را در طول فاز طراحی در نظر بگیرید. این شامل انتخاب ICهای سازگار با اسکن مرزی و اطمینان از پیکربندی صحیح زنجیره اسکن مرزی است. ملاحظات کلیدی DFT شامل به حداقل رساندن تعداد کنترل‌کننده‌های TAP روی یک برد (ممکن است کنترل‌کننده‌های TAP آبشاری در طرح‌های پیچیده مورد نیاز باشند) و اطمینان از یکپارچگی سیگنال خوب در سیگنال‌های JTAG است.
2. به دست آوردن فایل BSDL: فایل‌های BSDL را برای تمام ICهای سازگار با اسکن مرزی در طراحی به دست آورید. این فایل‌ها معمولاً توسط تولیدکنندگان IC ارائه می‌شوند.
3. تولید بردار تست: از نرم‌افزار اسکن مرزی برای تولید بردارهای تست بر اساس فایل‌های BSDL و لیست خالص طراحی استفاده کنید. نرم‌افزار به طور خودکار دنباله‌ای از سیگنال‌های مورد نیاز برای آزمایش اتصالات متقابل را ایجاد می‌کند. برخی از ابزارها، تولید الگوی تست خودکار (ATPG) را برای آزمایش اتصال متقابل ارائه می‌دهند.
4. اجرای تست: بردارهای تست را در سیستم ATE بارگذاری کرده و تست‌ها را اجرا کنید. سیستم ATE الگوهای تست را روی برد اعمال کرده و پاسخ‌ها را نظارت می‌کند.
5. تشخیص خطا: نتایج تست را برای شناسایی و جدا کردن خطاها تجزیه و تحلیل کنید. نرم‌افزار اسکن مرزی معمولاً اطلاعات تشخیصی دقیقی مانند محل اتصالات کوتاه و بازشدگی‌ها ارائه می‌دهد.
6. برنامه‌نویسی درون سیستمی (ISP): در صورت نیاز، از اسکن مرزی برای برنامه‌نویسی حافظه فلش یا پیکربندی دستگاه‌های قابل برنامه‌ریزی استفاده کنید.

چالش‌های اسکن مرزی

در حالی که اسکن مرزی مزایای قابل توجهی را ارائه می‌دهد، چالش‌هایی نیز وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند:

• هزینه ICهای سازگار با اسکن مرزی: ICهای سازگار با اسکن مرزی ممکن است گران‌تر از ICهای غیر سازگار با اسکن مرزی باشند. این به خصوص برای قطعات قدیمی یا کمتر رایج صدق می‌کند.
• در دسترس بودن و دقت فایل BSDL: فایل‌های BSDL دقیق و کامل برای تولید بردارهای تست مؤثر ضروری هستند. متاسفانه، فایل‌های BSDL همیشه به راحتی در دسترس نیستند یا ممکن است حاوی خطا باشند. همیشه قبل از استفاده از فایل‌های BSDL، آنها را تأیید کنید.
• پیچیدگی تولید بردار تست: تولید بردارهای تست برای طرح‌های پیچیده می‌تواند چالش برانگیز باشد و به نرم‌افزار و تخصص تخصصی نیاز دارد.
• دسترسی محدود به گره‌های داخلی: اسکن مرزی دسترسی به پایه‌های IC‌ها را فراهم می‌کند، اما دسترسی مستقیمی به گره‌های داخلی داخل IC‌ها ارائه نمی‌دهد.
• مشکلات یکپارچگی سیگنال: زنجیره‌های اسکن مرزی طولانی می‌توانند مشکلات یکپارچگی سیگنال را معرفی کنند، به ویژه در سرعت ساعت بالا. خاتمه مناسب و مسیریابی سیگنال ضروری است.

غلبه بر چالش‌های اسکن مرزی

استراتژی‌های زیادی برای غلبه بر محدودیت‌های اسکن مرزی وجود دارد:

• انتخاب استراتژیک قطعات: برای مناطق حیاتی طراحی که دسترسی به تست محدود است، قطعات سازگار با اسکن مرزی را انتخاب کنید.
• تأیید BSDL کامل: فایل‌های BSDL را با دقت مرور و اعتبار سنجی کنید تا از دقت اطمینان حاصل شود. در صورت یافتن خطا با سازنده قطعه تماس بگیرید.
• سرمایه‌گذاری در ابزارهای پیشرفته: از ابزارهای اسکن مرزی قدرتمندی استفاده کنید که از تولید الگوی تست خودکار (ATPG) و قابلیت‌های تشخیصی پیشرفته پشتیبانی می‌کنند.
• ترکیب اسکن مرزی با سایر تکنیک‌های تست: اسکن مرزی را با سایر روش‌های تست مانند تست عملکردی، تست درون مدار (ICT) و تست پروب پرنده ادغام کنید تا به پوشش تست جامع برسید.
• بهینه‌سازی توپولوژی زنجیره JTAG: مسیریابی زنجیره JTAG و تکنیک‌های خاتمه را به دقت اجرا کنید تا مشکلات یکپارچگی سیگنال به حداقل برسد. استفاده از بافرینگ یا سایر تکنیک‌های شرطی‌سازی سیگنال را در نظر بگیرید.

استانداردها و ابزارهای اسکن مرزی

سنگ بنای اسکن مرزی، استاندارد IEEE 1149.1 است. با این حال، چندین استاندارد و ابزار دیگر نقش‌های مهمی را ایفا می‌کنند:

• IEEE 1149.1 (JTAG): استاندارد بنیادینی که معماری و پروتکل اسکن مرزی را تعریف می‌کند.
• IEEE 1149.6 (شبکه‌های دیجیتال پیشرفته): اسکن مرزی را برای پشتیبانی از سیگنال‌دهی دیفرانسیل با سرعت بالا که در شبکه‌های دیجیتال پیشرفته یافت می‌شود، گسترش می‌دهد.
• BSDL (زبان توصیف اسکن مرزی): یک زبان استاندارد برای توصیف قابلیت‌های اسکن مرزی IC‌ها.
• SVF (فرمت بردار سریال) و STAPL (زبان تست و برنامه‌نویسی استاندارد): فرمت‌های فایل استاندارد برای ذخیره و تبادل بردارهای تست.

ابزارهای اسکن مرزی تجاری و منبع باز متعددی در دسترس هستند، از جمله:

• سیستم‌های ATE: پلتفرم‌های تست جامع از فروشندگانی مانند Keysight Technologies، Teradyne و National Instruments.
• ابزارهای اختصاصی اسکن مرزی: ابزارهای تخصصی از شرکت‌هایی مانند Corelis، Goepel electronic و XJTAG.
• راه‌حل‌های JTAG تعبیه‌شده: شبیه‌سازها و اشکال‌زداهای JTAG از شرکت‌هایی مانند Segger و Lauterbach.
• ابزارهای منبع باز: OpenOCD (Open On-Chip Debugger) و UrJTAG ابزارهای JTAG منبع باز محبوب هستند.

آینده اسکن مرزی

اسکن مرزی همچنان در حال تکامل است تا با چالش‌های الکترونیک مدرن مقابله کند.

• افزایش یکپارچه‌سازی: اسکن مرزی به طور فزاینده‌ای در IC‌ها ادغام می‌شود و امکان آزمایش و تشخیص جامع‌تر را فراهم می‌کند.
• قابلیت‌های اشکال‌زدایی پیشرفته: از اسکن مرزی برای وظایف اشکال‌زدایی پیشرفته‌تر، مانند تست حافظه و شبیه‌سازی CPU استفاده می‌شود.
• اسکن مرزی با سرعت بالا: تکنیک‌های جدیدی برای افزایش سرعت اسکن مرزی در حال توسعه هستند که امکان آزمایش و برنامه‌نویسی سریع‌تر را فراهم می‌کنند.
• برنامه‌های امنیتی: از اسکن مرزی برای افزایش امنیت دستگاه‌های الکترونیکی با ارائه یک کانال امن برای برنامه‌نویسی و تأیید استفاده می‌شود. توانایی دسترسی و پیکربندی مجدد دستگاه‌ها از راه دور از طریق JTAG، نگرانی‌های امنیتی را افزایش می‌دهد و نوآوری در اقدامات امنیتی را هدایت می‌کند.
• ادغام با دوقلوهای دیجیتال: از داده‌های اسکن مرزی می‌توان برای ایجاد دوقلوهای دیجیتال از مجموعه‌های الکترونیکی استفاده کرد و امکان نگهداری پیش‌بینی‌کننده و قابلیت اطمینان بهبود یافته را فراهم کرد.

در نتیجه، اسکن مرزی یک فناوری حیاتی برای اطمینان از کیفیت و قابلیت اطمینان الکترونیک مدرن است. با درک اصول، مزایا و پیاده‌سازی آن، مهندسان می‌توانند از اسکن مرزی برای بهبود پوشش تست، کاهش هزینه‌های آزمایش و تسریع زمان ورود به بازار استفاده کنند. با ادامه پیچیده‌تر شدن الکترونیک، اسکن مرزی به عنوان یک ابزار ضروری برای آزمایش سخت‌افزار باقی خواهد ماند.