Laitteistotestaus: Kattava opas Boundary Scan -testaukseen (JTAG)

Elektroniikan jatkuvasti kehittyvässä maailmassa laitteiston laadun ja luotettavuuden varmistaminen on ensiarvoisen tärkeää. Piirilevyjen tiheyksien kasvaessa ja komponenttien kokojen pienentyessä perinteisistä testimenetelmistä tulee yhä haastavampia ja kalliimpia. Boundary Scan, joka tunnetaan myös nimellä JTAG (Joint Test Action Group), tarjoaa tehokkaan ja monipuolisen ratkaisun monimutkaisten elektronisten kokoonpanojen testaamiseen. Tämä kattava opas perehtyy Boundary Scan -testauksen periaatteisiin, hyötyihin, toteutukseen ja tulevaisuuden suuntauksiin.

Mikä on Boundary Scan (JTAG)?

Boundary Scan on standardoitu menetelmä integroitujen piirien (IC) välisten kytkentöjen testaamiseen painetulla piirilevyllä (PCB) ilman fyysistä mittapäätä. Sen määrittelee IEEE 1149.1 -standardi, joka määrittää sarjamuotoisen tiedonsiirtoprotokollan ja -arkkitehtuurin, joka mahdollistaa pääsyn IC:n sisäisiin solmuihin erillisen testausportin kautta. Tämä portti koostuu tyypillisesti neljästä tai viidestä signaalista: TDI (Test Data In), TDO (Test Data Out), TCK (Test Clock), TMS (Test Mode Select) ja valinnaisesti TRST (Test Reset).

Ytimeltään Boundary Scan sisältää skannauskennojen sijoittamisen IC:iden tuloihin ja lähtöihin. Nämä skannauskennot voivat kaapata tietoja IC:n toiminnallisesta logiikasta ja siirtää ne ulos testausportin kautta. Vastaavasti tietoja voidaan siirtää skannauskennoihin testausportista ja soveltaa toiminnalliseen logiikkaan. Ohjaamalla sisään ja ulos siirrettyjä tietoja insinöörit voivat testata IC:iden välisiä yhteyksiä, tunnistaa vikoja ja jopa ohjelmoida laitteita.

JTAG:n alkuperä ja kehitys

Painettujen piirilevyjen (PCB) ja pintaliitostekniikan (SMT) lisääntyvä monimutkaisuus 1980-luvulla teki perinteisestä 'neulapatja'-testauksesta yhä vaikeampaa ja kalliimpaa. Tämän seurauksena Joint Test Action Group (JTAG) perustettiin kehittämään standardoitu ja kustannustehokas menetelmä piirilevyjen testaamiseen. Tuloksena oli IEEE 1149.1 -standardi, joka ratifioitiin virallisesti vuonna 1990.

Sen jälkeen JTAG on kehittynyt pääasiassa valmistukseen keskittyvästä testiteknologiasta laajalti käytössä olevaksi ratkaisuksi erilaisiin sovelluksiin, kuten:

Valmistustestaus: Valmistusvirheiden, kuten oikosulkujen, avoimien piirien ja virheellisen komponenttien sijoittelun havaitseminen.
In-System Programming (ISP): Flash-muistin ja muiden ohjelmoitavien laitteiden ohjelmointi sen jälkeen, kun ne on asennettu piirilevylle.
Levyn käyttöönotto ja virheenkorjaus: Laitteisto-ongelmien diagnosointi suunnittelu- ja kehitysvaiheessa.
FPGA-kokoonpano: FPGA:iden määrittäminen ilman ulkoisia ohjelmoijia.
Turvallisuussovellukset: Laitteiden turvallinen ohjelmointi ja varmentaminen sekä turvallisuustarkastusten suorittaminen.

Boundary Scan -järjestelmän avainkomponentit

Boundary Scan -järjestelmä koostuu tyypillisesti seuraavista komponenteista:

Boundary Scan -yhteensopivat IC:t: IC:t, jotka toteuttavat IEEE 1149.1 -standardin ja sisältävät boundary scan -kennoja.
Test Access Port (TAP): Fyysinen liitäntä IC:ssä, jota käytetään boundary scan -logiikan käyttämiseen (TDI, TDO, TCK, TMS, TRST).
Test Access Port Controller (TAP Controller): IC:n sisällä oleva tilakone, joka ohjaa boundary scan -logiikan toimintaa.
Boundary Scan Register (BSR): Siirtorekisteri, joka sisältää boundary scan -kennot.
Test Data Registers (TDR): Rekisterit, joita käytetään tietojen siirtämiseen IC:hen ja sieltä pois testauksen aikana. Yleisiä TDR-rekistereitä ovat ohitusrekisteri, instruktiorekisteri ja käyttäjän määrittämät rekisterit.
Boundary Scan Description Language (BSDL) File: Tekstitiedosto, joka kuvaa IC:n boundary scan -ominaisuuksia, mukaan lukien nastajärjestys, skannausketjun rakenne ja ohjejoukko. BSDL-tiedostot ovat välttämättömiä testivektorien luomiseksi.
Automated Test Equipment (ATE): Järjestelmä, joka tarjoaa stimuluksen ja mittaa testattavan laitteen (DUT) vasteen. ATE-järjestelmät sisältävät tyypillisesti Boundary Scan -ohjaimia ja -ohjelmistoja.
Boundary Scan -ohjelmisto: Ohjelmisto, jota käytetään testivektorien luomiseen, Boundary Scan -laitteiston ohjaamiseen ja testitulosten analysointiin.

Boundary Scan -testauksen edut

Boundary Scan tarjoaa lukuisia etuja perinteisiin testimenetelmiin verrattuna:

Parempi testikattavuus: Boundary Scan voi käyttää suurta prosenttiosuutta piirilevyn solmuista, mikä tarjoaa korkean testikattavuuden jopa monimutkaisille malleille, joissa on rajoitettu fyysinen pääsy.
Lyhyempi testin kehitysaika: Boundary Scan -ohjelmisto voi automaattisesti luoda testivektoreita BSDL-tiedostoista, mikä lyhentää testiohjelmien kehittämiseen kuluvaa aikaa ja vaivaa.
Alhaisemmat testauskustannukset: Boundary Scan poistaa fyysisen mittapään tarpeen, mikä alentaa testikiinnikkeiden kustannuksia ja piirilevyn vahingoittumisriskiä.
Nopeampi vian eristys: Boundary Scan tarjoaa yksityiskohtaista diagnostiikkatietoa, jonka avulla insinöörit voivat nopeasti tunnistaa ja eristää vikoja.
In-System Programming (ISP): Boundary Scan -testausta voidaan käyttää flash-muistin ja muiden ohjelmoitavien laitteiden ohjelmointiin sen jälkeen, kun ne on asennettu piirilevylle, mikä yksinkertaistaa valmistusprosessia.
Pienempi levyn koko ja alhaisemmat kustannukset: Vähentämällä testauspisteiden tarvetta Boundary Scan mahdollistaa pienempien ja edullisempien levyjen suunnittelun.
Vikojen varhainen havaitseminen: Boundary Scan -testauksen toteuttaminen suunnitteluvaiheessa mahdollistaa mahdollisten valmistusongelmien varhaisemman havaitsemisen, mikä vähentää virheiden kustannuksia myöhemmissä vaiheissa.

Boundary Scan -sovellukset

Boundary Scan -testausta käytetään monissa eri sovelluksissa, kuten:

Valmistustestaus: Valmistusvirheiden, kuten oikosulkujen, avoimien piirien ja virheellisen komponenttien sijoittelun havaitseminen.
In-System Programming (ISP): Flash-muistin ja muiden ohjelmoitavien laitteiden ohjelmointi sen jälkeen, kun ne on asennettu piirilevylle.
Levyn käyttöönotto ja virheenkorjaus: Laitteisto-ongelmien diagnosointi suunnittelu- ja kehitysvaiheessa.
FPGA-kokoonpano: FPGA:iden määrittäminen ilman ulkoisia ohjelmoijia.
Turvallisuussovellukset: Laitteiden turvallinen ohjelmointi ja varmentaminen sekä turvallisuustarkastusten suorittaminen.

Esimerkkejä Boundary Scan -testauksen käytöstä:

Telekommunikaatiolaitteet: Suurten nopeuksien kytkentöjen eheyden varmistaminen monimutkaisilla verkkoliitäntäkorteilla. Kuvittele telekommunikaatioyritys Tukholmassa, jonka on varmistettava 5G-infrastruktuurinsa luotettavuus. Boundary Scan -testaus mahdollistaa niiden nopean diagnosoinnin liitäntäongelmat tiheästi asutuilla korteilla.
Autoelektroniikka: Autojen elektronisten ohjausyksiköiden (ECU) toimivuuden testaaminen. Esimerkiksi valmistaja Stuttgartissa käyttää Boundary Scan -testausta moottorinohjausyksikön ja vaihteiston ohjausyksikön välisen tiedonsiirron testaamiseen.
Ilmailu ja puolustus: Kriittisten elektronisten järjestelmien luotettavuuden varmistaminen lentokoneissa ja sotilaskalustossa. Yhdysvaltalainen puolustusalan urakoitsija voi käyttää Boundary Scan -testausta lentokoneen ohjausjärjestelmän komponenttien liitettävyyden varmistamiseen, jossa luotettavuus on ensiarvoisen tärkeää.
Teollisuusautomaatio: Ohjelmoitavien logiikkaohjainten (PLC) ja muiden teollisuuslaitteiden vikojen diagnosointi ja korjaaminen. Harkitse japanilaista tehdasta, joka käyttää Boundary Scan -testausta robotin vartta ohjaavan PLC:n viallisen liitännän tunnistamiseen nopeasti.
Lääkinnälliset laitteet: Lääkinnällisten laitteiden, kuten sydämentahdistimien ja defibrillaattoreiden, elektronisten komponenttien toimivuuden varmistaminen. Sveitsiläinen lääkinnällisten laitteiden valmistaja käyttää Boundary Scan -testausta varmistaakseen hengenpelastuslaitteen tiedonsiirtoreittien luotettavuuden.

Boundary Scan -testauksen toteuttaminen: vaiheittainen opas

Boundary Scan -testauksen toteuttaminen sisältää useita vaiheita:

Design for Testability (DFT): Ota huomioon testattavuusvaatimukset suunnitteluvaiheessa. Tähän sisältyy Boundary Scan -yhteensopivien IC:iden valitseminen ja sen varmistaminen, että Boundary Scan -ketju on määritetty oikein. Tärkeimpiä DFT-näkökohdat ovat TAP-ohjaimien lukumäärän minimointi levyllä (TAP-ohjaimien ketjutus saattaa olla tarpeen monimutkaisissa malleissa) ja hyvän signaalin eheyden varmistaminen JTAG-signaaleissa.
BSDL-tiedoston hankinta: Hanki BSDL-tiedostot kaikille suunnittelun Boundary Scan -yhteensopiville IC:ille. IC-valmistajat toimittavat yleensä nämä tiedostot.
Testivektorin generointi: Luo testivektorit BSDL-tiedostojen ja suunnittelun nettilistan perusteella Boundary Scan -ohjelmistolla. Ohjelmisto luo automaattisesti kytkentöjen testaamiseen tarvittavat signaalisekvenssit. Jotkin työkalut tarjoavat automaattisen testikuvioiden generoinnin (ATPG) kytkentöjen testaamiseen.
Testin suoritus: Lataa testivektorit ATE-järjestelmään ja suorita testit. ATE-järjestelmä soveltaa testimallit levylle ja valvoo vasteita.
Vianmääritys: Analysoi testitulokset vikojen tunnistamiseksi ja eristämiseksi. Boundary Scan -ohjelmisto tarjoaa tyypillisesti yksityiskohtaista diagnostiikkatietoa, kuten oikosulkujen ja avoimien piirien sijainnin.
In-System Programming (ISP): Käytä tarvittaessa Boundary Scan -testausta flash-muistin ohjelmointiin tai ohjelmoitavien laitteiden määrittämiseen.

Boundary Scan -testauksen haasteet

Vaikka Boundary Scan tarjoaa merkittäviä etuja, on myös haasteita, jotka on otettava huomioon:

Boundary Scan -yhteensopivien IC:iden kustannukset: Boundary Scan -yhteensopivat IC:t voivat olla kalliimpia kuin ei-Boundary Scan -yhteensopivat IC:t. Tämä pätee erityisesti vanhempiin tai harvinaisempiin komponentteihin.
BSDL-tiedostojen saatavuus ja tarkkuus: Tarkat ja täydelliset BSDL-tiedostot ovat välttämättömiä tehokkaiden testivektorien luomiseksi. Valitettavasti BSDL-tiedostot eivät aina ole helposti saatavilla tai ne voivat sisältää virheitä. Tarkista aina BSDL-tiedostot ennen niiden käyttöä.
Testivektorin generoinnin monimutkaisuus: Testivektorien luominen monimutkaisiin malleihin voi olla haastavaa, mikä edellyttää erikoistuneita ohjelmistoja ja asiantuntemusta.
Rajoitettu pääsy sisäisiin solmuihin: Boundary Scan tarjoaa pääsyn IC:iden nastoihin, mutta se ei tarjoa suoraa pääsyä IC:iden sisällä oleviin sisäisiin solmuihin.
Signaalin eheyden ongelmat: Pitkät Boundary Scan -ketjut voivat aiheuttaa signaalin eheyden ongelmia, erityisesti suurilla kellotaajuuksilla. Asianmukainen päättäminen ja signaalin reititys ovat välttämättömiä.

Boundary Scan -testauksen haasteiden voittaminen

On olemassa monia strategioita, joilla voidaan voittaa Boundary Scan -testauksen rajoitukset:

Strateginen komponenttien valinta: Valitse Boundary Scan -yhteensopivat komponentit suunnittelun kriittisille alueille, joissa testipääsy on rajoitettu.
Perusteellinen BSDL-vahvistus: Tarkista ja validoi BSDL-tiedostot huolellisesti tarkkuuden varmistamiseksi. Ota yhteyttä komponentin valmistajaan, jos virheitä löytyy.
Investointi kehittyneisiin työkaluihin: Käytä tehokkaita Boundary Scan -työkaluja, jotka tukevat automaattista testikuvioiden generointia (ATPG) ja kehittyneitä diagnostiikkaominaisuuksia.
Boundary Scan -testauksen yhdistäminen muihin testaustekniikoihin: Integroi Boundary Scan -testaus muihin testimenetelmiin, kuten toiminnalliseen testaukseen, piirissä tehtävään testaukseen (ICT) ja lentävän koettimen testaukseen kattavan testikattavuuden saavuttamiseksi.
JTAG-ketjun topologian optimointi: Toteuta huolellinen JTAG-ketjun reititys ja päättämistekniikat minimoidaksesi signaalin eheyden ongelmat. Harkitse puskuroinnin tai muiden signaalinmuokkaustekniikoiden käyttöä.

Boundary Scan -standardit ja -työkalut

Boundary Scan -testauksen kulmakivi on IEEE 1149.1 -standardi. Useat muut standardit ja työkalut ovat kuitenkin ratkaisevassa roolissa:

IEEE 1149.1 (JTAG): Perusstandardi, joka määrittää Boundary Scan -arkkitehtuurin ja -protokollan.
IEEE 1149.6 (Advanced Digital Networks): Laajentaa Boundary Scan -testausta tukemaan suurinopeuksista, differentiaalista signalointia, jota löytyy kehittyneistä digitaalisista verkoista.
BSDL (Boundary Scan Description Language): Standardoitu kieli IC:iden Boundary Scan -ominaisuuksien kuvaamiseen.
SVF (Serial Vector Format) ja STAPL (Standard Test and Programming Language): Standardoidut tiedostomuodot testivektorien tallentamiseen ja vaihtamiseen.

Saatavilla on lukuisia kaupallisia ja avoimen lähdekoodin Boundary Scan -työkaluja, kuten:

ATE-järjestelmät: Kattavat testialustat myyjiltä, kuten Keysight Technologies, Teradyne ja National Instruments.
Omat Boundary Scan -työkalut: Erikoistuneet työkalut yrityksiltä, kuten Corelis, Goepel electronic ja XJTAG.
Sulautetut JTAG-ratkaisut: JTAG-emulaattorit ja virheenkorjaimet yrityksiltä, kuten Segger ja Lauterbach.
Avoimen lähdekoodin työkalut: OpenOCD (Open On-Chip Debugger) ja UrJTAG ovat suosittuja avoimen lähdekoodin JTAG-työkaluja.

Boundary Scan -testauksen tulevaisuus

Boundary Scan kehittyy jatkuvasti vastaamaan nykyajan elektroniikan haasteisiin.

Lisääntynyt integrointi: Boundary Scan -testausta integroidaan yhä enemmän IC:ihin, mikä mahdollistaa kattavamman testauksen ja diagnostiikan.
Kehittyneet virheenkorjausominaisuudet: Boundary Scan -testausta käytetään kehittyneempiin virheenkorjaustehtäviin, kuten muistin testaukseen ja CPU-emulointiin.
Suurinopeuksinen Boundary Scan: Uusia tekniikoita kehitetään Boundary Scan -testauksen nopeuden lisäämiseksi, mikä mahdollistaa nopeamman testauksen ja ohjelmoinnin.
Turvallisuussovellukset: Boundary Scan -testausta käytetään elektronisten laitteiden turvallisuuden parantamiseen tarjoamalla suojattu kanava ohjelmointiin ja varmentamiseen. Mahdollisuus käyttää ja määrittää laitteita uudelleen etänä JTAG:n kautta herättää turvallisuushuolia, mikä edistää innovaatioita turvatoimissa.
Integrointi digitaalisten kaksosten kanssa: Boundary Scan -tietoja voidaan käyttää elektronisten kokoonpanojen digitaalisten kaksosten luomiseen, mikä mahdollistaa ennakoivan huollon ja parantaa luotettavuutta.

Yhteenvetona voidaan todeta, että Boundary Scan on elintärkeä tekniikka nykyaikaisen elektroniikan laadun ja luotettavuuden varmistamiseksi. Ymmärtämällä sen periaatteet, hyödyt ja toteutuksen insinöörit voivat hyödyntää Boundary Scan -testausta testikattavuuden parantamiseen, testauskustannusten alentamiseen ja markkinoilletuloajan nopeuttamiseen. Elektroniikan monimutkaistuessa Boundary Scan säilyy olennaisena työkaluna laitteistotestauksessa.