Aparatinės įrangos testavimas: išsamus ribinės skenavimo (JTAG) vadovas

Nuolat besikeičiančiame elektronikos pasaulyje aparatinės įrangos kokybės ir patikimumo užtikrinimas yra svarbiausias prioritetas. Didėjant spausdintinių plokščių tankiui ir mažėjant komponentų dydžiui, tradiciniai testavimo metodai tampa vis sudėtingesni ir brangesni. Ribinis skenavimas, taip pat žinomas kaip JTAG (angl. Joint Test Action Group), siūlo galingą ir universalų sprendimą sudėtingų elektroninių mazgų testavimui. Šiame išsamiame vadove gilinamasi į ribinio skenavimo testavimo principus, privalumus, diegimą ir ateities tendencijas.

Kas yra ribinis skenavimas (JTAG)?

Ribinis skenavimas yra standartizuotas metodas, skirtas testuoti jungtis tarp integrinių grandynų (IG) spausdintinėje plokštėje (PCB) be fizinio zondavimo. Jis apibrėžtas IEEE 1149.1 standartu, kuris nurodo nuoseklųjį ryšio protokolą ir architektūrą, leidžiančią prieiti prie vidinių IG mazgų per specialų testavimo prievadą. Šį prievadą paprastai sudaro keturi arba penki signalai: TDI (testavimo duomenų įvestis), TDO (testavimo duomenų išvestis), TCK (testavimo taktinio dažnio signalas), TMS (testavimo režimo pasirinkimas) ir pasirinktinai TRST (testavimo nustatymas iš naujo).

Iš esmės ribinis skenavimas apima skenavimo ląstelių išdėstymą ties IG įvestimis ir išvestimis. Šios skenavimo ląstelės gali fiksuoti duomenis iš IG funkcinės logikos ir juos išstumti per testavimo prievadą. Ir atvirkščiai, duomenys gali būti įstumiami į skenavimo ląsteles iš testavimo prievado ir pritaikomi funkcinei logikai. Valdydami įstumiamus ir išstumiamus duomenis, inžinieriai gali testuoti jungtis tarp IG, nustatyti gedimus ir net programuoti įrenginius.

JTAG kilmė ir evoliucija

Didėjantis spausdintinių plokščių (PCB) sudėtingumas ir paviršinio montavimo technologija (SMT) devintajame dešimtmetyje tradicinį 'adatos guolio' testavimą padarė vis sudėtingesnį ir brangesnį. Dėl to buvo suformuota Jungtinė testavimo veiksmų grupė (JTAG), siekiant sukurti standartizuotą, ekonomišką PCB testavimo metodą. Rezultatas buvo IEEE 1149.1 standartas, oficialiai ratifikuotas 1990 metais.

Nuo to laiko JTAG iš testavimo technologijos, orientuotos daugiausia į gamybą, išsivystė į plačiai pritaikomą sprendimą įvairioms programoms, įskaitant:

Gamybos testavimas: Gamybos defektų, tokių kaip trumpi jungimai, atviros grandinės ir neteisingas komponentų išdėstymas, nustatymas.
Sisteminis programavimas (ISP): Flash atminties ir kitų programuojamų įrenginių programavimas po jų surinkimo ant PCB.
Plokštės paleidimas ir derinimas: Aparatinės įrangos problemų diagnozavimas projektavimo ir kūrimo etape.
FPGA konfigūravimas: FPGA konfigūravimas be išorinių programuotojų poreikio.
Saugumo programos: Saugus įrenginių programavimas ir tikrinimas bei saugumo auditų atlikimas.

Pagrindiniai ribinio skenavimo sistemos komponentai

Ribinio skenavimo sistemą paprastai sudaro šie komponentai:

Su ribiniu skenavimu suderinami IG: IG, kurie įgyvendina IEEE 1149.1 standartą ir turi ribinio skenavimo ląsteles.
Testavimo prieigos prievadas (TAP): Fizinė sąsaja ant IG, naudojama prieiti prie ribinio skenavimo logikos (TDI, TDO, TCK, TMS, TRST).
Testavimo prieigos prievado valdiklis (TAP valdiklis): Būsenų mašina IG viduje, valdanti ribinio skenavimo logikos veikimą.
Ribinio skenavimo registras (BSR): Poslinkio registras, kuriame yra ribinio skenavimo ląstelės.
Testavimo duomenų registrai (TDR): Registrai, naudojami duomenims įstumti ir išstumti iš IG testavimo metu. Įprasti TDR apima aplenkimo registrą, instrukcijų registrą ir vartotojo apibrėžtus registrus.
Ribinio skenavimo aprašymo kalbos (BSDL) failas: Tekstinis failas, aprašantis IG ribinio skenavimo galimybes, įskaitant kontaktų išdėstymą, skenavimo grandinės struktūrą ir instrukcijų rinkinį. BSDL failai yra būtini testavimo vektoriams generuoti.
Automatinė testavimo įranga (ATE): Sistema, kuri teikia stimulus ir matuoja testuojamo įrenginio (DUT) atsaką. ATE sistemos paprastai apima ribinio skenavimo valdiklius ir programinę įrangą.
Ribinio skenavimo programinė įranga: Programinė įranga, naudojama generuoti testavimo vektorius, valdyti ribinio skenavimo aparatinę įrangą ir analizuoti testavimo rezultatus.

Ribinio skenavimo testavimo privalumai

Ribinis skenavimas siūlo daugybę privalumų, palyginti su tradiciniais testavimo metodais:

Geresnė testavimo aprėptis: Ribinis skenavimas gali pasiekti didelę dalį mazgų PCB plokštėje, užtikrindamas aukštą testavimo aprėptį net ir sudėtinguose projektuose su ribota fizine prieiga.
Sutrumpintas testų kūrimo laikas: Ribinio skenavimo programinė įranga gali automatiškai generuoti testavimo vektorius iš BSDL failų, sumažindama laiką ir pastangas, reikalingas testavimo programoms kurti.
Mažesnės testavimo išlaidos: Ribinis skenavimas pašalina fizinio zondavimo poreikį, sumažindamas testavimo įtaisų kainą ir riziką sugadinti PCB.
Greitesnis gedimų nustatymas: Ribinis skenavimas teikia išsamią diagnostinę informaciją, leidžiančią inžinieriams greitai nustatyti ir izoliuoti gedimus.
Sisteminis programavimas (ISP): Ribinis skenavimas gali būti naudojamas programuoti Flash atmintį ir kitus programuojamus įrenginius po jų surinkimo ant PCB, supaprastinant gamybos procesą.
Sumažintas plokštės dydis ir kaina: Sumažinus testavimo taškų poreikį, ribinis skenavimas leidžia projektuoti mažesnes ir pigesnes plokštes.
Ankstyvas defektų nustatymas: Ribinio skenavimo įdiegimas projektavimo etape leidžia anksčiau nustatyti galimas gamybos problemas, sumažinant klaidų kainą vėlesniuose etapuose.

Ribinio skenavimo taikymo sritys

Ribinis skenavimas naudojamas įvairiose srityse, įskaitant:

Gamybos testavimas: Gamybos defektų, tokių kaip trumpi jungimai, atviros grandinės ir neteisingas komponentų išdėstymas, nustatymas.
Sisteminis programavimas (ISP): Flash atminties ir kitų programuojamų įrenginių programavimas po jų surinkimo ant PCB.
Plokštės paleidimas ir derinimas: Aparatinės įrangos problemų diagnozavimas projektavimo ir kūrimo etape.
FPGA konfigūravimas: FPGA konfigūravimas be išorinių programuotojų poreikio.
Saugumo programos: Saugus įrenginių programavimas ir tikrinimas bei saugumo auditų atlikimas.

Ribinio skenavimo pavyzdžiai praktikoje:

Telekomunikacijų įranga: Greitaeigių jungčių vientisumo tikrinimas sudėtingose tinklo sąsajos kortelėse. Įsivaizduokite telekomunikacijų įmonę Stokholme, kuriai reikia užtikrinti savo 5G infrastruktūros patikimumą. Ribinis skenavimas leidžia jiems greitai diagnozuoti ryšio problemas tankiai apgyvendintose plokštėse.
Automobilių elektronika: Elektroninių valdymo blokų (ECU) funkcionalumo testavimas automobiliuose. Pavyzdžiui, gamintojas Štutgarte naudoja ribinį skenavimą, kad patikrintų ryšį tarp variklio valdymo bloko ir transmisijos valdymo bloko.
Aviacija ir gynyba: Kritinių elektroninių sistemų patikimumo užtikrinimas orlaiviuose ir karinėje įrangoje. Gynybos rangovas Jungtinėse Valstijose gali naudoti ribinį skenavimą, kad patikrintų komponentų jungtis skrydžio valdymo sistemoje, kur patikimumas yra svarbiausias.
Pramoninė automatika: Gedimų diagnozavimas ir taisymas programuojamuosiuose loginiuose valdikliuose (PLC) ir kitoje pramoninėje įrangoje. Įsivaizduokite gamyklą Japonijoje, kuri naudoja ribinį skenavimą, kad greitai nustatytų sugedusią jungtį PLC, valdančiame robotinę ranką.
Medicinos prietaisai: Elektroninių komponentų funkcionalumo tikrinimas medicinos prietaisuose, tokiuose kaip širdies stimuliatoriai ir defibriliatoriai. Medicinos prietaisų gamintojas Šveicarijoje naudoja ribinį skenavimą, kad užtikrintų ryšio kelių patikimumą gyvybę gelbstinčiame prietaise.

Ribinio skenavimo diegimas: žingsnis po žingsnio vadovas

Ribinio skenavimo diegimas apima kelis žingsnius:

Projektavimas testavimui (DFT): Projektavimo etape atsižvelkite į testuojamumo reikalavimus. Tai apima su ribiniu skenavimu suderinamų IG pasirinkimą ir tinkamą ribinio skenavimo grandinės konfigūravimą. Pagrindiniai DFT aspektai apima TAP valdiklių skaičiaus minimizavimą plokštėje (sudėtinguose projektuose gali prireikti kaskadinių TAP valdiklių) ir gero signalo vientisumo užtikrinimą JTAG signaluose.
BSDL failų gavimas: Gaukite BSDL failus visiems su ribiniu skenavimu suderinamiems IG projekte. Šiuos failus paprastai pateikia IG gamintojai.
Testavimo vektorių generavimas: Naudokite ribinio skenavimo programinę įrangą, kad sugeneruotumėte testavimo vektorius, remiantis BSDL failais ir projekto tinklo sąrašu. Programinė įranga automatiškai sukurs signalų sekas, reikalingas jungtims testuoti. Kai kurie įrankiai siūlo automatinį testavimo šablonų generavimą (ATPG) jungčių testavimui.
Testo vykdymas: Įkelkite testavimo vektorius į ATE sistemą ir vykdykite testus. ATE sistema pritaikys testavimo šablonus plokštei ir stebės atsakus.
Gedimų diagnozavimas: Analizuokite testavimo rezultatus, kad nustatytumėte ir izoliuotumėte gedimus. Ribinio skenavimo programinė įranga paprastai teikia išsamią diagnostinę informaciją, pavyzdžiui, trumpųjų jungimų ir atvirų grandinių vietą.
Sisteminis programavimas (ISP): Jei reikia, naudokite ribinį skenavimą, kad programuotumėte Flash atmintį ar konfigūruotumėte programuojamus įrenginius.

Ribinio skenavimo iššūkiai

Nors ribinis skenavimas siūlo didelių privalumų, taip pat yra iššūkių, į kuriuos reikia atsižvelgti:

Su ribiniu skenavimu suderinamų IG kaina: Su ribiniu skenavimu suderinami IG gali būti brangesni nei nesuderinami IG. Tai ypač pasakytina apie senesnius ar retesnius komponentus.
BSDL failų prieinamumas ir tikslumas: Tikslūs ir išsamūs BSDL failai yra būtini norint sugeneruoti efektyvius testavimo vektorius. Deja, BSDL failai ne visada yra lengvai prieinami arba juose gali būti klaidų. Visada patikrinkite BSDL failus prieš juos naudodami.
Testavimo vektorių generavimo sudėtingumas: Generuoti testavimo vektorius sudėtingiems projektams gali būti iššūkis, reikalaujantis specializuotos programinės įrangos ir patirties.
Ribota prieiga prie vidinių mazgų: Ribinis skenavimas suteikia prieigą prie IG kontaktų, tačiau nesuteikia tiesioginės prieigos prie vidinių mazgų pačiuose IG.
Signalo vientisumo problemos: Ilgos ribinio skenavimo grandinės gali sukelti signalo vientisumo problemų, ypač esant dideliems taktiniams dažniams. Būtinas tinkamas grandinės užbaigimas ir signalų trasavimas.

Ribinio skenavimo iššūkių įveikimas

Yra daug strategijų, kaip įveikti ribinio skenavimo apribojimus:

Strateginis komponentų pasirinkimas: Pasirinkite su ribiniu skenavimu suderinamus komponentus kritinėms projekto sritims, kur testavimo prieiga yra ribota.
Kruopštus BSDL patikrinimas: Atidžiai peržiūrėkite ir patvirtinkite BSDL failų tikslumą. Radę klaidų, susisiekite su komponento gamintoju.
Investavimas į pažangius įrankius: Naudokite galingus ribinio skenavimo įrankius, kurie palaiko automatinį testavimo šablonų generavimą (ATPG) ir pažangias diagnostikos galimybes.
Ribinio skenavimo derinimas su kitomis testavimo technikomis: Integruokite ribinį skenavimą su kitais testavimo metodais, tokiais kaip funkcinis testavimas, vidinės grandinės testavimas (ICT) ir skraidančio zondo testavimas, kad pasiektumėte visapusišką testavimo aprėptį.
JTAG grandinės topologijos optimizavimas: Įgyvendinkite kruopštaus JTAG grandinės trasavimo ir užbaigimo technikas, kad sumažintumėte signalo vientisumo problemas. Apsvarstykite galimybę naudoti buferizavimą ar kitas signalo kondicionavimo technikas.

Ribinio skenavimo standartai ir įrankiai

Ribinio skenavimo pagrindas yra IEEE 1149.1 standartas. Tačiau keli kiti standartai ir įrankiai taip pat atlieka svarbų vaidmenį:

IEEE 1149.1 (JTAG): Pagrindinis standartas, apibrėžiantis ribinio skenavimo architektūrą ir protokolą.
IEEE 1149.6 (Pažangūs skaitmeniniai tinklai): Išplečia ribinį skenavimą, kad palaikytų greitaeigį, diferencialinį signalizavimą, randamą pažangiuose skaitmeniniuose tinkluose.
BSDL (Ribinio skenavimo aprašymo kalba): Standartizuota kalba, skirta aprašyti IG ribinio skenavimo galimybes.
SVF (Nuoseklaus vektoriaus formatas) ir STAPL (Standartinė testavimo ir programavimo kalba): Standartizuoti failų formatai, skirti saugoti ir keistis testavimo vektoriais.

Yra daugybė komercinių ir atvirojo kodo ribinio skenavimo įrankių, įskaitant:

ATE sistemos: Išsamios testavimo platformos iš tiekėjų, tokių kaip Keysight Technologies, Teradyne ir National Instruments.
Specializuoti ribinio skenavimo įrankiai: Specializuoti įrankiai iš tokių kompanijų kaip Corelis, Goepel electronic ir XJTAG.
Įterptiniai JTAG sprendimai: JTAG emuliatoriai ir derintuvai iš tokių kompanijų kaip Segger ir Lauterbach.
Atvirojo kodo įrankiai: OpenOCD (Open On-Chip Debugger) ir UrJTAG yra populiarūs atvirojo kodo JTAG įrankiai.

Ribinio skenavimo ateitis

Ribinis skenavimas ir toliau vystosi, kad atitiktų šiuolaikinės elektronikos iššūkius.

Didesnė integracija: Ribinis skenavimas vis labiau integruojamas į IG, leidžiant atlikti išsamesnį testavimą ir diagnostiką.
Pažangios derinimo galimybės: Ribinis skenavimas naudojamas sudėtingesnėms derinimo užduotims, tokioms kaip atminties testavimas ir CPU emuliacija.
Greitaeigis ribinis skenavimas: Kuriamos naujos technikos, siekiant padidinti ribinio skenavimo greitį, leidžiančios greitesnį testavimą ir programavimą.
Saugumo programos: Ribinis skenavimas naudojamas elektroninių prietaisų saugumui didinti, suteikiant saugų kanalą programavimui ir patikrinimui. Galimybė nuotoliniu būdu pasiekti ir perkonfigūruoti įrenginius per JTAG kelia saugumo susirūpinimą, skatindama inovacijas saugumo priemonėse.
Integracija su skaitmeniniais dvyniais: Ribinio skenavimo duomenys gali būti naudojami kuriant elektroninių mazgų skaitmeninius dvynius, leidžiančius atlikti nuspėjamąją techninę priežiūrą ir pagerinti patikimumą.

Apibendrinant, ribinis skenavimas yra gyvybiškai svarbi technologija, užtikrinanti šiuolaikinės elektronikos kokybę ir patikimumą. Suprasdami jo principus, privalumus ir diegimą, inžinieriai gali pasinaudoti ribiniu skenavimu, kad pagerintų testavimo aprėptį, sumažintų testavimo išlaidas ir pagreitintų pateikimą į rinką. Elektronikai tampant vis sudėtingesnei, ribinis skenavimas išliks esminiu įrankiu aparatinės įrangos testavimui.