Aparatūras testēšana: Visaptveroša rokasgrāmata par robežskenēšanu (JTAG)

Elektronikas pasaulē, kas nepārtraukti attīstās, aparatūras kvalitātes un uzticamības nodrošināšana ir vissvarīgākā. Tā kā shēmas plates blīvums palielinās un komponentu izmēri samazinās, tradicionālās testēšanas metodes kļūst arvien sarežģītākas un dārgākas. Robežskenēšana, kas pazīstama arī kā JTAG (Joint Test Action Group), nodrošina jaudīgu un daudzpusīgu risinājumu sarežģītu elektronisko mezglu testēšanai. Šī visaptverošā rokasgrāmata iedziļinās robežskenēšanas testēšanas principos, ieguvumos, ieviešanā un nākotnes tendencēs.

Kas ir robežskenēšana (JTAG)?

Robežskenēšana ir standartizēta metode integrēto shēmu (IS) savienojumu testēšanai uz iespiedshēmas plates (PCB) bez fiziskas zondēšanas. To nosaka IEEE 1149.1 standarts, kas nosaka seriālās komunikācijas protokolu un arhitektūru, kas nodrošina piekļuvi IS iekšējiem mezgliem caur īpašu testa portu. Šis ports parasti sastāv no četriem vai pieciem signāliem: TDI (Test Data In), TDO (Test Data Out), TCK (Test Clock), TMS (Test Mode Select) un pēc izvēles TRST (Test Reset).

Būtībā robežskenēšana ietver skenēšanas elementu izvietošanu IS ieejās un izejās. Šie skenēšanas elementi var uztvert datus no IS funkcionālās loģikas un izvirzīt tos caur testa portu. Savukārt datus var iebīdīt skenēšanas elementos no testa porta un pielietot funkcionālajai loģikai. Kontrolējot iebīdītos un izvirzītos datus, inženieri var pārbaudīt savienojamību starp IS, identificēt defektus un pat ieprogrammēt ierīces.

JTAG izcelsme un attīstība

Iespiežamo shēmu plates (PCB) un virsmas montāžas tehnoloģijas (SMT) pieaugošā sarežģītība 20. gadsimta 80. gados padarīja tradicionālo 'adatu gultas' testēšanu arvien grūtāku un dārgāku. Tā rezultātā tika izveidota Apvienotā testa rīcības grupa (JTAG), lai izstrādātu standartizētu, rentablu metodi PCB testēšanai. Rezultāts bija IEEE 1149.1 standarts, kas oficiāli tika ratificēts 1990. gadā.

Kopš tā laika JTAG no galvenokārt uz ražošanu orientētas testēšanas tehnoloģijas ir attīstījusies par plaši izmantotu risinājumu dažādām lietojumprogrammām, tostarp:

Ražošanas tests: Ražošanas defektu, piemēram, īssavienojumu, atvērtu ķēžu un nepareizas komponentu izvietošanas, noteikšana.
Sistēmas iekšējā programmēšana (ISP): Zibatmiņas un citu programmējamu ierīču programmēšana pēc to samontēšanas uz PCB.
Plates iedarbināšana un atkļūdošana: Aparatūras problēmu diagnosticēšana projektēšanas un izstrādes posmā.
FPGA konfigurācija: FPGA konfigurēšana bez ārēju programmētāju nepieciešamības.
Drošības lietojumprogrammas: Ierīču droša programmēšana un verifikācija, kā arī drošības auditu veikšana.

Robežskenēšanas sistēmas galvenās sastāvdaļas

Robežskenēšanas sistēma parasti sastāv no šādām sastāvdaļām:

Robežskenēšanai saderīgas IS: Integrētās shēmas, kas ievieš IEEE 1149.1 standartu un ietver robežskenēšanas elementus.
Testa piekļuves ports (TAP): Fiziskais interfeiss uz IS, ko izmanto, lai piekļūtu robežskenēšanas loģikai (TDI, TDO, TCK, TMS, TRST).
Testa piekļuves porta kontrolieris (TAP kontrolieris): Stāvokļa automāts IS iekšienē, kas kontrolē robežskenēšanas loģikas darbību.
Robežskenēšanas reģistrs (BSR): Pārbīdes reģistrs, kas satur robežskenēšanas elementus.
Testa datu reģistri (TDR): Reģistri, ko izmanto datu pārbīdīšanai uz un no IS testēšanas laikā. Bieži TDR ietver apvedceļa reģistru (Bypass Register), instrukciju reģistru (Instruction Register) un lietotāja definētus reģistrus.
Robežskenēšanas apraksta valodas (BSDL) fails: Teksta fails, kas apraksta IS robežskenēšanas iespējas, tostarp kontaktu izkārtojumu, skenēšanas ķēdes struktūru un instrukciju kopu. BSDL faili ir būtiski testa vektoru ģenerēšanai.
Automatizētas testēšanas iekārtas (ATE): Sistēma, kas nodrošina stimulu un mēra testējamās ierīces (DUT) reakciju. ATE sistēmas parasti ietver robežskenēšanas kontrolierus un programmatūru.
Robežskenēšanas programmatūra: Programmatūra, ko izmanto testa vektoru ģenerēšanai, robežskenēšanas aparatūras kontrolei un testa rezultātu analīzei.

Robežskenēšanas testēšanas priekšrocības

Robežskenēšana piedāvā daudzas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām testēšanas metodēm:

Uzlabots testa pārklājums: Robežskenēšana var piekļūt lielai daļai mezglu uz PCB, nodrošinot augstu testa pārklājumu, pat sarežģītiem dizainiem ar ierobežotu fizisku piekļuvi.
Samazināts testa izstrādes laiks: Robežskenēšanas programmatūra var automātiski ģenerēt testa vektorus no BSDL failiem, samazinot laiku un pūles, kas nepieciešamas testa programmu izstrādei.
Zemākas testēšanas izmaksas: Robežskenēšana novērš nepieciešamību pēc fiziskas zondēšanas, samazinot testa armatūras izmaksas un PCB bojājumu risku.
Ātrāka defektu izolēšana: Robežskenēšana sniedz detalizētu diagnostikas informāciju, ļaujot inženieriem ātri identificēt un izolēt defektus.
Sistēmas iekšējā programmēšana (ISP): Robežskenēšanu var izmantot zibatmiņas un citu programmējamu ierīču programmēšanai pēc to samontēšanas uz PCB, vienkāršojot ražošanas procesu.
Samazināts plates izmērs un izmaksas: Samazinot vajadzību pēc testa punktiem, robežskenēšana ļauj projektēt mazākas un lētākas plates.
Agrīna defektu noteikšana: Robežskenēšanas ieviešana projektēšanas fāzē ļauj agrāk noteikt iespējamās ražošanas problēmas, samazinot kļūdu izmaksas vēlākos posmos.

Robežskenēšanas pielietojumi

Robežskenēšana tiek izmantota plašā lietojumu klāstā, tostarp:

Ražošanas tests: Ražošanas defektu, piemēram, īssavienojumu, atvērtu ķēžu un nepareizas komponentu izvietošanas, noteikšana.
Sistēmas iekšējā programmēšana (ISP): Zibatmiņas un citu programmējamu ierīču programmēšana pēc to samontēšanas uz PCB.
Plates iedarbināšana un atkļūdošana: Aparatūras problēmu diagnosticēšana projektēšanas un izstrādes posmā.
FPGA konfigurācija: FPGA konfigurēšana bez ārēju programmētāju nepieciešamības.
Drošības lietojumprogrammas: Ierīču droša programmēšana un verifikācija, kā arī drošības auditu veikšana.

Robežskenēšanas piemēri praksē:

Telekomunikāciju aprīkojums: Lieljaudas starpsavienojumu integritātes pārbaude uz sarežģītām tīkla saskarnes kartēm. Iedomājieties telekomunikāciju uzņēmumu Stokholmā, kam nepieciešams nodrošināt savas 5G infrastruktūras uzticamību. Robežskenēšana ļauj ātri diagnosticēt savienojamības problēmas blīvi apdzīvotās platēs.
Automobiļu elektronika: Elektronikas vadības bloku (ECU) funkcionalitātes testēšana automobiļos. Piemēram, ražotājs Štutgartē izmanto robežskenēšanu, lai pārbaudītu komunikāciju starp dzinēja vadības bloku un transmisijas vadības bloku.
Aviācija un aizsardzība: Kritiskas elektroniskās sistēmas uzticamības nodrošināšana lidmašīnās un militārajā aprīkojumā. Aizsardzības līgumslēdzējs Amerikas Savienotajās Valstīs varētu izmantot robežskenēšanu, lai pārbaudītu komponentu savienojamību lidojuma vadības sistēmā, kur uzticamība ir vissvarīgākā.
Rūpnieciskā automatizācija: Defektu diagnosticēšana un novēršana programmējamos loģikas kontrolieros (PLC) un citās rūpnieciskās iekārtās. Apsveriet rūpnīcu Japānā, kas izmanto robežskenēšanu, lai ātri identificētu bojātu savienojumu PLC, kas kontrolē robotu roku.
Medicīniskās ierīces: Elektronikas komponentu funkcionalitātes pārbaude medicīnas ierīcēs, piemēram, elektrokardiostimulatoros un defibrilatoros. Medicīnas ierīču ražotājs Šveicē izmanto robežskenēšanu, lai nodrošinātu komunikācijas ceļu uzticamību dzīvības glābšanas ierīcē.

Robežskenēšanas ieviešana: Soli pa solim ceļvedis

Robežskenēšanas ieviešana ietver vairākus soļus:

Testējamības projektēšana (DFT): Projektēšanas fāzē jāņem vērā testējamības prasības. Tas ietver robežskenēšanai saderīgu IS izvēli un robežskenēšanas ķēdes pareizu konfigurāciju. Galvenie DFT apsvērumi ietver TAP kontrolieru skaita minimizēšanu uz plates (sarežģītos dizainos var būt nepieciešami kaskādes TAP kontrolieri) un labas signāla integritātes nodrošināšanu JTAG signāliem.
BSDL failu iegūšana: Iegūstiet BSDL failus visām robežskenēšanai saderīgajām IS projektā. Šos failus parasti nodrošina IS ražotāji.
Testa vektoru ģenerēšana: Izmantojiet robežskenēšanas programmatūru, lai ģenerētu testa vektorus, pamatojoties uz BSDL failiem un projekta tīkla sarakstu. Programmatūra automātiski izveidos signālu secības, kas nepieciešamas starpsavienojumu testēšanai. Daži rīki piedāvā automātisku testa paraugu ģenerēšanu (ATPG) starpsavienojumu testēšanai.
Testa izpilde: Ielādējiet testa vektorus ATE sistēmā un izpildiet testus. ATE sistēma pielietos testa paraugus platei un uzraudzīs reakcijas.
Defektu diagnostika: Analizējiet testa rezultātus, lai identificētu un izolētu defektus. Robežskenēšanas programmatūra parasti sniedz detalizētu diagnostikas informāciju, piemēram, īssavienojumu un atvērtu ķēžu atrašanās vietu.
Sistēmas iekšējā programmēšana (ISP): Ja nepieciešams, izmantojiet robežskenēšanu, lai ieprogrammētu zibatmiņu vai konfigurētu programmējamās ierīces.

Robežskenēšanas izaicinājumi

Lai gan robežskenēšana piedāvā ievērojamas priekšrocības, jāņem vērā arī izaicinājumi:

Robežskenēšanai saderīgu IS izmaksas: Robežskenēšanai saderīgas IS var būt dārgākas nekā nesaderīgas IS. Tas īpaši attiecas uz vecākiem vai retāk sastopamiem komponentiem.
BSDL failu pieejamība un precizitāte: Precīzi un pilnīgi BSDL faili ir būtiski efektīvu testa vektoru ģenerēšanai. Diemžēl BSDL faili ne vienmēr ir viegli pieejami vai var saturēt kļūdas. Vienmēr pārbaudiet BSDL failus pirms to izmantošanas.
Testa vektoru ģenerēšanas sarežģītība: Testa vektoru ģenerēšana sarežģītiem dizainiem var būt izaicinājums, kas prasa specializētu programmatūru un pieredzi.
Ierobežota piekļuve iekšējiem mezgliem: Robežskenēšana nodrošina piekļuvi IS kontaktiem, taču tā nenodrošina tiešu piekļuvi iekšējiem mezgliem IS iekšpusē.
Signāla integritātes problēmas: Garas robežskenēšanas ķēdes var radīt signāla integritātes problēmas, īpaši lielos takts ātrumos. Pareiza terminācija un signālu maršrutēšana ir būtiska.

Robežskenēšanas izaicinājumu pārvarēšana

Ir daudzas stratēģijas, lai pārvarētu robežskenēšanas ierobežojumus:

Stratēģiska komponentu izvēle: Izvēlieties robežskenēšanai saderīgas sastāvdaļas kritiskajās dizaina jomās, kur testēšanas piekļuve ir ierobežota.
Rūpīga BSDL pārbaude: Rūpīgi pārskatiet un apstipriniet BSDL failu precizitāti. Ja tiek konstatētas kļūdas, sazinieties ar komponentu ražotāju.
Investīcijas progresīvos rīkos: Izmantojiet jaudīgus robežskenēšanas rīkus, kas atbalsta automātisku testa paraugu ģenerēšanu (ATPG) un uzlabotas diagnostikas iespējas.
Robežskenēšanas kombinēšana ar citām testēšanas metodēm: Integrējiet robežskenēšanu ar citām testēšanas metodēm, piemēram, funkcionālo testēšanu, plates testēšanu (ICT) un lidojošās zondes testēšanu, lai nodrošinātu visaptverošu testa pārklājumu.
JTAG ķēdes topoloģijas optimizēšana: Ieviesiet rūpīgas JTAG ķēdes maršrutēšanas un terminācijas metodes, lai samazinātu signāla integritātes problēmas. Apsveriet buferizācijas vai citu signālu kondicionēšanas paņēmienu izmantošanu.

Robežskenēšanas standarti un rīki

Robežskenēšanas pamatā ir IEEE 1149.1 standarts. Tomēr vairāki citi standarti un rīki spēlē izšķirošu lomu:

IEEE 1149.1 (JTAG): Pamatstandarts, kas definē robežskenēšanas arhitektūru un protokolu.
IEEE 1149.6 (Uzlaboti digitālie tīkli): Paplašina robežskenēšanu, lai atbalstītu ātrgaitas, diferenciālo signalizāciju, kas atrodama uzlabotos digitālajos tīklos.
BSDL (Robežskenēšanas apraksta valoda): Standartizēta valoda IS robežskenēšanas iespēju aprakstīšanai.
SVF (Seriālā vektora formāts) un STAPL (Standarta testēšanas un programmēšanas valoda): Standartizēti failu formāti testa vektoru glabāšanai un apmaiņai.

Ir pieejami daudzi komerciāli un atvērtā koda robežskenēšanas rīki, tostarp:

ATE sistēmas: Visaptverošas testēšanas platformas no tādiem pārdevējiem kā Keysight Technologies, Teradyne un National Instruments.
Īpaši robežskenēšanas rīki: Specializēti rīki no tādiem uzņēmumiem kā Corelis, Goepel electronic un XJTAG.
Iegultie JTAG risinājumi: JTAG emulatori un atkļūdotāji no tādiem uzņēmumiem kā Segger un Lauterbach.
Atvērtā koda rīki: OpenOCD (Open On-Chip Debugger) un UrJTAG ir populāri atvērtā koda JTAG rīki.

Robežskenēšanas nākotne

Robežskenēšana turpina attīstīties, lai risinātu mūsdienu elektronikas izaicinājumus.

Palielināta integrācija: Robežskenēšana arvien vairāk tiek integrēta IS, nodrošinot visaptverošāku testēšanu un diagnostiku.
Uzlabotas atkļūdošanas iespējas: Robežskenēšana tiek izmantota sarežģītākiem atkļūdošanas uzdevumiem, piemēram, atmiņas testēšanai un CPU emulācijai.
Ātrgaitas robežskenēšana: Tiek izstrādātas jaunas metodes, lai palielinātu robežskenēšanas ātrumu, ļaujot ātrāk veikt testēšanu un programmēšanu.
Drošības lietojumprogrammas: Robežskenēšana tiek izmantota, lai uzlabotu elektronisko ierīču drošību, nodrošinot drošu kanālu programmēšanai un verifikācijai. Iespēja attālināti piekļūt un pārkonfigurēt ierīces, izmantojot JTAG, rada drošības problēmas, veicinot inovācijas drošības pasākumos.
Integrācija ar digitālajiem dvīņiem: Robežskenēšanas datus var izmantot, lai izveidotu elektronisko mezglu digitālos dvīņus, tādējādi nodrošinot prognozējošu apkopi un uzlabotu uzticamību.

Noslēgumā jāsecina, ka robežskenēšana ir vitāli svarīga tehnoloģija, lai nodrošinātu mūsdienu elektronikas kvalitāti un uzticamību. Izprotot tās principus, ieguvumus un ieviešanu, inženieri var izmantot robežskenēšanu, lai uzlabotu testa pārklājumu, samazinātu testēšanas izmaksas un paātrinātu produkta ieviešanu tirgū. Tā kā elektronika turpina kļūt sarežģītāka, robežskenēšana saglabāsies kā būtisks rīks aparatūras testēšanai.