Testiranje strojne opreme: Celovit vodnik po pregledu meje (JTAG)

V vedno razvijajočem se svetu elektronike je zagotavljanje kakovosti in zanesljivosti strojne opreme ključnega pomena. Ker se gostota vezij povečuje in se velikost komponent zmanjšuje, tradicionalne metode testiranja postajajo vse bolj zahtevne in drage. Pregled meje, znan tudi kot JTAG (Joint Test Action Group), ponuja zmogljivo in vsestransko rešitev za testiranje kompleksnih elektronskih sklopov. Ta obsežen vodnik se poglobi v načela, koristi, izvajanje in prihodnje trende testiranja pregleda meje.

Kaj je pregled meje (JTAG)?

Pregled meje je standardizirana metoda za testiranje medsebojnih povezav med integriranimi vezji (IC) na tiskanem vezju (PCB) brez fizičnega sondiranja. Določa ga standard IEEE 1149.1, ki določa serijski komunikacijski protokol in arhitekturo, ki omogoča dostop do notranjih vozlišč IC prek namenskega testnega priključka. Ta priključek je običajno sestavljen iz štirih ali petih signalov: TDI (Test Data In), TDO (Test Data Out), TCK (Test Clock), TMS (Test Mode Select) in po izbiri TRST (Test Reset).

V svojem bistvu pregled meje vključuje postavljanje celic za skeniranje na vhode in izhode IC. Te celice za skeniranje lahko zajemajo podatke iz funkcionalne logike IC in jih premaknejo navzven prek testnega priključka. Nasprotno pa se lahko podatki prenesejo v celice za skeniranje iz testnega priključka in se uporabijo za funkcionalno logiko. Z nadzorom podatkov, ki se premikajo noter in ven, lahko inženirji preizkusijo povezljivost med IC, identificirajo napake in celo programirajo naprave.

Izvor in razvoj JTAG

Zaradi vse večje kompleksnosti tiskanih vezij (PCB) in tehnologije površinske montaže (SMT) v osemdesetih letih prejšnjega stoletja je tradicionalno testiranje 'postelja žebljev' postajalo vse težje in dražje. Kot rezultat je bila ustanovljena Joint Test Action Group (JTAG) za razvoj standardizirane, stroškovno učinkovite metode za testiranje PCB. Rezultat je bil standard IEEE 1149.1, uradno ratificiran leta 1990.

Od takrat se je JTAG razvil iz predvsem proizvodno usmerjene testne tehnologije v splošno sprejeto rešitev za različne aplikacije, vključno z:

Proizvodni test: Zaznavanje proizvodnih napak, kot so kratki stiki, prekinitve in nepravilna namestitev komponent.
Programiranje v sistemu (ISP): Programiranje bliskovnega pomnilnika in drugih programabilnih naprav, potem ko so bile sestavljene na PCB.
Zagon in odpravljanje napak na plošči: Diagnosticiranje težav s strojno opremo med fazo načrtovanja in razvoja.
Konfiguracija FPGA: Konfiguriranje FPGA brez potrebe po zunanjih programatorjih.
Varnostne aplikacije: Varno programiranje in preverjanje naprav ter izvajanje varnostnih revizij.

Ključne komponente sistema pregleda meje

Sistem pregleda meje običajno sestavljajo naslednje komponente:

IC, združljivi s pregledom meje: IC, ki implementirajo standard IEEE 1149.1 in vključujejo celice za pregled meje.
Testni dostopni priključek (TAP): Fizični vmesnik na IC, ki se uporablja za dostop do logike pregleda meje (TDI, TDO, TCK, TMS, TRST).
Krmilnik testnega dostopnega priključka (TAP Controller): Strojno stanje znotraj IC, ki nadzoruje delovanje logike pregleda meje.
Register pregleda meje (BSR): Premikalni register, ki vsebuje celice za pregled meje.
Testni podatkovni registri (TDR): Registri, ki se uporabljajo za premikanje podatkov v in iz IC med testiranjem. Pogosti TDR vključujejo Bypass Register, Instruction Register in registri, ki jih določi uporabnik.
Jezik za opis pregleda meje (BSDL) File: Besedilna datoteka, ki opisuje zmožnosti pregleda meje IC, vključno s priključki, strukturo verige skeniranja in naborom navodil. Datoteke BSDL so bistvene za ustvarjanje testnih vektorjev.
Avtomatizirana testna oprema (ATE): Sistem, ki zagotavlja stimulacijo in meri odziv testirane naprave (DUT). Sistemi ATE običajno vključujejo krmilnike pregleda meje in programsko opremo.
Programska oprema za pregled meje: Programska oprema, ki se uporablja za ustvarjanje testnih vektorjev, nadzor strojne opreme za pregled meje in analizo rezultatov testiranja.

Prednosti testiranja pregleda meje

Pregled meje ponuja številne prednosti v primerjavi s tradicionalnimi metodami testiranja:

Izboljšana pokritost testiranja: Pregled meje lahko dostopa do velikega odstotka vozlišč na PCB, kar zagotavlja visoko pokritost testiranja, tudi za kompleksne zasnove z omejenim fizičnim dostopom.
Skrajšan čas razvoja testov: Programska oprema za pregled meje lahko samodejno ustvari testne vektorje iz datotek BSDL, kar zmanjša čas in trud, potreben za razvoj testnih programov.
Nižji stroški testiranja: Pregled meje odpravlja potrebo po fizičnem sondiranju, kar zmanjšuje stroške testnih pripomočkov in tveganje za poškodbe PCB.
Hitrejša izolacija napak: Pregled meje zagotavlja podrobne diagnostične informacije, kar inženirjem omogoča hitro prepoznavanje in izolacijo napak.
Programiranje v sistemu (ISP): Pregled meje se lahko uporablja za programiranje bliskovnega pomnilnika in drugih programabilnih naprav, potem ko so bile sestavljene na PCB, kar poenostavlja proizvodni proces.
Zmanjšana velikost in stroški plošče: Z zmanjšanjem potrebe po testnih točkah omogoča pregled meje načrtovanje manjših in cenejših plošč.
Zgodnje odkrivanje napak: Izvajanje pregleda meje v fazi načrtovanja omogoča zgodnejše odkrivanje morebitnih proizvodnih težav, kar zmanjšuje stroške napak v kasnejših fazah.

Aplikacije pregleda meje

Pregled meje se uporablja v številnih aplikacijah, vključno z:

Proizvodni test: Zaznavanje proizvodnih napak, kot so kratki stiki, prekinitve in nepravilna namestitev komponent.
Programiranje v sistemu (ISP): Programiranje bliskovnega pomnilnika in drugih programabilnih naprav, potem ko so bile sestavljene na PCB.
Zagon in odpravljanje napak na plošči: Diagnosticiranje težav s strojno opremo med fazo načrtovanja in razvoja.
Konfiguracija FPGA: Konfiguriranje FPGA brez potrebe po zunanjih programatorjih.
Varnostne aplikacije: Varno programiranje in preverjanje naprav ter izvajanje varnostnih revizij.

Primeri pregleda meje v akciji:

Telekomunikacijska oprema: Preverjanje integritete hitrih povezav na kompleksnih mrežnih vmesniških karticah. Predstavljajte si telekomunikacijsko podjetje v Stockholmu, ki mora zagotoviti zanesljivost svoje infrastrukture 5G. Pregled meje jim omogoča hitro diagnosticiranje težav s povezljivostjo na gosto poseljenih ploščah.
Avtomobilska elektronika: Testiranje funkcionalnosti elektronskih krmilnih enot (ECU) v avtomobilih. Na primer, proizvajalec v Stuttgartu uporablja pregled meje za testiranje komunikacije med krmilno enoto motorja in krmilno enoto menjalnika.
Aerospace in obramba: Zagotavljanje zanesljivosti kritičnih elektronskih sistemov v letalih in vojaški opremi. Izvajalec obrambnih poslov v Združenih državah Amerike bi lahko uporabil pregled meje za preverjanje povezljivosti komponent v sistemu za nadzor leta, kjer je zanesljivost najpomembnejša.
Industrijska avtomatizacija: Diagnosticiranje in popravljanje napak v programirljivih logičnih krmilnikih (PLC) in drugi industrijski opremi. Razmislite o tovarni na Japonskem, ki uporablja pregled meje za hitro prepoznavanje okvarjene povezave v PLC, ki nadzoruje robotsko roko.
Medicinski pripomočki: Preverjanje funkcionalnosti elektronskih komponent v medicinskih pripomočkih, kot so srčni spodbujevalniki in defibrilatorji. Proizvajalec medicinskih pripomočkov v Švici uporablja pregled meje za zagotavljanje zanesljivosti komunikacijskih poti v napravi za reševanje življenj.

Izvajanje pregleda meje: Vodnik po korakih

Izvajanje pregleda meje vključuje več korakov:

Načrtovanje za testiranje (DFT): Upoštevajte zahteve glede testiranja med fazo načrtovanja. To vključuje izbiro IC-jev, združljivih s pregledom meje, in zagotavljanje pravilne konfiguracije verige pregleda meje. Ključne zahteve DFT vključujejo zmanjšanje števila krmilnikov TAP na plošči (kaskadni krmilniki TAP so morda potrebni za kompleksne zasnove) in zagotavljanje dobre integritete signala na signalih JTAG.
Pridobitev datoteke BSDL: Pridobite datoteke BSDL za vse IC-je, združljive s pregledom meje, v zasnovi. Te datoteke običajno zagotavljajo proizvajalci IC.
Generiranje testnih vektorjev: Uporabite programsko opremo za pregled meje za ustvarjanje testnih vektorjev na podlagi datotek BSDL in seznama omrežij. Programska oprema bo samodejno ustvarila zaporedja signalov, potrebnih za testiranje medsebojnih povezav. Nekatera orodja ponujajo samodejno generiranje testnih vzorcev (ATPG) za testiranje medsebojnih povezav.
Izvedba testa: Naložite testne vektorje v sistem ATE in izvedite teste. Sistem ATE bo uporabil testne vzorce na plošči in spremljal odzive.
Diagnoza napak: Analizirajte rezultate testiranja, da prepoznate in izolirate napake. Programska oprema za pregled meje običajno zagotavlja podrobne diagnostične informacije, na primer lokacijo kratkih stikov in prekinitev.
Programiranje v sistemu (ISP): Po potrebi uporabite pregled meje za programiranje bliskovnega pomnilnika ali konfiguriranje programabilnih naprav.

Izzivi pregleda meje

Medtem ko pregled meje ponuja znatne prednosti, je treba upoštevati tudi izzive:

Stroški IC, združljivih s pregledom meje: IC, združljivi s pregledom meje, so lahko dražji od IC, ki niso združljivi s pregledom meje. To še posebej velja za starejše ali manj pogoste komponente.
Razpoložljivost in natančnost datotek BSDL: Natančne in popolne datoteke BSDL so bistvene za ustvarjanje učinkovitih testnih vektorjev. Žal datoteke BSDL niso vedno takoj na voljo ali pa lahko vsebujejo napake. Pred uporabo vedno preverite datoteke BSDL.
Kompleksnost generiranja testnih vektorjev: Generiranje testnih vektorjev za kompleksne zasnove je lahko zahtevno in zahteva specializirano programsko opremo in strokovno znanje.
Omejen dostop do notranjih vozlišč: Pregled meje omogoča dostop do pinov IC, vendar ne omogoča neposrednega dostopa do notranjih vozlišč znotraj IC.
Težave z integriteto signala: Dolge verige pregleda meje lahko povzročijo težave z integriteto signala, zlasti pri visokih hitrostih takta. Bistvena je pravilna terminacija in usmerjanje signala.

Premagovanje izzivov pregleda meje

Obstaja veliko strategij za premagovanje omejitev pregleda meje:

Strateška izbira komponent: Izberite komponente, združljive s pregledom meje, za kritična območja zasnove, kjer je dostop do testa omejen.
Temeljita preveritev BSDL: Previdno preglejte in potrdite datoteke BSDL glede natančnosti. Če najdete napake, se obrnite na proizvajalca komponente.
Vlaganje v napredna orodja: Uporabite zmogljiva orodja za pregled meje, ki podpirajo samodejno generiranje testnih vzorcev (ATPG) in napredne diagnostične zmogljivosti.
Kombiniranje pregleda meje z drugimi tehnikami testiranja: Integrirajte pregled meje z drugimi metodami testiranja, kot so funkcionalno testiranje, testiranje v vezju (ICT) in testiranje leteče sonde, da dosežete celovito pokritost testiranja.
Optimizacija topologije verige JTAG: Uporabite skrbno usmerjanje verige JTAG in tehnike zaključevanja, da zmanjšate težave z integriteto signala. Razmislite o uporabi blaženja ali drugih tehnik kondicioniranja signala.

Standardi in orodja za pregled meje

Temelj pregleda meje je standard IEEE 1149.1. Vendar pa imajo pri tem ključno vlogo tudi številni drugi standardi in orodja:

IEEE 1149.1 (JTAG): Osnovni standard, ki definira arhitekturo in protokol pregleda meje.
IEEE 1149.6 (Napredna digitalna omrežja): Razširi pregled meje za podporo hitrim, diferencialnim signalizacijam, ki jih najdemo v naprednih digitalnih omrežjih.
BSDL (Jezik za opis pregleda meje): Standardiziran jezik za opis zmožnosti pregleda meje IC.
SVF (Serial Vector Format) in STAPL (Standardni testni in programski jezik): Standardizirane datotečne oblike za shranjevanje in izmenjavo testnih vektorjev.

Na voljo so številna komercialna in odprtokodna orodja za pregled meje, vključno z:

Sistemi ATE: Obsežne testne platforme proizvajalcev, kot so Keysight Technologies, Teradyne in National Instruments.
Namenska orodja za pregled meje: Specializirana orodja podjetij, kot so Corelis, Goepel electronic in XJTAG.
Vgrajene rešitve JTAG: JTAG emulatorji in razhroščevalniki podjetij, kot so Segger in Lauterbach.
Orodja odprte kode: OpenOCD (Open On-Chip Debugger) in UrJTAG sta priljubljeni odprtokodni orodji JTAG.

Prihodnost pregleda meje

Pregled meje se še naprej razvija, da bi izpolnil izzive sodobne elektronike.

Povečana integracija: Pregled meje se vse bolj integrira v IC, kar omogoča bolj celovito testiranje in diagnostiko.
Napredne možnosti razhroščevanja: Pregled meje se uporablja za bolj napredne naloge razhroščevanja, kot sta testiranje pomnilnika in emulacija CPU.
Hitri pregled meje: Razvijajo se nove tehnike za povečanje hitrosti pregleda meje, kar omogoča hitrejše testiranje in programiranje.
Varnostne aplikacije: Pregled meje se uporablja za izboljšanje varnosti elektronskih naprav z zagotavljanjem varnega kanala za programiranje in preverjanje. Sposobnost oddaljenega dostopa in ponovne konfiguracije naprav prek JTAG povzroča varnostne pomisleke, kar spodbuja inovacije pri varnostnih ukrepih.
Integracija z digitalnimi dvojčki: Podatki pregleda meje se lahko uporabljajo za ustvarjanje digitalnih dvojčkov elektronskih sklopov, kar omogoča prediktivno vzdrževanje in izboljšano zanesljivost.

Skratka, pregled meje je ključna tehnologija za zagotavljanje kakovosti in zanesljivosti sodobne elektronike. Z razumevanjem njegovih načel, koristi in izvajanja lahko inženirji izkoristijo pregled meje za izboljšanje pokritosti testiranja, zmanjšanje stroškov testiranja in pospešitev časa do trga. Ker elektronika postaja vse bolj kompleksna, bo pregled meje ostal bistveno orodje za testiranje strojne opreme.