Тестування апаратного забезпечення: Комплексний посібник з Boundary Scan (JTAG)

У світі електроніки, що постійно розвивається, забезпечення якості та надійності апаратного забезпечення є надзвичайно важливим. Оскільки щільність друкованих плат зростає, а розміри компонентів зменшуються, традиційні методи тестування стають дедалі складнішими та дорожчими. Boundary Scan, також відомий як JTAG (Joint Test Action Group), надає потужне та універсальне рішення для тестування складних електронних збірок. Цей вичерпний посібник заглиблюється в принципи, переваги, реалізацію та майбутні тенденції тестування Boundary Scan.

Що таке Boundary Scan (JTAG)?

Boundary Scan – це стандартизований метод тестування з'єднань між інтегральними схемами (IC) на друкованій платі (PCB) без фізичного зондування. Він визначений стандартом IEEE 1149.1, який визначає протокол послідовного зв'язку та архітектуру, що дозволяє отримати доступ до внутрішніх вузлів IC через виділений тестовий порт. Цей порт зазвичай складається з чотирьох або п’яти сигналів: TDI (Test Data In), TDO (Test Data Out), TCK (Test Clock), TMS (Test Mode Select) і, за бажанням, TRST (Test Reset).

По суті, Boundary Scan передбачає розміщення скануючих комірок на входах і виходах IC. Ці скануючі комірки можуть захоплювати дані з функціональної логіки IC і виводити їх через тестовий порт. І навпаки, дані можна зсувати в скануючі комірки з тестового порту та застосовувати до функціональної логіки. Керуючи даними, що зсуваються всередину та назовні, інженери можуть тестувати з’єднання між IC, виявляти несправності та навіть програмувати пристрої.

Походження та еволюція JTAG

Зростаюча складність друкованих плат (PCB) і технології поверхневого монтажу (SMT) у 1980-х роках зробили традиційне тестування 'ліжком цвяхів' дедалі складнішим і дорожчим. У результаті була створена Joint Test Action Group (JTAG) для розробки стандартизованого, економічно ефективного методу тестування друкованих плат. Результатом став стандарт IEEE 1149.1, офіційно ратифікований у 1990 році.

З тих пір JTAG еволюціонував від технології тестування, орієнтованої переважно на виробництво, до широко використовуваного рішення для різних застосувань, включаючи:

Виробниче тестування: Виявлення виробничих дефектів, таких як короткі замикання, обриви та неправильне розміщення компонентів.
Внутрішньосистемне програмування (ISP): Програмування флеш-пам'яті та інших програмованих пристроїв після їх складання на друкованій платі.
Запуск та налагодження плати: Діагностика проблем з обладнанням на етапі проєктування та розробки.
Конфігурація FPGA: Конфігурування FPGA без потреби у зовнішніх програматорах.
Застосування для безпеки: Безпечне програмування та перевірка пристроїв, а також проведення аудитів безпеки.

Ключові компоненти системи Boundary Scan

Система Boundary Scan зазвичай складається з таких компонентів:

IC, сумісні з Boundary Scan: IC, які реалізують стандарт IEEE 1149.1 і включають скануючі комірки boundary scan.
Test Access Port (TAP): Фізичний інтерфейс на IC, який використовується для доступу до логіки boundary scan (TDI, TDO, TCK, TMS, TRST).
Test Access Port Controller (TAP Controller): Кінцевий автомат у IC, який контролює роботу логіки boundary scan.
Boundary Scan Register (BSR): Регістр зсуву, який містить скануючі комірки boundary scan.
Test Data Registers (TDRs): Регістри, які використовуються для зсуву даних в IC та з IC під час тестування. Загальні TDR включають Bypass Register, Instruction Register та визначені користувачем регістри.
Boundary Scan Description Language (BSDL) File: Текстовий файл, який описує можливості boundary scan IC, включаючи розводку виводів, структуру скануючого ланцюга та набір інструкцій. Файли BSDL необхідні для створення тестових векторів.
Automated Test Equipment (ATE): Система, яка забезпечує стимул і вимірює реакцію тестованого пристрою (DUT). Системи ATE зазвичай включають контролери Boundary Scan і програмне забезпечення.
Boundary Scan Software: Програмне забезпечення, яке використовується для створення тестових векторів, управління апаратним забезпеченням Boundary Scan і аналізу результатів тестування.

Переваги тестування Boundary Scan

Boundary Scan пропонує численні переваги над традиційними методами тестування:

Покращене покриття тестами: Boundary Scan може отримати доступ до великого відсотка вузлів на друкованій платі, забезпечуючи високе покриття тестами, навіть для складних конструкцій з обмеженим фізичним доступом.
Скорочення часу розробки тестів: Програмне забезпечення Boundary Scan може автоматично генерувати тестові вектори з файлів BSDL, скорочуючи час і зусилля, необхідні для розробки тестових програм.
Зниження витрат на тестування: Boundary Scan усуває потребу у фізичному зондуванні, зменшуючи вартість тестових пристосувань і ризик пошкодження друкованої плати.
Швидша локалізація несправностей: Boundary Scan надає детальну діагностичну інформацію, що дозволяє інженерам швидко ідентифікувати та ізолювати несправності.
Внутрішньосистемне програмування (ISP): Boundary Scan можна використовувати для програмування флеш-пам'яті та інших програмованих пристроїв після їх складання на друкованій платі, що спрощує виробничий процес.
Зменшення розміру та вартості плати: Зменшуючи потребу в тестових точках, Boundary Scan дозволяє проєктувати менші та дешевші плати.
Раннє виявлення дефектів: Впровадження boundary scan на етапі проєктування дозволяє раніше виявляти потенційні виробничі проблеми, зменшуючи вартість помилок на пізніших етапах.

Застосування Boundary Scan

Boundary Scan використовується в широкому спектрі застосувань, включаючи:

Виробниче тестування: Виявлення виробничих дефектів, таких як короткі замикання, обриви та неправильне розміщення компонентів.
Внутрішньосистемне програмування (ISP): Програмування флеш-пам'яті та інших програмованих пристроїв після їх складання на друкованій платі.
Запуск та налагодження плати: Діагностика проблем з обладнанням на етапі проєктування та розробки.
Конфігурація FPGA: Конфігурування FPGA без потреби у зовнішніх програматорах.
Застосування для безпеки: Безпечне програмування та перевірка пристроїв, а також проведення аудитів безпеки.

Приклади Boundary Scan в дії:

Телекомунікаційне обладнання: Перевірка цілісності високошвидкісних з'єднань на складних картах мережевого інтерфейсу. Уявіть собі телекомунікаційну компанію в Стокгольмі, якій потрібно забезпечити надійність своєї інфраструктури 5G. Boundary scan дозволяє їм швидко діагностувати проблеми з підключенням на густонаселених платах.
Автомобільна електроніка: Тестування функціональності електронних блоків управління (ECU) в автомобілях. Наприклад, виробник у Штутгарті використовує boundary scan для тестування зв’язку між блоком управління двигуном і блоком управління трансмісією.
Аерокосмічна та оборонна промисловість: Забезпечення надійності критичних електронних систем в літаках і військовій техніці. Підрядник оборонної промисловості в Сполучених Штатах може використовувати boundary scan для перевірки підключення компонентів у системі управління польотом, де надійність має першорядне значення.
Промислова автоматизація: Діагностика та усунення несправностей у програмованих логічних контролерах (PLC) та іншому промисловому обладнанні. Розглянемо завод у Японії, який використовує boundary scan для швидкого виявлення несправного з’єднання в ПЛК, який керує роботизованою рукою.
Медичні пристрої: Перевірка функціональності електронних компонентів у медичних пристроях, таких як кардіостимулятори та дефібрилятори. Виробник медичного обладнання у Швейцарії використовує boundary scan для забезпечення надійності шляхів зв’язку в життєво важливому пристрої.

Впровадження Boundary Scan: Покрокова інструкція

Впровадження Boundary Scan включає кілька кроків:

Design for Testability (DFT): Враховуйте вимоги до тестування на етапі проєктування. Це включає вибір IC, сумісних з Boundary Scan, і забезпечення належної конфігурації ланцюга Boundary Scan. Ключові міркування DFT включають мінімізацію кількості контролерів TAP на платі (каскадні контролери TAP можуть знадобитися на складних конструкціях) і забезпечення належної цілісності сигналу на сигналах JTAG.
Отримання файлу BSDL: Отримайте файли BSDL для всіх IC, сумісних з Boundary Scan, у проєкті. Ці файли зазвичай надаються виробниками IC.
Генерація тестових векторів: Використовуйте програмне забезпечення Boundary Scan для створення тестових векторів на основі файлів BSDL і списку з’єднань проєкту. Програмне забезпечення автоматично створить послідовності сигналів, необхідні для перевірки з’єднань. Деякі інструменти пропонують автоматичну генерацію тестових шаблонів (ATPG) для тестування з’єднань.
Виконання тесту: Завантажте тестові вектори в систему ATE та виконайте тести. Система ATE застосує тестові шаблони до плати та контролюватиме відповіді.
Діагностика несправностей: Проаналізуйте результати тестування, щоб ідентифікувати та ізолювати несправності. Програмне забезпечення Boundary Scan зазвичай надає детальну діагностичну інформацію, таку як розташування коротких замикань і обривів.
Внутрішньосистемне програмування (ISP): Якщо потрібно, використовуйте Boundary Scan для програмування флеш-пам’яті або налаштування програмованих пристроїв.

Проблеми Boundary Scan

Хоча Boundary Scan пропонує значні переваги, є також проблеми, які слід враховувати:

Вартість IC, сумісних з Boundary Scan: IC, сумісні з Boundary Scan, можуть бути дорожчими, ніж IC, несумісні з Boundary Scan. Особливо це стосується старих або менш поширених компонентів.
Доступність і точність файлів BSDL: Точні та повні файли BSDL необхідні для створення ефективних тестових векторів. На жаль, файли BSDL не завжди легкодоступні або можуть містити помилки. Завжди перевіряйте файли BSDL перед їх використанням.
Складність генерації тестових векторів: Генерація тестових векторів для складних конструкцій може бути складною, вимагаючи спеціалізованого програмного забезпечення та досвіду.
Обмежений доступ до внутрішніх вузлів: Boundary Scan надає доступ до виводів IC, але не надає прямого доступу до внутрішніх вузлів у IC.
Проблеми цілісності сигналу: Довгі ланцюги Boundary Scan можуть викликати проблеми з цілісністю сигналу, особливо на високих тактових частотах. Правильне термінування та маршрутизація сигналів є важливими.

Подолання проблем Boundary Scan

Існує багато стратегій для подолання обмежень boundary scan:

Стратегічний вибір компонентів: Вибирайте компоненти, сумісні з boundary scan, для критичних областей конструкції, де доступ до тестування обмежений.
Ретельна перевірка BSDL: Уважно переглядайте та перевіряйте файли BSDL на точність. Зв’яжіться з виробником компонентів, якщо виявлено помилки.
Інвестування в передові інструменти: Використовуйте потужні інструменти boundary scan, які підтримують автоматичну генерацію тестових шаблонів (ATPG) і розширені можливості діагностики.
Поєднання boundary scan з іншими методами тестування: Інтегруйте boundary scan з іншими методами тестування, такими як функціональне тестування, внутрішньосхемне тестування (ICT) і тестування летючим зондом для досягнення повного покриття тестами.
Оптимізація топології ланцюга JTAG: Впроваджуйте ретельну маршрутизацію ланцюга JTAG і методи термінування, щоб мінімізувати проблеми цілісності сигналу. Розгляньте можливість використання буферизації або інших методів кондиціонування сигналу.

Стандарти та інструменти Boundary Scan

Наріжним каменем Boundary Scan є стандарт IEEE 1149.1. Однак кілька інших стандартів та інструментів відіграють вирішальну роль:

IEEE 1149.1 (JTAG): Основний стандарт, що визначає архітектуру та протокол Boundary Scan.
IEEE 1149.6 (Advanced Digital Networks): Розширює Boundary Scan для підтримки високошвидкісної диференціальної сигналізації, що зустрічається в сучасних цифрових мережах.
BSDL (Boundary Scan Description Language): Стандартизована мова для опису можливостей boundary scan IC.
SVF (Serial Vector Format) і STAPL (Standard Test and Programming Language): Стандартизовані формати файлів для зберігання та обміну тестовими векторами.

Доступні численні комерційні інструменти Boundary Scan з відкритим кодом, зокрема:

ATE Systems: Комплексні тестові платформи від таких постачальників, як Keysight Technologies, Teradyne і National Instruments.
Dedicated Boundary Scan Tools: Спеціалізовані інструменти від таких компаній, як Corelis, Goepel electronic і XJTAG.
Embedded JTAG Solutions: Емулятори та налагоджувачі JTAG від таких компаній, як Segger і Lauterbach.
Open Source Tools: OpenOCD (Open On-Chip Debugger) і UrJTAG є популярними інструментами JTAG з відкритим кодом.

Майбутнє Boundary Scan

Boundary Scan продовжує розвиватися, щоб відповідати викликам сучасної електроніки.

Підвищена інтеграція: Boundary Scan все більше інтегрується в IC, що дозволяє проводити більш повне тестування та діагностику.
Розширені можливості налагодження: Boundary Scan використовується для більш складних завдань налагодження, таких як тестування пам’яті та емуляція ЦП.
Високошвидкісний Boundary Scan: Розробляються нові методи для збільшення швидкості Boundary Scan, що дозволяє швидше тестування та програмування.
Застосування для безпеки: Boundary Scan використовується для підвищення безпеки електронних пристроїв, забезпечуючи безпечний канал для програмування та перевірки. Можливість віддаленого доступу та переналаштування пристроїв через JTAG викликає занепокоєння щодо безпеки, стимулюючи інновації в заходах безпеки.
Інтеграція з цифровими двійниками: Дані Boundary Scan можна використовувати для створення цифрових двійників електронних збірок, що дозволяє проводити прогнозне обслуговування та підвищувати надійність.

На закінчення, Boundary Scan є життєво важливою технологією для забезпечення якості та надійності сучасної електроніки. Розуміючи її принципи, переваги та впровадження, інженери можуть використовувати Boundary Scan для покращення покриття тестами, зменшення витрат на тестування та прискорення виходу на ринок. Оскільки електроніка продовжує ставати більш складною, Boundary Scan залишатиметься важливим інструментом для тестування апаратного забезпечення.