硬件测试：边界扫描 (JTAG) 综合指南

在不断发展的电子世界中，确保硬件的质量和可靠性至关重要。随着电路板密度增加和元件尺寸缩小，传统的测试方法变得越来越具有挑战性和昂贵。边界扫描，也称为 JTAG（联合测试行动组），为测试复杂的电子组件提供了一种强大而通用的解决方案。本综合指南深入探讨了边界扫描测试的原理、优势、实施和未来趋势。

什么是边界扫描 (JTAG)？

边界扫描是一种标准化方法，用于测试印刷电路板 (PCB) 上集成电路 (IC) 之间的互连，无需物理探测。它由 IEEE 1149.1 标准定义，该标准规定了一种串行通信协议和架构，允许通过专用测试端口访问 IC 的内部节点。该端口通常由四个或五个信号组成：TDI（测试数据输入）、TDO（测试数据输出）、TCK（测试时钟）、TMS（测试模式选择）和可选的 TRST（测试复位）。

在其核心，边界扫描涉及将扫描单元放置在 IC 的输入和输出端。这些扫描单元可以捕获来自 IC 功能逻辑的数据，并通过测试端口将其移出。相反，数据可以从测试端口移入扫描单元，并应用于功能逻辑。通过控制移入和移出的数据，工程师可以测试 IC 之间的连接，识别故障，甚至可以对设备进行编程。

JTAG 的起源和发展

20 世纪 80 年代，印刷电路板 (PCB) 和表面贴装技术 (SMT) 的日益复杂使得传统的“针床”测试变得越来越困难和昂贵。因此，成立了联合测试行动组 (JTAG)，以开发一种标准化、经济高效的 PCB 测试方法。结果是 IEEE 1149.1 标准，于 1990 年正式批准。

自那时以来，JTAG 已从一种主要面向制造的测试技术发展成为一种广泛采用的解决方案，适用于各种应用，包括：

• 制造测试：检测制造缺陷，例如短路、开路和元件放置错误。
• 在系统编程 (ISP)：在闪存和其他可编程设备组装到 PCB 上之后对其进行编程。
• 电路板启动和调试：在设计和开发阶段诊断硬件问题。
• FPGA 配置：配置 FPGA，无需外部编程器。
• 安全应用：安全地编程和验证设备，并执行安全审计。

边界扫描系统的关键组件

边界扫描系统通常由以下组件组成：

• 边界扫描兼容 IC：实施 IEEE 1149.1 标准并包括边界扫描单元的 IC。
• 测试访问端口 (TAP)： IC 上用于访问边界扫描逻辑的物理接口（TDI、TDO、TCK、TMS、TRST）。
• 测试访问端口控制器 (TAP 控制器)： IC 内控制边界扫描逻辑操作的状态机。
• 边界扫描寄存器 (BSR)：包含边界扫描单元的移位寄存器。
• 测试数据寄存器 (TDR)：用于在测试期间将数据移入和移出 IC 的寄存器。常见的 TDR 包括旁路寄存器、指令寄存器和用户定义的寄存器。
• 边界扫描描述语言 (BSDL) 文件：一个文本文件，描述 IC 的边界扫描功能，包括引脚排列、扫描链结构和指令集。BSDL 文件对于生成测试向量至关重要。
• 自动化测试设备 (ATE)：一个系统，提供激励并测量被测设备 (DUT) 的响应。ATE 系统通常包括边界扫描控制器和软件。
• 边界扫描软件：用于生成测试向量、控制边界扫描硬件和分析测试结果的软件。

边界扫描测试的优势

与传统的测试方法相比，边界扫描具有许多优势：

• 改进的测试覆盖率：边界扫描可以访问 PCB 上大部分节点，提供高测试覆盖率，即使对于物理访问受限的复杂设计也是如此。
• 缩短测试开发时间：边界扫描软件可以从 BSDL 文件自动生成测试向量，从而减少开发测试程序所需的时间和精力。
• 降低测试成本：边界扫描消除了物理探测的需要，从而降低了测试夹具的成本和 PCB 损坏的风险。
• 更快的故障隔离：边界扫描提供详细的诊断信息，使工程师能够快速识别和隔离故障。
• 在系统编程 (ISP)：边界扫描可用于在闪存和其他可编程设备组装到 PCB 上之后对其进行编程，从而简化了制造过程。
• 减小电路板尺寸和成本：通过减少对测试点的需求，边界扫描可以设计更小、成本更低的电路板。
• 早期检测缺陷：在设计阶段实施边界扫描可以及早发现潜在的制造问题，从而降低后期阶段出错的成本。

边界扫描的应用

边界扫描用于各种应用，包括：

• 制造测试：检测制造缺陷，例如短路、开路和元件放置错误。
• 在系统编程 (ISP)：在闪存和其他可编程设备组装到 PCB 上之后对其进行编程。
• 电路板启动和调试：在设计和开发阶段诊断硬件问题。
• FPGA 配置：配置 FPGA，无需外部编程器。
• 安全应用：安全地编程和验证设备，并执行安全审计。

边界扫描在行动中的示例：

• 电信设备：验证复杂网络接口卡上高速互连的完整性。想象一下斯德哥尔摩的一家电信公司需要确保其 5G 基础设施的可靠性。边界扫描使他们能够快速诊断人口稠密电路板上的连接问题。
• 汽车电子：测试汽车中电子控制单元 (ECU) 的功能。例如，斯图加特的一家制造商使用边界扫描来测试发动机控制单元和变速箱控制单元之间的通信。
• 航空航天与国防：确保飞机和军事设备中关键电子系统的可靠性。美国的一家国防承包商可能会使用边界扫描来验证飞行控制系统中组件的连接性，其中可靠性至关重要。
• 工业自动化：诊断和修复可编程逻辑控制器 (PLC) 和其他工业设备中的故障。考虑一下日本的一家工厂使用边界扫描来快速识别控制机器人手臂的 PLC 中的故障连接。
• 医疗设备：验证医疗设备（如心脏起搏器和除颤器）中电子组件的功能。瑞士的一家医疗设备制造商使用边界扫描来确保救生设备中通信路径的可靠性。

实施边界扫描：分步指南

实施边界扫描涉及几个步骤：

1. 可测试性设计 (DFT)：在设计阶段考虑可测试性要求。这包括选择边界扫描兼容 IC 并确保正确配置边界扫描链。关键的 DFT 考虑因素包括最大限度地减少电路板上的 TAP 控制器数量（在复杂设计中可能需要级联 TAP 控制器）并确保 JTAG 信号上的良好信号完整性。
2. BSDL 文件获取：获取设计中所有边界扫描兼容 IC 的 BSDL 文件。这些文件通常由 IC 制造商提供。
3. 测试向量生成：使用边界扫描软件根据 BSDL 文件和设计网表生成测试向量。该软件将自动创建测试互连所需的信号序列。一些工具提供用于互连测试的自动测试模式生成 (ATPG)。
4. 测试执行：将测试向量加载到 ATE 系统中并执行测试。ATE 系统会将测试模式应用于电路板并监视响应。
5. 故障诊断：分析测试结果以识别和隔离故障。边界扫描软件通常提供详细的诊断信息，例如短路和开路的位置。
6. 在系统编程 (ISP)：如果需要，使用边界扫描对闪存进行编程或配置可编程设备。

边界扫描的挑战

虽然边界扫描具有显着优势，但也需要考虑一些挑战：

• 边界扫描兼容 IC 的成本：边界扫描兼容 IC 可能比非边界扫描兼容 IC 更昂贵。对于较旧或不太常见的组件尤其如此。
• BSDL 文件的可用性和准确性：准确和完整的 BSDL 文件对于生成有效的测试向量至关重要。不幸的是，BSDL 文件并不总是容易获得或可能包含错误。在使用 BSDL 文件之前，请务必验证它们。
• 测试向量生成的复杂性：为复杂设计生成测试向量可能具有挑战性，需要专门的软件和专业知识。
• 对内部节点的访问有限：边界扫描提供对 IC 引脚的访问，但不提供对 IC 内内部节点的直接访问。
• 信号完整性问题：长的边界扫描链可能会引入信号完整性问题，尤其是在高时钟速度下。正确的端接和信号路由至关重要。

克服边界扫描挑战

存在许多策略来克服边界扫描的局限性：

• 战略性组件选择：为设计中测试访问受限的关键区域选择边界扫描兼容组件。
• 彻底的 BSDL 验证：仔细审查和验证 BSDL 文件的准确性。如果发现错误，请联系组件制造商。
• 投资于高级工具：使用支持自动测试模式生成 (ATPG) 和高级诊断功能强大的边界扫描工具。
• 将边界扫描与其他测试技术相结合：将边界扫描与其他测试方法（如功能测试、在线测试 (ICT) 和飞针测试）集成，以实现全面的测试覆盖率。
• 优化 JTAG 链拓扑：实施仔细的 JTAG 链路由和端接技术，以最大限度地减少信号完整性问题。考虑使用缓冲或其他信号调节技术。

边界扫描标准和工具

边界扫描的基石是 IEEE 1149.1 标准。但是，其他几个标准和工具也发挥着关键作用：

• IEEE 1149.1 (JTAG)：定义边界扫描架构和协议的基础标准。
• IEEE 1149.6（高级数字网络）：扩展边界扫描以支持高级数字网络中发现的高速差分信号。
• BSDL（边界扫描描述语言）：一种用于描述 IC 的边界扫描功能的标准化语言。
• SVF（串行向量格式）和 STAPL（标准测试和编程语言）：用于存储和交换测试向量的标准化文件格式。

有许多商业和开源边界扫描工具可用，包括：

• ATE 系统：来自 Keysight Technologies、Teradyne 和 National Instruments 等供应商的综合测试平台。
• 专用边界扫描工具：来自 Corelis、Goepel electronic 和 XJTAG 等公司的专用工具。
• 嵌入式 JTAG 解决方案：来自 Segger 和 Lauterbach 等公司的 JTAG 仿真器和调试器。
• 开源工具：OpenOCD（开源片上调试器）和 UrJTAG 是流行的开源 JTAG 工具。

边界扫描的未来

边界扫描不断发展，以应对现代电子产品的挑战。

• 更高的集成度：边界扫描越来越多地集成到 IC 中，从而可以进行更全面的测试和诊断。
• 高级调试功能：边界扫描正被用于更高级的调试任务，例如内存测试和 CPU 仿真。
• 高速边界扫描：正在开发新技术来提高边界扫描的速度，从而实现更快的测试和编程。
• 安全应用：边界扫描正被用于通过提供用于编程和验证的安全通道来增强电子设备的安全性。通过 JTAG 远程访问和重新配置设备的能力引发了安全问题，从而推动了安全措施的创新。
• 与数字孪生集成：边界扫描数据可用于创建电子组件的数字孪生，从而实现预测性维护并提高可靠性。

总之，边界扫描是一项至关重要的技术，可确保现代电子产品的质量和可靠性。通过了解其原理、优势和实施，工程师可以利用边界扫描来提高测试覆盖率、降低测试成本并加快上市时间。随着电子产品变得越来越复杂，边界扫描将仍然是硬件测试的重要工具。