JTAG标准笔记：IEEE1149.1、IEEE1149.4、IEEE1149.5、IEEE1149.6、 IEEE1500等协议之前的发展和联系

• JTAG (Joint Test Action Group) 是一种串行通信协议。对于典型的串行通信，总线较少，线路数通常为1到4条，数据是以位为单位依次传输的。
• 笔记中大部分图片来自JTAG标准介绍UP的视频

• IEEE 1149.1，通常称为JTAG（Joint Test Action Group），是一个标准化的测试方法，用于对集成电路（IC）和电路板进行测试和调试。该标准定义了在芯片上设置的测试访问端口（TAP），通过串行扫描链控制芯片内部的寄存器，从而测试和调试芯片或电路板。
  

边界扫描寄存器

• 符合 JTAG 标准的芯片，如许多微处理器、微控制器、FPGA、CPLD 以及一些复杂的数字芯片，通常都包含边界扫描寄存器。
• 内部蓝色的方框：边界扫描寄存器通过将芯片的每个 I/O 引脚与一个可控的寄存器单元相连接，提供了一种强大的测试和调试机制。它能够有效地检测和定位电路板中的故障，并且广泛应用于集成电路和 PCB 的生产测试与调试过程中。

IEEE1149.1

IEEE 1149.1，也称为标准测试访问端口和边界扫描架构（Standard Test Access Port and Boundary-Scan Architecture），是由电气和电子工程师协会（IEEE）制定的一个标准。这个标准通常也被称为 JTAG（Joint Test Action Group），因为它是在一个名为 JTAG 的行业工作组的推动下开发的。IEEE 1149.1 广泛应用于电子行业中复杂集成电路和电路板的测试与调试。它通过定义标准的测试接口和边界扫描架构，提供了一种高效、灵活的测试方法，极大地提高了生产和维护的效率。

IEEE 1149.1 标准的主要内容：

1. 测试访问端口（TAP）:

   • IEEE 1149.1 定义了一种标准的测试访问端口（Test Access Port, TAP），这个端口包括一组引脚：TDI（Test Data In，测试数据输入）、TDO（Test Data Out，测试数据输出）、TMS（Test Mode Select，测试模式选择）、TCK（Test Clock，测试时钟）和可选的 TRST（Test Reset，测试复位）。
   • TAP 用于在芯片内部访问测试和调试功能，包括边界扫描寄存器、指令寄存器等。

2. 边界扫描架构:

   • 标准定义了一种边界扫描架构，允许对集成电路（IC）引脚进行测试，而无需直接访问内部节点。通过在每个 I/O 引脚上附加一个边界扫描单元（Boundary Scan Cell），可以通过串行数据传输对引脚状态进行检查和控制。
   • 这种架构极大地简化了对复杂电路板的测试，尤其是在高密度或多层电路板上。

3. 状态机（TAP 控制器）:

   • IEEE 1149.1 标准定义了一种有限状态机，称为 TAP 控制器，用于控制测试过程中的状态转换。TAP 控制器有 16 个状态，通过 TMS 信号控制状态的转移，实现对芯片内部的测试和调试操作。
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   • 根据状态转移图示链接，TRST可选就是因为通过对TMS连续赋值5个1，TAP 控制器将回到复位状态。

4. 指令寄存器和数据寄存器:

   • 标准还定义了指令寄存器和数据寄存器的结构。指令寄存器用于选择芯片内部的测试模式，而数据寄存器则用于传输测试数据和结果。边界扫描寄存器、ID 寄存器（用于识别芯片）等都属于数据寄存器。

JTAG 的 TMS (Test Mode Select) 引脚是 JTAG 接口中的一个关键控制信号，用于控制和管理 JTAG 状态机的状态转换。JTAG 协议使用一个有限状态机（Finite State Machine, FSM），称为 TAP (Test Access Port) 控制器来管理各种测试操作。TMS 信号通过控制 TAP 状态机的状态，决定 JTAG 接口当前处于哪种操作模式。

TMS 的主要功能与作用：

• TAP 状态机有 16 个不同的状态，例如 Test-Logic-Reset、Run-Test/Idle、Shift-DR、Shift-IR 等。TMS 信号决定了状态机的下一步状态。当 JTAG 时钟（TCK）信号上升沿时，根据 TMS 信号的高低，状态机会从一个状态转移到另一个状态。

• TMS 信号可以选择数据寄存器操作（DR 操作）和指令寄存器操作（IR 操作）。通过适当的 TMS 序列，用户可以进入特定的模式以执行诸如数据移位、测试逻辑复位或运行测试等操作。

测试操作流程

3.1. 进入测试模式

• 首先，通过TMS引脚的序列将TAP控制器置于Test-Logic-Reset状态，以确保控制器处于已知的初始状态。
• 通过TMS的特定信号序列，将TAP控制器转换到Run-Test/Idle状态，准备进行测试。

3.2. 选择指令寄存器（IR）或数据寄存器（DR）

• TAP控制器根据TMS信号的控制，进入Shift-IR或Shift-DR状态。
• 在Shift-IR状态，TDI上的数据会移入指令寄存器（IR），这决定了下一步要执行的操作（如边界扫描、旁路模式等）。
• 在Shift-DR状态，TDI上的数据会移入选定的数据寄存器，如边界扫描寄存器、旁路寄存器等。

3.3. 执行测试指令

• 当指令寄存器（IR）加载完成后，TAP控制器进入Update-IR状态，更新当前的测试指令。
• 然后，通过TAP控制器的状态转换，执行加载到指令寄存器中的指令。例如：
  • 边界扫描测试（Boundary-Scan Test）: 执行完整的边界扫描链数据移位，检测IC引脚的逻辑状态。
  • 旁路测试（Bypass Test）: 跳过芯片内核，只测试外部连接的其他芯片。
  • 内置自测试（BIST）: 执行芯片内部的自测试程序。

3.4. 读取测试结果

• 通过TAP控制器的控制，可以进入Shift-DR状态，将测试结果从数据寄存器（如边界扫描寄存器）移出，通过TDO引脚读取。
• 根据TAP控制器的状态转换，测试结果数据可以从目标寄存器中顺序移出，供测试设备分析。

3.5. 完成测试并复位

• 测试完成后，TAP控制器可以通过TMS信号转换回Test-Logic-Reset状态，复位TAP控制器以准备下一次测试。

旁路寄存器

• 旁路寄存器（Bypass Register）是 IEEE 1149.1（JTAG）标准中的一种特殊寄存器，它的主要作用是在不需要对某个芯片进行测试时，为数据提供一条快速的“旁路”路径，从而使数据能够绕过不参与测试的芯片，并快速传递到下一个芯片或目标芯片。

• 旁路寄存器是一个非常简单的寄存器，它只有 1 位（比特）的长度。当选择旁路寄存器时，输入的数据（通过 TDI 引脚进入）会直接通过这个单比特寄存器，并立即从 TDO 引脚输出。

• 当多个芯片串联在同一个 JTAG 链中时，旁路寄存器允许不需要测试的芯片将数据直接传递给下一个芯片，而不必通过完整的边界扫描寄存器链。这样可以减少不必要的延迟，显著提高测试速度。

• 当 TAP 控制器的状态机进入旁路模式（通过加载旁路指令进入这个模式）时，旁路寄存器被选中作为活动的数据寄存器。此时，芯片的边界扫描寄存器和其他测试逻辑被旁路，数据可以快速通过。

• 假设有三个芯片 A、B 和 C 串联在同一个 JTAG 链中，如果只需要测试芯片 B和 C，而不需要测试 A ，那么可以在芯片 A 中激活旁路寄存器，使得它们的 TDI 数据直接通过旁路寄存器传递给 B。

IEEE1149.4

IEEE 1149.4 标准，全称为混合信号测试总线标准（Standard for a Mixed-Signal Test Bus），是继 IEEE 1149.1（JTAG）标准之后制定的，专门用于支持混合信号（包括模拟和数字信号）的电路测试。该标准扩展了原有的 JTAG 边界扫描标准，使其不仅适用于数字信号，还可以测试和诊断模拟信号通道。

• IEEE 1149.4 标准特别适用于包含数字和模拟模块的集成电路，如模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）、电源管理芯片和音频处理器等。

IEEE 1149.4 的主要内容

1. 扩展的测试总线架构:

   • IEEE 1149.4 在 IEEE 1149.1 的基础上增加了对模拟信号的支持。它引入了新的引脚和结构来支持模拟信号的测试，并且与原有的 JTAG 数字测试功能兼容。

2. 新增引脚:

   • AT1 和 AT2: IEEE 1149.4 标准引入了两个专门用于模拟信号测试的引脚，称为 Analog Test Pin 1 (AT1) 和 Analog Test Pin 2 (AT2)。这些引脚用于在芯片内部和外部设备之间传输模拟测试信号。
   • AT1 和 AT2 引脚可以在芯片内部切换，以连接到需要测试的模拟电路部分，从而进行信号传输或测量。

3. 模拟边界扫描单元（Analog Boundary Module, ABM）:

   • IEEE 1149.4 引入了模拟边界扫描单元，用于管理模拟信号的测试。这些单元能够控制信号的传输路径，并执行基本的模拟测试操作，如电压测量或信号注入。

   • IEEE 1149.4 标准还包括机制来隔离或连接特定的模拟电路部分，使得测试过程更加灵活和精确。通过控制 ABM 单元，测试设备可以选择性地对电路中的特定部分进行操作，而不影响其他部分的正常工作。

IEEE1149.5

• IEEE 1149.5 标准是关于模块测试和维护总线标准（Standard for Module Test and Maintenance Bus, MTM-Bus）的规范，旨在为系统级测试提供一种标准化的接口和协议。该标准主要应用于大型电子系统中的模块化测试和维护，尤其是在高复杂度的系统中。
  

IEEE1149.6

IEEE 1149.6 标准，全称为用于测试高级数字网络的边界扫描标准（Standard for Boundary-Scan Testing of Advanced Digital Networks），是对 IEEE 1149.1 标准的扩展，专门用于支持高速信号和 AC 耦合信号的测试。

• 随着高速数字信号（如千兆以太网、PCI Express 等）的广泛应用，传统的 IEEE 1149.1 标准在测试这些信号时显得力不从心，特别是在测试 AC 耦合信号链路时（1149.1的PAD之间通过导线链接，而芯片间可能是复杂的电路结构链接，直流信号无法通过这些电路，AC 耦合信号直流隔离，高频响应）。
• IEEE 1149.6 是对 IEEE 1149.1 的扩展，因此它与 IEEE 1149.1 保持兼容。当多个芯片连接在一起形成复杂的高速信号链路时，IEEE 1149.6 提供了测试这些链路完整性和信号质量的方法，确保多芯片系统的可靠性。

驱动器（Driver）和接收器（Receiver）

在 IEEE 1149.6 标准中，驱动器（Driver）和接收器（Receiver）是用于测试高速数字信号和 AC 耦合链路的重要组件。IEEE 1149.6 扩展了传统的 IEEE 1149.1 标准，以适应这些高速信号的测试需求，并特别关注驱动器和接收器在差分信号和 AC 耦合信号链路中的行为。

驱动器 (Driver)

驱动器 是负责在链路上传输测试信号的电路组件。它在 IEEE 1149.6 测试过程中扮演重要角色，确保信号能够正确地发送到目标设备，并通过链路传输。

功能：

1. 高频信号生成:

   • 驱动器能够产生适合测试的高频信号，以模拟正常工作条件下的高速数字信号。这些信号必须足够快，以便测试系统能够检测到在 AC 耦合链路或差分信号链路中可能发生的问题。

2. 差分信号驱动:

   • 在差分信号链路中，驱动器需要同时驱动两个相互关联的信号线（如差分对）。IEEE 1149.6 的驱动器设计支持这种模式，以确保差分信号的正确性和完整性。

3. AC 耦合信号驱动:

   • 驱动器需要能够在 AC 耦合链路上有效工作。它必须生成信号，能够穿过耦合电容器，并在接收器端保持足够的信号强度和完整性，以便进行正确的测试和接收。

4. 直流偏置控制:

   • 在某些应用中，驱动器还需要控制直流偏置电平，以确保信号能够正确地通过 AC 耦合链路，而不会受到偏置问题的影响。

接收器 (Receiver)

接收器 是负责接收链路上传输信号的组件。在 IEEE 1149.6 中，接收器需要具有检测和处理高速信号的能力，尤其是在这些信号通过 AC 耦合链路后可能发生衰减或失真的情况下。

• 延迟匹配和信号完整性测试:
  高速信号的延迟匹配和完整性对于系统的可靠性至关重要。IEEE 1149.6 提供了方法来测试信号延迟，并确保信号在高速传输时保持完整。

IEEE1500

• IEEE 1500 标准，全称为嵌入式核心测试标准（Standard for Embedded Core Test, SECT），是一项专门为复杂系统级芯片（System-on-Chip, SoC）设计的测试标准。随着芯片集成度的提高，SoC 内部通常包含多个嵌入式核心（如处理器、存储器、专用功能模块等），这些核心的测试和验证变得越来越复杂。IEEE 1500 标准旨在为这些嵌入式核心提供一种统一的测试结构和方法，以提高测试的效率和可重复性。
  

IEEE1687

IEEE1838

IEEE1149.10