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Khorina · 7月22日

一文看懂JTAG基本知识

SoC 芯片

1、JTAG是什么？

JTAG是20世纪80年代开发的IEEE标准（1149.1），用来解决电路板的生产制造检修问题。

现在JTAG还可以用来烧程序、调试以及检测端口状态。本文主要介绍JTAG的基本功能，边界扫描。

1.1边界扫描

如图1所示，在一个电路板上有两个芯片元件，一个CPU和FPGA。

image.png

每个芯片都会有很多引脚，那么芯片之间的互联就会有很多连线，图2示意图仅仅画了4条连接线。

image.png

正常情况下，对于芯片厂商，一次制作成千上万个PCB板子，每个班子上都有许许多多连接线，厂家需要如何保证每根芯片连接线都是正常的呢？

这么大的工作量也不可能通过手工来每一根线进行检测。因此JTAG就应运而生了。

image.png

JTAG可以控制芯片的每个引脚，图3中，我们可以通过JTAG使得所有的CPU引脚发送数据，而所有的FPGA引脚接收数据，然后根据FPGA中是否收到准确的数据来判断所有的芯片连接是否正常。

实际上JTAG的连接包括4根信号线，分别是TDI、TDO、TMS和TCK。从电脑主机的角度来看，TDI、TMS、TCK为输出，TDO为输入，如果从待测试的芯片角度来看则相反。

image.png

JTAG的四根信号线有特定的连接方式，如图5所示，TMS和TCK是并联在所有待测芯片上的。

image.png

TDI和TDO信号线则是串联在一起形成一个闭环链条。在JTAG的技术手册中，这种方式也叫JTAG链。

image.png

因此，每个JTAG链上的芯片都会有四根线连接，其中三个输入，一个输出。在技术手册中，还会有一个可选的信号线TRST作为第五根信号线。一般而言，JTAG的四个引脚都是专用引脚。

现在所有的JTAG应用越来越普遍，基本上所有多引脚的芯片都会包含JTAG边界扫描功能。此外正如我们开头所说，CPU和FPGA厂商还用JTAG接口进行调试，对于可编程硬件FPGA和CPLD，还可以用JTAG接口继续配置和烧录程序。

2、JTAG如何起作用？

上一章我们知道了JTAG是如何连接芯片，现在学习具体工作原理以及如何通过PC端来控制器运行。

2.1 PC控制JTAG

一般我们用JTAG连接线来连接PC和JTAG端口，电脑端口有并行端口（也叫打印机端口db25）、USB端口以及网线端口。对于数据量不大的情况下推荐并行端口，操作简单。对于大数据量推荐USB端口和网口，其速度快但是操作复杂一些。

image.png

2.2 并行端口

电脑主机的并行端口12根线为输出，5根线为输入。对于JTAG而言，只用到了3个输出和一个输入（从PC角度来看输入输出）。因此，中间需要用到一些缓存器，如赛灵思的parallel-III cable。

从软件代码的角度来看，并行端口由于简单是最理想的JTAG端口。例如，阿尔特拉的ByteBlaster JTAG接口用C语言改变TCK信号代码如下：

#define lpt_addr 0x378

#define TCK 0x01

void toggle_TCK()

{

      outport(lpt_addr, 0);

      outport(lpt_addr, TCK);

      outport(lpt_addr, 0);

}

2.3 JTAG TAP控制器

PC和芯片之间的JTAG连接方式如图6，下面介绍这四根信号线分别代表什么意思。

  • TCK

TCK是JTAG的时钟信号，另外三个信号TDI、TDO、TMS都是跟该时钟信号同步的。一般其他三根信号都是在TCK时钟的上升沿发生改变或者状态的切换。

  • TMS

在每个芯片的内部都有JTAG TAP控制器，图6中有两个CPU和FPGA两个芯片，那么就有两个TAP控制器。

一般我们在数据手册上看到的状态控制器就是这个，它有16个状态，如图8所示。TMS就是个控制TAP控制器的信号，根据TMS的高低电平变化，TAP控制器进入这16个状态中的一种，又因为同一个PCB板子上TMS是并联所有芯片 ，因此所有芯片都会处于同一状态。

image.png

上图中每个状态旁边的0和1代表的是TMS的低、高电平。

比如如果TAP状态控制器处于Select DR-Scan状态，且TMS为0，那么当TCK时钟信号切换时，TAP的状态就会变化下面的Capture-DR。

这里再强调一遍，要想JTAG正常工作，所有的链上的TAP控制器必须处于同一状态。

PCB板上电后，是如何保证所有芯片的TAP处于同一状态呢？

仔细观察图8，不管TAP在哪个状态，如果TMS在5个时钟周期内都保持1，那么TAP都会变成Test-Logic-Reset状态，这便是用来同步TAP状态的方法。

来看下面的代码，如何将TAP控制器切换到Shift-IR状态。

      // first sync everybody to the test-logic-reset state
      for(i=0; i<5; i++) JTAG_clock(TMS);
      // now that everybody is in a known and identical state, we can move together to another state
      // let's go to Shift-IR
      JTAG_clock(0);
      JTAG_clock(TMS);
      JTAG_clock(TMS);
      JTAG_clock(0);
      JTAG_clock(0);
  • TDI和TDO

现在我们已经知道了如何切换TAP状态了，下面介绍JTAG最重要的两个状态Shift-DR和Shift-IR。

image.png

Shift-DR和Shift-IR必须结合TDI和TDO信号线才能起作用，首先介绍Shift-DR。

每个芯片的TAP控制器中都有一个IR寄存器，也叫做指令寄存器。你可以把相关指令写入这个寄存器，然后TAP控制器会根据IR寄存器的指令进行相关操作。

每个IR寄存器都有一定的长度，我们假设CPU的IR寄存器是5位，FPGA的寄存器是10位，那么通过TDI和TDO的信号线连接方式，CPU和FPGA的IR寄存器其实是串联的，如图10所示。

image.png

我们从PC主机的角度来看，整个链的IR寄存器是15位的，5位CPU和10位FPGA。

要想将IR寄存器写入数据，我们需要将TAP控制器的状态切换成Shift-IR，然后PC通过TDI信号线写入15位数据。前10位数据写入的是FPGA的IR寄存器，后5位数据写入的是CPU的IR寄存器。

如果PC写入的数据多于15位，那么溢出的数据就会通过TDO信号线再被PC端给接收，只不过延时了15个时钟周期。

例如，我们想吧数值00100写入CPU的IR寄存器，而0000000010写入FPGA的IR寄存器，C语言代码如下：

 // Because the bits are shifted through in a chain, we must start sending the data for the device that is at the end of the chain
      // so we send the 10 FPGA IR bits first
      JTAG_clock(0);
      JTAG_clock(1);
      JTAG_clock(0);
      JTAG_clock(0);
      JTAG_clock(0);
      JTAG_clock(0);
      JTAG_clock(0);
      JTAG_clock(0);
      JTAG_clock(0);
      JTAG_clock(0);
      // then send the 5 CPU IR bits
      JTAG_clock(0);
      JTAG_clock(0);
      JTAG_clock(1);
      JTAG_clock(0);
      JTAG_clock(0 | TMS);      // last bit needs to have TMS active (to exit shift-IR)

在我们的假设中，CPU的IR是5位（可以表示数值0~31）。

那么CPU的IR寄存器可以支持32条JTAG指令。实际上，一个CPU可能只会有5~10条指令，剩下的IR寄存器数值都没有用。

同样的对于FPGA，它的IR寄存器是10位，那么它可以支持1024条JTAG指令（大部分也是没用的）。

但是JTAG有几条强制的指令必须都有：

  • BYPASS
  • EXTEST
  • SAMPLE/PRELOAD
  • IDCODE（这个不是强制的，但是非常常见）

每个芯片的都有IR数值的指令集，从芯片手册上都可以查到。

每个芯片的TAP控制器都只有一个IR寄存器，但是会有很多DR寄存器。我们知道IR寄存器数据切换是通过TAP的Shift-IR状态，类似的，DR寄存器的数据切换也是这样，只不过状态是TAP的Shift-DR状态。

每一个IR寄存器的数值都会对应一个不同的DR寄存器，在我们的假设中IR寄存器为5位，那么就有32个IR数值，因此就有32个DR寄存器（如果32个IR数值都被当做指令的话）。

2.4 计算JTAG链中元件个数

IR寄存器的指令不同芯片有所区别，但是有一个指令是一样的，那就是BYPASS指令。

它的IR寄存器所有位都是1。对于CPU是11111，对于FPGA的IR寄存器，其数值是1111111111。

在BYPASS指令模式下，TAP控制器对应的DR寄存器是个单触发器，只是将TDI的输入数据延时一个时钟周期然后通过TDO输出。

根据这个特性，我们可以用BYPASS指令来计算JTAG链上有多少个芯片。

在此指令下，每个芯片的DR寄存器会延时一个时钟周期，那么我们发送一个数据后，检查延时多少周期收到数据，即可知道JTAG链上芯片的数量。

具体实现的C语言代码如下：

 // go to reset state
  for(i=0; i<5; i++) JTAG_clock(TMS);
  // go to Shift-IR
  JTAG_clock(0);
  JTAG_clock(TMS);
  JTAG_clock(TMS);
  JTAG_clock(0);
  JTAG_clock(0);
  // Send plenty of ones into the IR registers
  // That makes sure all devices are in BYPASS!
  for(i=0; i<999; i++) JTAG_clock(1);
  JTAG_clock(1 | TMS);  // last bit needs to have TMS active, to exit shift-IR
  // we are in Exit1-IR, go to Shift-DR
  JTAG_clock(TMS);
  JTAG_clock(TMS);
  JTAG_clock(0);
  JTAG_clock(0);
  // Send plenty of zeros into the DR registers to flush them
  for(i=0; i<1000; i++) JTAG_clock(0);
  // now send ones until we receive one back
  for(i=0; i<1000; i++) if(JTAG_clock(1)) break;
  nbDevices = i;
  printf("There are %d device(s) in the JTAG chain\n", nbDevices);

// 将JTAG链置于复位状态  
// 根据JTAG标准，通过一系列TMS信号（通常是特定的序列）将JTAG接口置于复位状态  
// 这里简单地假设连续5个TMS时钟信号足以实现复位  
for(i=0; i<5; i++) JTAG_clock(TMS);  
  
// 从复位状态转移到Shift-IR状态  
// Shift-IR状态允许数据被移入到JTAG链上每个设备的指令寄存器（IR）中  
// 这里的序列是JTAG标准定义的一部分，用于进入Shift-IR状态  
JTAG_clock(0);  
JTAG_clock(TMS);  
JTAG_clock(TMS);  
JTAG_clock(0);  
JTAG_clock(0);  
  
// 向IR寄存器发送多个1  
// 因为BYPASS指令在大多数JTAG设备中是通过在IR寄存器中设置全1来实现的  
// 所以这里通过发送999个1（实际上只需要足够多的1以确保所有设备都接收到BYPASS指令）  
// 来确保所有设备都进入BYPASS模式  
for(i=0; i<999; i++) JTAG_clock(1);  
JTAG_clock(1 | TMS);  // 发送最后一个1时，同时激活TMS以退出Shift-IR状态  
  
// 从Exit1-IR状态转移到Shift-DR状态  
// Shift-DR状态允许数据被移入到JTAG链上每个设备的数据寄存器（DR）中  
// 同样，这里的序列是JTAG标准定义的一部分  
JTAG_clock(TMS);  
JTAG_clock(TMS);  
JTAG_clock(0);  
JTAG_clock(0);  
  
// 发送多个0到DR寄存器以清空它们  
// 在进入测量模式前，先通过发送一系列0来清空DR寄存器中的任何残留数据  
for(i=0; i<1000; i++) JTAG_clock(0);  
  
// 现在发送1，直到接收到返回的1  
// 在BYPASS模式下，DR寄存器被简化为一个单触发器，它会将TDI的输入延时一个时钟周期后输出到TDO  
// 通过发送一系列1并检查TDO输出，我们可以测量从发送到接收的延时，从而计算出JTAG链上的设备数量  
// 当TDO返回1时，循环结束  
for(i=0; i<1000; i++) if(JTAG_clock(1)) break;  
  
// i的值现在等于JTAG链上设备的数量（加1，因为包括发送的那个时钟周期）  
// 但由于我们是在寻找TDO返回1的时钟周期，所以实际的设备数量应该是i  
nbDevices = i;  
  
// 打印JTAG链上的设备数量  
printf("There are %d device(s) in the JTAG chain\n", nbDevices);
啰嗦解释一下：

由于BYPASS模式下，每个设备都会将输入数据延时一个时钟周期后输出，因此，我们可以通过发送一个数据位，并测量从发送到接收到该数据位的时间（即时钟周期数），来推断JTAG链上设备的数量。具体做法如下：

  • 初始化JTAG链：首先，通过一系列TMS信号将JTAG链置于复位状态，然后切换到Shift-IR状态，向每个设备的IR寄存器发送全1（即BYPASS指令），最后将JTAG链切换到Shift-DR状态。
  • 清空DR寄存器：在发送BYPASS指令后，通过向DR寄存器发送一系列0来清空可能存在的旧数据。
  • 发送并接收数据：向TDI发送一个1，然后逐个时钟周期地检查TDO输出。由于每个设备都会将输入延时一个时钟周期，所以TDO将在（设备数量+1）个时钟周期后输出1（加1是因为包括发送数据的那个时钟周期）。
  • 计算设备数量：通过记录从发送数据到接收到数据所经过的时钟周期数，减去1（发送数据的那个周期），即可得到JTAG链上的设备数量。
C程序它首先通过一系列TMS信号将JTAG链置于正确的状态，然后发送BYPASS指令到每个设备的IR寄存器，并清空DR寄存器。最后，通过发送一系列1到TDI并检查TDO的输出来计算设备数量。当TDO输出1时，循环结束，此时循环的迭代次数（减去1）即为JTAG链上的设备数量。

2.5 获得JTAG链上芯片的ID

大部分的芯片JTAG模块都支持IDCODE指令，这个指令对应的DR寄存器是32位，具体数值代表者不同芯片的ID。

不同于BYPASS指令，INCODE指令的IR寄存器数值不是标准的，我们可以通过器件手册来查询。

还有一种方法，当TAP控制器的状态处于Test-Logic-Reset时，它都会将INCODE数据写入DR寄存器中，我们可以据此读出DR寄存器的内容，C语言代码如下：

// go to reset state (that loads IDCODE into IR of all the devices)
  for(i=0; i<5; i++) JTAG_clock(TMS);
  // go to Shift-DR
  JTAG_clock(0);
  JTAG_clock(TMS);
  JTAG_clock(0);
  JTAG_clock(0);
  // and read the IDCODES
  for(i=0; i < nbDevices; i++)
  {
    printf("IDCODE for device %d is %08X\n", i+1, JTAG_read(32));
  }

3、边界扫描

本章节讲解JTAG的边界扫描。

当TAP控制器进入“boundary-scan”的状态，其实也就是IR寄存器存入SAMPLE指令、EXTEST指令等，此时对应的DR寄存器就是边界扫描寄存器，这个寄存器将每个I/O单元连接在一起并且可以控制每个引脚。

image.png

当芯片正常过程当中也是可以进行边界扫描的，例如对正常运行中的FPGA进行边界扫描，它可以将每个管脚的状态显示出来。

3.1、SAMPLE

现在我们尝试读取管脚的值，对应的IR寄存器的指令是SAMPLE。每个芯片的具体指令数值不同，查找数据手册或者芯片的BSDL文件来获取具体的指令。

BSDL全称是boundary scan description language，它是硬件描述语言（VHDL）的一个子集。

一个BSDL文件其实就是一个描述边界链的VHDL文件。下面是阿尔特拉的BSDL文件（Cyclone EP1C3 in TQFP 100 pins package）：

attribute INSTRUCTION_LENGTH of EP1C3T100 : entity is 10;
attribute INSTRUCTION_OPCODE of EP1C3T100 : entity is
  "BYPASS            (1111111111), "&
  "EXTEST            (0000000000), "&
  "SAMPLE            (0000000101), "&
  "IDCODE            (0000000110), "&
  "USERCODE          (0000000111), "&
  "CLAMP             (0000001010), "&
  "HIGHZ             (0000001011), "&
  "CONFIG_IO            (0000001101)";
attribute INSTRUCTION_CAPTURE of EP1C3T100 : entity is "0101010101";
attribute IDCODE_REGISTER of EP1C3T100 : entity is
  "0000"&               --4-bit Version
  "0010000010000001"&   --16-bit Part Number (hex 2081)
  "00001101110"&        --11-bit Manufacturer's Identity
  "1";                  --Mandatory LSB
attribute BOUNDARY_LENGTH of EP1C3T100 : entity is 339;

从上面这个文件我们可以知道：

  • IR寄存器的长度是10位；
  • IR指令寄存器的指令清单，比如SAMPLE的是0000000101，也就是0x005；
  • 该器件的IDCODE，00001101110是厂商的代号（阿尔特拉）；
  • 边界扫描链的长度是339位。
  • 边界扫描寄存器有339位，并不意味着有339个管脚。

每一个管脚都有一个IO pad（芯片管脚处理模块），IO pad用1~3位寄存器（取决于该管脚是输入、三态输出或是输入输出均可）。

当然一些IO pad包含的寄存器不一定包含在边界扫描链中。这就解释了为什么这个100管脚的芯片有339位的边界扫描寄存器。

接着看BSDL文件：

attribute BOUNDARY_REGISTER of EP1C3T100 : entity is
  --BSC group 0 for I/O pin 100
  "0   (BC_1, IO100, input, X)," &
  "1   (BC_1, *, control, 1)," &
  "2   (BC_1, IO100, output3, X, 1, 1, Z)," &
  --BSC group 1 for I/O pin 99
  "3   (BC_1, IO99, input, X)," &
  "4   (BC_1, *, control, 1)," &
  "5   (BC_1, IO99, output3, X, 4, 1, Z)," &
  ...
  ...
  ...
  --BSC group 112 for I/O pin 1
  "336 (BC_1, IO1, input, X)," &
  "337 (BC_1, *, control, 1)," &
  "338 (BC_1, IO1, output3, X, 337, 1, Z)" ;

这一段罗列了边界扫描寄存器的339位的用途。

例如，处于第4位（其实是位3，从0开始计算的）保存的是管脚99的值。

现在读取边界扫描寄存器，并且将管脚99的值打印出来：

// go to reset state
  for(i=0; i<5; i++) JTAG_clock(TMS);
  // go to Shift-IR
  JTAG_clock(0);
  JTAG_clock(TMS);
  JTAG_clock(TMS);
  JTAG_clock(0);
  JTAG_clock(0);
  // Assuming that IR is 10 bits long,
  // that there is only one device in the chain,
  // and that SAMPLE code = 0000000101b
  JTAG_clock(1);
  JTAG_clock(0);
  JTAG_clock(1);
  JTAG_clock(0);
  JTAG_clock(0);
  JTAG_clock(0);
  JTAG_clock(0);
  JTAG_clock(0);
  JTAG_clock(0);
  JTAG_clock(0 or TMS);  // last bit needs to have TMS active, to exit shift-IR
  // we are in Exit1-IR, go to Shift-DR
  JTAG_clock(TMS);
  JTAG_clock(TMS);
  JTAG_clock(0);
  JTAG_clock(0);
  // read the boundary-scan chain bits in an array called BSB
  JTAG_read(BSB, 339);
  printf("Status of pin 99 = %d\n, BSB[3]);

3.2、边界扫描寄存器

下图是阿尔特拉数据手册中TAP状态寄存器、IR寄存器、DR寄存器结构图，各层级关系比较一目了然。

image.png

从图12中我们可以得出以下信息：

  • IR指令寄存器（Instruction Register）的值决定采用什么指令以及选择对应的DR寄存器（Data Register）；
  • Bypass Register只有一位，其指令BYPASS我们上文已经讲过，其提供从TDI到TDO最短路径；
  • 边界扫描寄存器是个移位寄存器，由芯片上所有的管脚BSC组成。
  • 阿尔特拉的BSC全称是Booundary scan cell，它可以将信号施加到管脚，或者获得管脚上的数据和内部逻辑信号。我们JTAG测试的数据也是串行输入到BSC单元中，捕获到的数据也是串行从BSC输出，进而判断测试结果。根据我的理解，此处的BSC就是我们上文提到的IO pad芯片管脚处理模块。

image.png

3.3、JTAG还可以做什么？

  • 控制芯片的引脚状态，对应的IR指令为EXTEST，表示外部测试，可以让输出管脚输出高低逻辑电平，根据输入接受到的电平信号检测JTAG链中任何设备管脚处的开路和短路情况；
  • 用于FPGA和CPLD的配置；
  • JTAG接口可以作为调试端口。

怎么样，通过本文的讲解是不是对JTAG有了基本的认识。

参考资料

END

文章来源：TrustZone

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