0
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

推荐阅读

更多物联网安全，PSA等技术干货请关注平台安全架构(PSA)专栏。欢迎添加极术小姐姐微信（id:aijishu20)加入PSA技术交流群，请备注研究方向。
​
0 阅读 1.4k
推荐阅读
车载SoC芯片产业分析报告(一)：车载SoC芯片基本介绍 浅谈智能座舱SoC芯片 SoC芯片知识点整理 SoC芯片设计验证详解 车载SoC芯片产业分析报告(二)：车载SoC芯片产业链分析 了解低功耗蓝牙SOC芯片应用需求
平台安全架构(PSA)
关注数
4570
内容数
191
Arm发布的PSA旨在为物联网安全提供一套全面的安全指导方针，使从芯片制造商到设备开发商等价值链中的每位成员都能成功实现安全运行。
关注专栏 专栏主页
目录
极术微信服务号
关注极术微信号
实时接收点赞提醒和评论通知
安谋科技学堂公众号
关注安谋科技学堂
实时获取安谋科技及 Arm 教学资源
安谋科技招聘公众号
关注安谋科技招聘
实时获取安谋科技中国职位信息