边界扫描结构和IEEE1149_1标准

数据寄存器扫描和指令寄存器扫描彼此映像，
总第89期
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增加了协议传输的对称性，当任何一个模块进入时， 首先的操作就是捕获操作，对于数据寄存器， Capture-DR 状态用来捕获（或平行负载）数据到选 择的串行数据通道，如果边界扫描寄存器（BSR） 为选定的数据寄存器，正常的数据输入（NDI）在 这一状态被捕获。在指令寄存器中，Capture -IR 状 态用于捕获状态信息到指令寄存器。TAP 从捕获状 态传输到移位（Shift）或 Exit1 状态，通常地，移 位状态跟随捕捉状态，这样测试数据获状态信息可 以移出以便于观察，并且新的数据可以移入。移位 状态以后 ，TAP 通 过 Exit1 返回运行测试 /空闲 （Run-Test/Idle）状态并刷新状态，或通过 Exit1 进 入暂停状态，之所以进入暂停状态，就是为了在一 个所需操作的执行过程中，通过选择的数据寄存器 或指令寄存器暂缓数据的移动。从暂停状态开始， 通过 Exit2 状态再次进入移位状态，或者通过 Exit2 和刷新状态进入到运行测试/空闲（Run-Test/idle） 状态而终止的方式，移位可以重新开始。
（1．海军航空工程学院科研部；2．海军航空工程学院研究生管理大队，山东烟台，264001； 3．北京市第 34 信箱 79 分箱，北京，100076）
摘 要：介绍了边界扫描的基本结构、边界扫描测试操作流程、测试接口和 IEEE 1149.1 标准规定的数据寄存器 和指令寄存器，以及 IEEE 1149.1 标准规定必须的 3 个指令。
边界扫描寄存器
B
S
C B
S
B
C
S
C
输 入 管
核
B S
B
C
S C
心
输 出
脚
管
B
逻
B S
脚
S
C
C
辑
B
B
S
S
C
C
用户数据 寄存器
TDI
旁路
寄存器
指令 寄存器
TMS TAP
TCK
TDO
图2 边界扫描结构
TAP由测试时钟（TCK）和测试模式选择（TMS） 输入端控制，TCK和TMS输入端决定是否进行指令 寄存器扫描还是进行数据寄存器执行扫描操作。 TAP由一个控制状态机组成，该状态机由TCK输入
主状态由测试逻辑复位（Test-Logic-Reset）、 运行测试/空闲（Run-Test/Idle）、数据寄存器移位 （Shift-DR）、数据寄存器暂停（Pause-DR）、指 令 寄 存 器 移 位 （ Shift-IR ） 和 指 令 寄 存 器 暂 停 （Pause-IR）这6个固定状态组成。这一协议的一个 特 色 就 是 当 TMS 设 置 为 高 位 时 只 存 在 一 个 稳 定 状 态：测试逻辑复位（Test-Logic-Reset）。这就意味 着通过设置TMS为高位，在５个或更少的TCK时钟 周期内就能实现测试逻辑复位。当功耗增大或主IC 正常操作期间，通过设置TMS为高位或使用5个或 更多的TCK，或主IC正常工作时，如果TMS设置为 高位或者使用5个或更多的TCK，TAP将设置到测试 逻辑重新设置状态。在这种情况下，TAP发出一个 reset信号，使所有的测试逻辑处于不影响主芯片正 常 工 作 的 状 态 。 当 需 要 测 试 读 取 时 ， 通 过 TMS 和 TCK 输 入 端 应 用 协 议 ， 使 TAP 退 出 测 试 逻 辑 复 位 （Test-Logic-Reset）状态，并进入合适的状态。如 图3所示，指令寄存器扫描和数据寄存器扫描可以通 过合适的状态从运行测试/空闲状态进入TAP传输。
第 21 卷 第 5 期 2006 年 9 月
海军航空工程学院学报
JOURNAL OF NAVAL AERONAUTICAL ENGINEERING INSTITUTE
Vol. 21 No.5 Sep. 2006
边界扫描结构和 IEEE 1149.1 标准
王新政 1，蔡绪涛 2，陈 达 2，王浩宇 3，
基于进入数据寄存器扫描或指令寄存器扫描模 块，在捕捉和移位操作过程中，在选定的扫描通道 中的影像锁存器保持当前状态，当TAP进入UpdateDR或Update-IR状态时，移入到选定扫描通道的数 据通过影像锁存器输出，刷新状态使影像锁存器刷 新（或并行加载）移位到所选择的扫描通道中的新 数据。图4给出了TAP控制输出信号以及指令寄存器 与数据寄存器的互联。
边界扫描寄存器
设备标识寄存器 特殊设计的测试数据寄存器 TDI 特殊设计的测试数据寄存器
MUX
到 TDO 多路复用器
特殊设计的测试数据寄存器 旁路寄存器
3 IEEE 1149.1 寄存器
IEEE 1149.1标准中描述了所必需的寄存器和 可选择寄存器，以下介绍该标准所需的寄存器。[3]
来 自 指 令 寄 存 器 、 TAP控 制 器 等 的时钟和控制信号
在经过大约200家主要跨国电子公司的几千人 的合作研究后，IEEE 1149.1作为公共的协议和边界 扫描结构，而成为一个行业标准。开发IEEE 1149.1 的过程中，早期作出贡献的公司有AT&T、DEC、 Ericsson 、 IBM 、 Nixdorf 、 Philips 、 Siemens 和 TI ， 这些公司认为，在当今这种极具竞争的电子市场中，
图6 测试数据寄存器结构
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海军航空工程学院学报
2006 年 第 5 期
4 IEEE 1149.1 指令
IEEE 1149.1定义了9个指令，其中3个是必需 的，另外6个是可选择的。下面主要介绍一下所必需 的测试指令。[3]
（1）BYPASS指令 该指令允许IC保持在功能模式并且选择旁路寄 存器连接在TDI和TDO之间，BYPASS指令允许连续 数据从TDI传输到TDO，同时不会影响IC的操作， 该指令的位代码由IEEE 1149.1定义为1。 （2）SAMPLE/PRELOAD指令 SAMPLE/PRELOAD指令允许IC保持在它的功 能模式，并选择边界扫描寄存器连接在TDI和TDO 之间。在这一指令中，边界扫描寄存器可以通过数 据扫描操作访问和采样进入或离开IC的功能数据， 该指令同时也用来在负载EXTEST指令之前预载测 试数据到边界扫描寄存器中。使用者可以定义这个 指令的位代码。 （3）EXTEST指令 EXTEST指令将IC置入外部边界测试模式，并 且选择连接在TDI和TDO之间的边界扫描寄存器。 在这个指令中，通过边界输出读取芯片的测试数据， 通过边界输入接受芯片的测试数据。这一指令的位 码由IEEE 1149.1定义为0。 IEEE 1149.1标 准 还 定 义 了 6个 可 选 的 指 令 ： INTEST指令，RUNBIST指令，CLAMP指令，HIGHZ 指令，INCODE指令和USERCODE指令，这里不作 赘述。
促进IEEE 1149.1发展的一个重要因素就是表 面封装技术的不成熟性。许多情况下，如果印刷线 路板是电连接的，很容易就会发现：表面封装元件 的边界扫描路径提供执行器件间的连续性测试的唯 一方法。通过在一个器件的输出缓存处设置一个已 知状态，并观察另外相连器件的输入缓存，就能很 容易看出印刷线路板（PWB）是否良好连接，这一 简单的测试显示开路通道、冷压焊连接、压焊桥或 在IC缓存器中由静电泄漏（ESD） 造成的失效等 PWB中所有常见的问题。[1]
关键词：边界扫描结构；测试操作；IEEE 1149.1 寄存器；IEEE 1149.1 指令
中图分类号：TP 306
文献标识码：A
边界扫描是一种特殊类型的扫描技术，在电路 的每一个I/O管脚加入一个寄存器，尽管在一些管脚 处需要一个额外附加的锁存器，该技术可以提供一 些重要的好处，它最明显的优点就是允许在元件级 进行误差隔离。
NDI
BSC
BSC
应用逻辑
NDO
TDI
TDO
图1 边界扫描示例
互联的BSC在主IC测试数据输入（TDI）管脚 和测试数据输出（TDO）管脚之间组成了一个扫描 通道，在正常的IC操作中，输入和输出信号可以从 正常的数据输入（NDI）到正常的数据输出（NDO）， 自由地通过每个BSC。然而，当进入边界扫描模式 时，测试激励可以从每一个BSC的输出端进入，测 试响应可以在每个BSC的输出端捕获并移出，以便
状态0 状态1 状态6 状态7
TDI CLOCKIR
SHIFTIR
76
10
指令移位寄存器
TDO
RESET
76
10
UPDATEIR
指令影像锁存器
76
10
指令寄存器输出
图5 通用指令寄存器结构
3.2 数据寄存器
IEEE 1149.1标准要求两个数据寄存器：边界扫 描寄存器和旁路寄存器，另外还有可选的设备标识 寄存器和附加的用户自定义数据寄存器。从初级 TDI输入到初级TDO输出，数据寄存器并行排列。 在数据寄存器扫描操作过程中，指令寄存器提供访 问其中一个数据寄存器的地址，地址寄存器通过数 据寄存器移位使能端（SHIFT-DR）和数据寄存器时 钟（CLOCK-DR）输入预载测试响应，从TDI到TDO 移位数据，来接受TAP的控制信号。数据寄存器扫 描期间，来自TAP的SELECT输出选定数据寄存器 的输出端驱动TDO管脚，当访问数据寄存器中的一 个扫描通道时，所有其他的扫描通道都保持当前的 状态。图6为测试数据寄存器的结构。
边界扫描技术的一个不太明显的优点就是通过 扫描路径，应用预先开发的功能模式给IC的I/O管脚 设置一定的值，对DC测试，IC的生产商和ASIC的 开发者产生功能模式设置。这些模式可以在IC的线 上功能测试中重复使用，在系统诊断中对这些模式 的重复使用可以节省大量的开发资源，尤其对于多 种IC具有嵌入的边界扫描通道的系统更是如此。[2]
2 边界扫描结构、测试访问端口及测试操作