JTAG基本介绍

JTAG

1. JTAG接口形式

JTAG作为一项国际标准测试协议（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片内部测试和调试。目前的DSP、FPGA、ARM、部分单片机等主流芯片均支持JTAG协议。标准的JTAG接口是20Pin，但JTAG实际使用的只有4根信号线，再配合电源、地。目前常见的各种接口形式（20pin、14pin、10pin）：

2. JTAG标准介绍

JTAG的基本原理是在器件内部定义一个TAP（Test Access Port）（测试访问口）通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。TAP是Test Access Port（测试访问端口）的缩写，是芯片内部一个通用的端口，通过TAP可以访问芯片提供的所有数据寄存器（DR）和指令寄存器（IR），对整个TAP的控制是通过TAP控制器（TAP Controller）完成的。

JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试。JTAG引脚的定义如下列表所示：

• TCK：TCK在IEEE1149.1标准里是强制要求的。TCK为TAP的操作提供了一个独立的、基本的时钟信号，TAP的所有操作都是通过这个时钟信号来驱动的；
• TMS：TMS在IEEE1149.1标准里是强制要求的。TMS信号在TCK的上升沿有效，用来控制TAP状态机的转换。通过TMS信号，可以控制TAP在不同的状态间相互转换；
• TDI：TDI在IEEE1149.1标准里是强制要求的。TDI是数据输入的接口，所有要输入到特定寄存器的数据都是通过TDI接口一位一位串行输入的（由TCK驱动）；
• TDO：TDO在IEEE1149.1标准里是强制要求的。TDO是数据输出的接口，所有要从特定的寄存器中输出的数据都是通过TDO接口一位一位串行输出的（由TCK驱动）；
• TRST：可选项，TRST可以用来对TAP控制器进行复位（初始化）。因为通过TMS也可以对TAP控制器进行复位（初始化），所以有四线JTAG与五线JTAG之分；
• RTCK：可选项，由目标端反馈给仿真器的时钟信号，用来同步TCK信号的产生，不使用时直接接地；
• nSRST：可选性与目标板上的系统复位信号相连，可以直接对目标系统复位。同时可以检测目标系统的复位情况，为了防止误触发，应在目标端是哪个加上适当的上拉电阻；

3. JTAG功能作用

通过JTAG连接，可以完成如下的功能：

• 对所有串接在一起的IC进行引脚连接性测试，确认PCB是否焊接正常；
• 对CPU、DSP、FPGA等进行调试；
• 通过JTAG对FPGA进行编程。

进行引脚连接测试的JTAG用法如下图所示，各个芯片引脚的连通状态可以一次串接通信到PC的TDO引脚中。

按照菊花链方式串接调试的JTAG用法如下图所示，多个串接在一起的CPU和FPGA都能够一起进行调试和测试。

4. JTAG的调试原理

上图可以看出JTAG的调试原理：

所有调试芯片的IR寄存器串接在一起，然后进行串行移位，最后，所有数据都进入到JTAG口的TDO中；PC通过对TDO数据的串并转换，获得每个CPU、DPS或FPGA的内部寄存器状态。

PC将需要写入CPU、DSP或FAPG的数据通过并串转换放置到TDI总线上，最后通过状态移位到规定的CPU寄存器上，最后通过TMS制定生效时刻。

TCK就是TDI和TDO的移位时钟，而TMS则是控制指令。

因此，JTAG通过一个标准状态机就能够将CPU/DSP/FPGA的内部状态查明，也能改变内部寄存器内容，这也是一种状态控制原理。在1990年之前，JTAG的状态机基本是由各个厂商自行定义的，但后来出现的IEEE1149.1标准对状态转移过程进行了标准化。在某种意义上讲，JTAG的状态机实现过程是最佳的FSM学习对象。

5. TAP控制器的状态机

TAP是Test Access Port（测试访问端口）的缩写，是芯片内部一个通用的端口，通过TAP可以访问芯片提供的所有数据寄存器（DR）和指令寄存器（IR），对整个TAP的控制是通过TAP控制器（TAP Controller）完成的。

TAP控制器有16个同步状态，控制器的下一个状态TMS信号决定，TMS信号在TCK的上升沿被采样生效。

（1）Test-Logic-Reset测试逻辑复位状态

处于这种状态下，测试逻辑被禁止以允许芯片正常操作，读IDCODE寄存器将禁止测试逻辑。

无论TAP控制器处于何种状态，只要将TMS信号在5个连续的TCK信号的上升沿保持高电平，TAP就将进入Test-Logic-Reset状 态，如果TMS信号一直为高电平，那么TAP将保持在Test-Logic-Reset状态，另外TRST信号也可以强迫TAP进入Test- Logic-Reset状态。

处于Test-Logic-Reset状态的TAP，如果下一个TCK的上升沿时TMS信号处于低电平，那么TAP将被切换到Run-Test-Idle状态。

（2）Run-Test-Idle运行测试空闲状态

Run-Test-Idle是TAP控制器扫描操作空闲状态，如果TMS信号一直处于低电平，那么TAP将保持在TRun-Test-Idle状态。当TMS信号在TCK上升沿处于高电平，TAP控制器将进入Select-DR-Scan状态。

（3）Select-DR-Scan选择数据寄存器扫描状态

Select-DR-Scan是TAP控制器的一个临时状态，边界扫描寄存器BSR保持它们先前的状态。

当TMS信号在下一个TCK上升沿处于低电平，TAP控制器进入Capture-DR状态，一个边界扫描寄存器的扫描操作同时被初始化。

如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于高电平，TAP控制器将进入Select-IR-Scan状态。

（4）Capture-DR捕获数据寄存器状态

如果TAP控制器处于Capture-DR状态，且当前指令是SAMPLE/PRELOAD指令，那么边界扫描寄存器BSR在TCK信号的上升沿捕 获输入管脚的数据。如果此时不是SAMPLE/PRELOAD指令，那么BSR保持它们先前的值，另外BSR的值被放入连接在TDI和TDO管脚之间的移 位寄存器中。

处于Capture-DR状态时，指令不会被改变。

如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于高电平，TAP进入Exit1-DR状态。如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于低电平，则TAP进入Shift-DR状态。

（5）Shift-DR移位数据寄存器状态

在Shift-DR状态下，在每个TCK的上升沿，TDI-移位寄存器-TDO串行通道向右移一位，TDI的数据移入移位寄存器，移位寄存器最靠近TDO的位移到TDO管脚上。

处于Shift-DR状态时，指令不会被改变。

如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于高电平，TAP进入Exit1-DR状态。如果TMS信号处于低电平，则TAP一直进行移位操作。

（6）Exit1-DR退出数据寄存器状态1

Exit1-DR是TAP控制器的一个临时状态，如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于高电平，TAP进入Update-DR状态；如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于低电平，则TAP进入Pause-DR状态。

处于Exit1-DR状态时，指令不会被改变。

（7）Pause-DR暂停数据寄存器状态

Pause-DR状态允许TAP控制器暂时停止TDI-移位寄存器-TDO串行通道的移位操作。

处于Pause-DR状态时，指令不会被改变。

如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于高电平，TAP进入Exit2-DR状态；如果TMS信号处于低电平，则TAP一直保持暂停状态。

（8）Exit2-DR退出数据寄存器状态2

Exit2-DR也是TAP控制器的临时状态，如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于高电平，TAP进入Update-DR状态，结束扫描操作；如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于低电平，则TAP重新进入Shift-DR状态。

处于Exit2-D状态时，指令不会被改变。

（9）Update-DR更新数据寄存器状态

在正常情况下，边界扫描寄存器BSR的值是被锁存在并行输出管脚中，以免在EXTEST或SAMPLE/PRELOAD命令下执行移位操作时改变 BSR的值。当处于Update-DR状态时选择的是BSR寄存器，那么移位寄存器中的值将在TCK的下降沿被锁存到BSR寄存器的并行输出管脚中去。

处于Update-DR状态时，指令不会被改变。

如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于高电平，TAP进入Select-DR-Scan状态；如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于低电平，则TAP进入Run-Test-Idle状态。

（10）Select-IR-Scan选择指令寄存器扫描状态

Select-IR-Scan是TAP控制器的一个临时状态。

如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于低电平，TAP控制器进入Capture-IR状态，一个对指令寄存器的扫描操作同时被初始化。

如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于高电平，TAP控制器将进入Test-Logic-Reset状态。

处于Select-IR-Scan状态时，指令不会被改变。

（11）Capture-IR捕获指令寄存器状态

处于Capture-IR状态时，指令寄存器中的值被固定设置成0b0000001，并将它放入连接在TDI与TDO之间的移位寄存器中。

处于Capture-DR状态时，指令不会被改变。

如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于高电平，TAP进入Exit1-IR状态；如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于低电平，则TAP进入Shift-IR状态。

（12）Shift-IR移位指令寄存器状态

在Shift-IR状态下，在每个TCK的上升沿，TDI-移位寄存器-TDO串行通道向右移一位，JTAG指令从TDI管脚上被逐位移入移位寄存器，而移位寄存器中的0b0000001则被逐位从TDO管脚移出。

处于Shift-IR状态时，指令不会被改变。

如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于高电平，TAP进入Exit1-IR状态；如果TMS信号处于低电平，则TAP一直进行移位操作。

（13）Exit1-IR退出指令寄存器状态1

Exit1-IR是TAP控制器的一个临时状态，如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于高电平，TAP进入Update-IR状态；如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于低电平，则TAP进入Pause-IR状态。

处于Exit1-IR状态时，指令不会被改变。

（14）Pause-IR暂停指令寄存器状态

Pause-IR状态允许TAP控制器暂时停止TDI-移位寄存器-TDO串行通道的移位操作。

处于Pause-IR状态时，指令不会被改变。

如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于高电平，TAP进入Exit2-IR状态；如果TMS信号处于低电平，则TAP一直处于暂停状态。

（15）Exit2-IR退出指令寄存器状态2

Exit2-IR也是TAP控制器的临时状态，如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于高电平，TAP进入Update-IR状态，结束扫描操作；如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于低电平，则TAP重新进入Shift-IR状态。

处于Exit2-D状态时，指令不会被改变。

（16）Update-IR更新指令寄存器状态

处于Update-IR状态时，移位寄存器中的值将在TCK的下降沿被锁存到指令寄存器中，一旦锁存成功，新的指令将成为当前的指令。

如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于高电平，TAP进入Select-DR-Scan状态；如果TMS信号在下一个TCK上升沿处于电平，则TAP进入Run-Test-Idle状态。

6. JTAG接口指令集

JTAG接口指令集包含以下常用指令：

（1）EXTEST指令

外部测试指令，必须全为0，TAP强制定义。该指令初始化外部电路测试，主要用于板级互连以及片外电路测试。

EXTEST指令在Shift-DR状态时将扫描寄存器BSR寄存器连接到TDI与TDO之间。在Capture-DR状态时，EXTEST指令将 输入管脚的状态在TCK的上升沿装入BSR中。EXTEST指令从不使用移入BSR中的输入锁存器中的数据，而是直接从管脚上捕获数据。在Update- DR状态时，EXTEST指令将锁存在并行输出寄存器单元中的数据在TCK的下降沿驱动到对应的输出管脚上去。

（2）SAMPLE/PRELOAD指令

采样/预装载指令，TAP强制定义。在Capture-DR状态下，SAMPLE/PRELOAD指令提供一个从管脚到片上系统逻辑的数据流快照， 快照在TCK的上升沿提取。在Update-DR状态时，SAMPLE/PRELOAD指令将BSR寄存器单元中的数据锁存到并行输出寄存器单元中，然后 由EXTEST指令将锁存在并行输出寄存器单元中的数据在TCK的下降沿驱动到对应的输出管脚上去。

（3）BYPASS指令

旁路指令，必须全为1，TAP强制定义。BYPASS指令通过在TDI和TDO之间放置一个1位的旁通寄存器，这样移位操作时只经过1位的旁通寄存 器而不是很多位（与管脚数量相当）的边界扫描寄存器BSR，从而使得对连接在同一JTAG链上主CPU之外的其他芯片进行测试时提高效率。

（4）IDCODE指令

读取CPU ID号指令，TAP强制定义。该指令将处理器的ID号寄存器连接到TDI和TDO之间。

7. 总结

以上主要讲述JTAG的使用和内部工作方式，简单描述了微电子中一些电路设计方式，整个JTAG的关键在于先通过IR地址输入，打开对应的寄存器，在通过DR输入或者读取数据，具体实现需要根据手册中指令的格式输入，才能进入对应寄存器。