JTAG標準的狀態機實現

JTAG作為一項國際標準測試協議（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片內部測試和調試。目前的主流芯片均支持JTAG協議，如DSP、FPGA、ARM、部分單片機等。標準的JTAG接口是20Pin，但JTAG實際使用的只有4根信號線，再配合電源、地。目前常見的各種接口形式（20pin、14pin、10pin）：

JTAG標準介紹

JTAG的基本原理是在器件內部定義一個TAP（Test Access Port）（測試訪問口）通過專用的JTAG測試工具對內部節點進行測試。JTAG測試允許多個器件通過JTAG接口串聯在一起，形成一個JTAG鏈，能實現對各個器件分別測試。JTAG引腳的定義如下列表所示：

TCK：TCK在IEEE1149.1標準里是強制要求的。TCK為TAP的操作提供了一個獨立的、基本的時鐘信號，TAP的所有操作都是通過這個時鐘信號來驅動的；

TMS：TMS在IEEE1149.1標準里是強制要求的。TMS信號在TCK的上升沿有效，用來控制TAP狀態機的轉換。通過TMS信號，可以控制TAP在不同的狀態間相互轉換；

TDI：TDI在IEEE1149.1標準里是強制要求的。TDI是數據輸入的接口，所有要輸入到特定寄存器的數據都是通過TDI接口一位一位串行輸入的（由TCK驅動）；

TDO：TDO在IEEE1149.1標準里是強制要求的。TDO是數據輸出的接口，所有要從特定的寄存器中輸出的數據都是通過TDO接口一位一位串行輸出的（由TCK驅動）；

TRST：可選項，TRST可以用來對TAP控制器進行復位（初始化）。因為通過TMS也可以對TAP控制器進行復位（初始化），所以有四線JTAG與五線JTAG之分；

RTCK：可選項，由目標端反饋給仿真器的時鐘信號，用來同步TCK信號的產生，不使用時直接接地；

nSRST：可選性與目標板上的系統復位信號相連，可以直接對目標系統復位。同時可以檢測目標系統的復位情況，為了防止誤觸發，應在目標端是哪個加上適當的上拉電阻；

JTAG標準的信號時序如下圖所示：

通過JTAG連接，可以完成如下的功能：

對所有串接在一起的IC進行引腳連接性測試，確認PCB是否焊接正常；

對CPU、DSP、FPGA等進行調試；

通過JTAG對FPGA進行編程。

進行引腳連接測試的JTAG用法如下圖所示，各個芯片引腳的連通狀態可以一次串接通信到PC的TDO引腳中。

按照菊花鏈方式串接調試的JTAG用法如下圖所示，多個串接在一起的CPU和FPGA都能夠一起進行調試和測試。

上圖可以看出JTAG的調試原理：

所有調試芯片的IR寄存器串接在一起，然后進行串行移位，最后，所有數據都進入到JTAG口的TDO中；PC通過對TDO數據的串并轉換，獲得每個CPU、DPS或FPGA的內部寄存器狀態。

PC將需要寫入CPU、DSP或FAPG的數據通過并串轉換放置到TDI總線上，最后通過狀態移位到規定的CPU寄存器上，最后通過TMS制定生效時刻。

TCK就是TDI和TDO的移位時鐘，而TMS則是控制指令。

因此，JTAG通過一個標準狀態機就能夠將CPU/DSP/FPGA的內部狀態查明，也能改變內部寄存器內容，這也是一種狀態控制原理。在1990年之前，JTAG的狀態機基本是由各個廠商自行定義的，但后來出現的IEEE1149.1標準對狀態轉移過程進行了標準化。在某種意義上講，JTAG的狀態機實現過程是最佳的FSM學習對象。

JTAG狀態機設計

JTAG內部的狀態轉換圖如下圖所示，其中的狀態值可以由讀者自行定義，但推薦采用獨熱編碼或者格雷碼進行編碼。其中連續的5個TMS為1時，就會回到Test-Logic-Reset狀態。

下面的代碼是實現JTAG功能的FSM部分，該代碼已經應用到多款ASIC芯片中，具有較高的研究價值。

//TAP FSM implementation

module tap_FSM #(parameter sync_mode = 1)(

input tck,

input trst_n,

input tms,

input tdi,

output byp_out,

output updateIR,reset_n,

output reg clockDR, updateDR, clockIR, tdo_en, shiftDR,shiftIR,

output selectIR, sync_capture_en, sync_update_dr, flag,

output [15:0] tap_state

);

//Inter signal declaration

reg [15:0] state;

reg [15:0] next_s;

reg scan_out_a, scan_out_s, updateIR_a;

localparam TEST_LOGIC_RESET = 16'h0001, RUN_TEST_IDLE = 16'h0002, SELECT_DR_SCAN = 16'H0004,

CAPTURE_DR= 16'h0008, SHIFT_DR = 16'h0010, EXIT1_DR = 16'h0020,PAUSE_DR = 16'h0040,

EXIT2_DR = 16'h0080, UPDATE_DR= 16'h0100, SELECT_IR_SCAN = 16'h0200,

CAPTURE_IR= 16'h0400, SHIFT_IR = 16'h0800, EXIT1_IR = 16'h1000,

PAUSE_IR = 16'h2000, EXIT2_IR = 16'h4000, UPDATE_IR= 16'h8000;

assign flag = state[10] || state[11];

wire updateIR_s = state == UPDATE_IR;

assign updateIR = sync_mode ? updateIR_s : updateIR_a;

assign tap_state= state;

always @(posedge tck or negedge trst_n)

if ( !trst_n )

state<=TEST_LOGIC_RESET;

else

state<=next_s;

always @(*)

case(state)

TEST_LOGIC_RESET: if(tms)

next_s=TEST_LOGIC_RESET;

else

next_s=RUN_TEST_IDLE;

RUN_TEST_IDLE: if( tms )

next_s=SELECT_DR_SCAN;

else

next_s=RUN_TEST_IDLE;

SELECT_DR_SCAN: if(tms)

next_s=SELECT_IR_SCAN;

else

next_s=CAPTURE_DR;

CAPTURE_DR: if(tms)

next_s=EXIT1_DR;

else

next_s=SHIFT_DR;

SHIFT_DR: if(tms)

next_s=EXIT1_DR;

else

next_s=SHIFT_DR;

EXIT1_DR: if(tms)

next_s=UPDATE_DR;

else

next_s=PAUSE_DR;

PAUSE_DR: if(tms)

next_s=EXIT2_DR;

else

next_s=PAUSE_DR;

EXIT2_DR: if(tms)

next_s=UPDATE_DR;

else

next_s=SHIFT_DR;

UPDATE_DR: if(tms)

next_s=SELECT_DR_SCAN;

else

next_s=RUN_TEST_IDLE;

SELECT_IR_SCAN:if(tms)

next_s=TEST_LOGIC_RESET;

else

next_s=CAPTURE_IR;

CAPTURE_IR: if(tms)

next_s=EXIT1_IR;

else

next_s=SHIFT_IR;

SHIFT_IR: if(tms)

next_s=EXIT1_IR;

else

next_s=SHIFT_IR;

EXIT1_IR: if(tms)

next_s=UPDATE_IR;

else

next_s=PAUSE_IR;

PAUSE_IR: if(tms)

next_s=EXIT2_IR;

else

next_s=PAUSE_IR;

EXIT2_IR: if(tms)

next_s=UPDATE_IR;

else

next_s=SHIFT_IR;

UPDATE_IR: if(tms)

next_s=SELECT_DR_SCAN;

else

next_s=RUN_TEST_IDLE;

endcase

//FSM outputs

reg rst_n;

//reg clockDR, updateDR, clockIR, tdo_en, rst_n, shiftDR, shiftIR;

//ClockDR/ClockIR - posedge occurs at the posedge of tck

//updateDR/updateIR - posedge occurs at the negedge of tck

always @( tck or state )begin

if ( !tck && ( state == CAPTURE_DR || state == SHIFT_DR ))

clockDR = 0;

else

clockDR = 1;

if ( !tck && ( state == UPDATE_DR ))

updateDR = 1;

else

updateDR = 0;

if ( !tck && ( state == CAPTURE_IR || state == SHIFT_IR ))

clockIR = 0;

else

clockIR = 1;

if ( !tck && ( state == UPDATE_IR ))

updateIR_a = 1;

else

updateIR_a = 0;

end

always @( negedge tck )

if ( state == SHIFT_IR || state == SHIFT_DR )

tdo_en <= 1;

else

tdo_en <= 0;

always @( negedge tck )

if ( state == TEST_LOGIC_RESET )

rst_n <= 0;

else

rst_n <= 1;

always @(negedge tck or negedge trst_n)

if ( !trst_n )

shiftDR <= 0;

else if ( state == SHIFT_DR )

shiftDR <= 1;

else

shiftDR <= 0;

always @(negedge tck or negedge trst_n)

if ( !trst_n )

shiftIR <= 0;

else if ( state == SHIFT_IR )

shiftIR <= 1;

else

shiftIR <= 0;

assign reset_n = rst_n & trst_n;

assign selectIR = state == SHIFT_IR;

assign sync_capture_en = ~(shiftDR | (state == CAPTURE_DR) | (state == SHIFT_DR));

assign sync_update_dr = state == UPDATE_DR;

always @( posedge clockDR )

scan_out_a <= shiftDR & tdi & ~(state == CAPTURE_DR);

wire nxt_st_3 = (state == SELECT_DR_SCAN) & ~tms;

wire nxt_st_4 = ((state == CAPTURE_DR) & ~tms) || ( state == SHIFT_DR & ~tms);

reg sel;

always @(posedge tck or negedge trst_n)

if(!trst_n )

sel <= 0;

else

sel <= ~(nxt_st_3 | nxt_st_4);

wire scan_out = sel ? scan_out_s : shiftDR & tdi;

always @(posedge tck )

scan_out_s <= scan_out & ~(state == CAPTURE_DR);

assign byp_out = sync_mode ? scan_out_s : scan_out_a;

endmodule

對于上述代碼，還有一種非常簡潔的描述，同樣是三段式描述風格，但最重要的組合電路部分可通過手工推導，直接將always描述的組合電路化簡為最小邏輯實現代碼。

module vjtag (

input clk, // Internal clock

input tdo_mux,// TDO before the negative edge flop

input bypass, // JTAG instruction=BYPASS

input tck, // clock input

input trst_n, // optional async reset active low

input tms, // Test Mode Select

input tdi, // Test Data In

output reg tdo, // Test Data Out

output reg tdo_enb,//Test Data Out tristate enable

output tdi_r1, // TDI flopped on TCK.

output tck_rise, // tck rate clock enable

output captureDR,// JTAG state=CAPTURE_DR

output shiftDR, // JTAG state=SHIFT_DR

output updateDR, // JTAG state=UPDATE_DR

output captureIR,// JTAG state=CAPTURE_IR

output shiftIR, // JTAG state=SHIFT_IR

output updateIR

);

reg tck_r1,tck_r2,tck_r3;

reg tdi_f_local; // local version

wire tdo_enb_nxt; // D input to TDO_ENB flop

wire tdo_nxt; // D input to TDO flop

wire itck_rise;

wire tck_fall;

reg [3:0] state; // current state

wire a,b,c,d,a_nxt,b_nxt,c_nxt,d_nxt;

assign a = state[0];

assign b = state[1];

assign c = state[2];

assign d = state[3];

assign a_nxt=(~tms & ~c & a) |(tms & ~b)|(tms & ~a)|(tms & d & c);

assign b_nxt=(~tms & b & ~a) |(~tms & ~c)|(~tms & ~d & b)|(~tms & ~d & ~a)|(tms & c & ~b)|(tms & d & c & a);

assign c_nxt=(c & ~b)|(c & a)|(tms & ~b);

assign d_nxt=(d & ~c)|(d & b)|(~tms & c & ~b)|(~d & c & ~b & ~a);

assign tdo_enb_nxt = state == 4'b0010 | state == 4'b1010 ? 1'b1 : 1'b0;

assign captureIR = state == 4'b1110 ? 1'b1 : 1'b0;

assign shiftIR = state == 4'b1010 ? 1'b1 : 1'b0;

assign updateIR = state == 4'b1101 ? 1'b1 : 1'b0;

assign captureDR = state == 4'b0110 ? 1'b1 : 1'b0;

assign shiftDR = state == 4'b0010 ? 1'b1 : 1'b0;

assign updateDR = state == 4'b0101 ? 1'b1 :1'b0;

assign tdo_nxt = bypass == 1'b1 & state == 4'b0010 ? tdi_f_local : tdo_mux;

assign tdi_r1 = tdi_f_local;

always @(posedge clk) begin : rtck_proc

tck_r3 <= tck_r2;

tck_r2 <= tck_r1;//synchronizers for edge detection

tck_r1 <= tck;

end

assign tck_rise = itck_rise;

assign itck_rise = tck_r2 & ~tck_r3;

assign tck_fall = ~tck_r2 & tck_r3;

always @(posedge clk)

if (trst_n == 1'b0)

state <= 4'b1111;

else if (itck_rise == 1'b1)begin

state <= {d_nxt, c_nxt, b_nxt, a_nxt};

end

always @(posedge clk)

if (trst_n == 1'b0)

tdi_f_local <= 1'b0;

else if (itck_rise == 1'b1 ) begin

tdi_f_local <= tdi;

end

always @(posedge clk)

if (trst_n == 1'b0)begin

tdo <= 1'b0;

tdo_enb <= 1'b0;

end

else if (tck_fall == 1'b1 ) begin

tdo <= tdo_nxt;

tdo_enb <= tdo_enb_nxt;

end

endmodule // module vjtag

JTAG接口除了標準的4信號引腳外，TI還定義了一種叫做SBW-JTAG的接口，僅用兩根引腳（SBWTCK、SBWTDIO）即可實現JTAG功能，通常用于引腳受限的芯片上。ARM的Cortex-M系列CPU均包含SW-JTAG定義標準。

原文鏈接：

https://blog.csdn.net/sinat_31206523/article/details/115495041