深入解析 SCANSTA111：增強型掃描橋多分支可尋址 IEEE 1149.1（JTAG）端口芯片

在電子測試領域，IEEE 1149.1（JTAG）標準一直是板級和系統級測試的重要手段。而 Texas Instruments 的 SCANSTA111 芯片，作為一款增強型掃描橋多分支可尋址 JTAG 端口芯片，為復雜系統的測試提供了更強大的解決方案。今天，我們就來深入剖析這款芯片的特性、架構、工作模式以及相關應用。

文件下載：scansta111.pdf

一、SCANSTA111 特性亮點

1. 真正的 IEEE 1149.1 分層和多分支可尋址能力

SCANSTA111 的 7 個插槽輸入支持多達 121 個唯一地址、1 個詢問地址、1 個廣播地址和 4 個多播組地址（地址 000000 保留）。這種豐富的地址配置能力，使得在一個復雜的測試網絡中，可以精確地選擇和控制每一個芯片，大大提高了測試的靈活性和效率。

2. 3 個兼容 IEEE 1149.1 的可配置本地掃描端口

每個本地掃描端口都可以獨立或組合地插入掃描鏈中。通過模式寄存器 0，用戶可以方便地配置本地 TAP（測試訪問端口）的狀態，例如繞過某些 TAP、將其單獨或分組插入掃描鏈。此外，透明模式可以通過單個指令啟用，將背板的 IEEE 1149.1 引腳方便地緩沖到單個本地掃描端口上。

3. 其他實用特性

• LSP ACTIVE 輸出：為支持 IEEE 1149.4 的模擬總線提供本地端口使能信號。通用本地端口直通位可用于為 FPGA 編程提供寫脈沖或監控設備狀態。
• 已知上電狀態：所有本地掃描端口的 TRST 在系統上電時處于已知狀態，確保了系統的穩定性和可重復性。
• 32 - 位 TCK 計數器：可用于內置自測試（BIST）操作，允許在一個端口進行測試的同時，對其他掃描鏈進行同步測試。
• 16 - 位 LFSR 簽名壓縮器：能夠對采樣的串行測試數據生成 16 位簽名，方便進行測試結果的評估和比較。
• 電源特性：支持 3.0 - 3.6V 的 $V_{cc}$ 電源操作，具有掉電高阻輸入和輸出，支持熱插拔。

二、SCANSTA111 架構剖析

從整體架構上看，SCANSTA111 由多個功能模塊組成，每個模塊都承擔著重要的任務，協同工作以實現芯片的各種功能。

1. TAP 控制器

作為芯片的核心控制部分，TAP 控制器是一個 16 狀態的狀態機，負責控制芯片的掃描端口操作，確保其符合 IEEE 1149.1 標準。

2. 指令寄存器和測試數據寄存器

這些寄存器用于執行各種測試功能。通過掃描指令寄存器和測試數據寄存器，可以實現對芯片的配置、數據讀取和寫入等操作。

3. STA111 選擇控制器

該控制器使得 1149.1 協議能夠在多分支環境中使用。它主要將地址輸入與插槽標識進行比較，當匹配成功時，使能 STA111 進行后續的掃描操作。

4. 本地掃描端口網絡（LSPN）

LSPN 包含多路復用邏輯，用于選擇不同的端口配置。每個本地掃描端口都有一個本地掃描端口控制器（LSPC），這些控制器接收來自指令寄存器、模式寄存器和 TAP 控制器的輸入，從而實現對本地掃描端口的精確控制。

三、SCANSTA111 工作模式

1. 尋址模式

• 直接尋址：每個 SCANSTA111 芯片必須通過其 $S{(0 - 6)}$ 輸入靜態配置一個唯一地址。當芯片的 TAP 控制器進入測試邏輯復位狀態，或者指令寄存器更新為 GOTOWAIT 指令時，芯片進入等待地址狀態。此時，將地址數據掃描到指令寄存器中，與 $S{(0 - 6)}$ 輸入的地址進行比較，如果匹配，則芯片被選中，準備接收 Level 2 協議。
• 廣播尋址：廣播地址允許測試儀同時選擇測試網絡中的所有 SCANSTA111 芯片。在廣播模式下，每個芯片的 $TDO_{B}$ 緩沖器始終處于三態，以避免不同板上掃描路徑輸出驅動器之間的總線沖突。這種模式適用于測試包含多個相同電路板的系統。
• 多播尋址：為了使廣播機制更具選擇性，SCANSTA111 提供了多播尋址模式。每個芯片的多播組寄存器（MCGR）可以被編程，將芯片分配到 4 個多播組之一。當處于等待地址狀態的芯片接收到多播地址，且其 MCGR 與該多播組匹配時，芯片被選中。同樣，在多播模式下，$TDO_{B}$ 始終處于三態。

  2. Level 2 協議

  一旦 SCANSTA111 被成功尋址和選中，就可以通過 Level 2 協議訪問其內部寄存器。Level 2 協議與 IEEE Std. 1149.1 TAP 協議兼容，但如果芯片是通過廣播或多播地址選中的，$TDO_{B}$ 始終處于三態。Level 2 協議包含多種指令，用于將寄存器插入活動掃描鏈、配置本地端口或控制線性反饋移位寄存器和計數器寄存器等。

四、SCANSTA111 寄存器

SCANSTA111 包含多個寄存器，這些寄存器用于芯片的選擇、配置、掃描數據操作和掃描支持操作。以下是一些重要寄存器的介紹：

1. 指令寄存器

8 位的指令寄存器用于實現 STA111 的尋址和指令解碼。在芯片選擇過程中，通過地址匹配來確定芯片是否被選中。

2. 邊界掃描寄存器

該寄存器是一個僅用于采樣的移位寄存器，包含來自 $S_{(0 - 6)}$ 和 $overline{OE}$ 輸入的單元，允許對芯片外部電路進行測試。

3. 旁路寄存器

1 位的旁路寄存器在芯片被選中后，按照 IEEE Std. 1149.1 規范工作，為測試數據在 $TDI_{B}$ 和 LSPN 之間提供最短的串行路徑。

4. 多播組寄存器（MCGR）

2 位的 MCGR 用于確定芯片所屬的多播組。通過將目標芯片的 MCGR 編程為相同的多播組代碼，可以實現多播尋址。

5. 模式寄存器 0

8 位的數據寄存器，主要用于配置本地掃描端口網絡。通過設置不同的位，可以控制掃描鏈的配置和測試時鐘的運行狀態。

6. 線性反饋移位寄存器（LFSR）

16 位的 LFSR 作為簽名壓縮器，用于對掃描鏈中的串行數據進行壓縮，生成 16 位簽名，便于測試結果的評估。

7. 32 - 位 TCK 計數器寄存器

該寄存器用于在 BIST 測試中控制 TCK 脈沖的數量。通過 CNTRSEL 指令加載計數值，CNTRON 指令啟用計數器，當計數器達到終端計數時，本地 TCK 停止。

五、特殊功能

1. 透明模式

透明模式下，選定的 LSP n 端口將跟隨背板端口的狀態。通過 8 個新指令（TRANSPARENT0 - TRANSPARENT7）來控制該模式。一旦進入透明模式，芯片將持續保持該狀態，直到通過 $overline{TRST_{B}}$ 復位或電源循環。

2. BIST 支持

在進行 BIST 測試時，可以按照特定的指令序列對停放的 SCANSTA111 端口進行測試。通過預加載邊界寄存器、初始化 TCK 計數器、啟用計數器、發送 PARKRTI 指令和 BIST 指令等步驟，實現對芯片的自測試。

3. 復位操作

復位操作可以在三個級別上進行：

• Level 1 復位：當 TAP 控制器進入測試邏輯復位狀態時，所有 STA111 寄存器和本地掃描鏈被復位，芯片進入等待地址狀態。
• Level 2 復位：通過 SOFTRESET 指令，對選定的 STA111 的所有 LSP 進行復位。
• 單個本地端口復位：通過 PARKTLR 指令將單個本地端口停放至測試邏輯復位狀態，或先通過 UNPARK 指令解封，再進行復位。

  4. 端口同步

  當 LSP 未被訪問時，它可以處于四個 TAP 控制器狀態之一：測試邏輯復位、運行測試/空閑、暫停 - DR 或暫停 - IR。通過控制本地測試模式選擇輸出（$TMS_{(0 - 2)}$），可以實現本地鏈的停放和訪問。在解封 LSP 時，需要通過指定的同步狀態來確保端口的同步操作。

六、電氣特性和封裝信息

1. 電氣特性

SCANSTA111 在不同的電壓和溫度條件下具有特定的電氣參數，包括輸入輸出電壓、電流、傳播延遲、建立時間、保持時間等。這些參數對于系統的設計和性能評估至關重要。

2. 封裝信息

SCANSTA111 提供多種封裝選項，如 TSSOP 和 NFBGA 封裝。每種封裝的引腳數量、包裝數量、載體類型、RoHS 合規性、引腳鍍層/球材料、MSL 等級/峰值回流溫度等信息都有詳細說明，方便工程師根據實際應用需求進行選擇。

七、總結

SCANSTA111 芯片憑借其豐富的特性、靈活的架構和多種工作模式，為復雜系統的測試提供了高效、可靠的解決方案。它的多分支可尋址能力、豐富的寄存器和特殊功能，使得工程師能夠更精確地控制測試過程，提高測試效率和準確性。在實際應用中，工程師可以根據具體需求，合理配置芯片的各種參數和工作模式，以實現最佳的測試效果。同時，了解芯片的電氣特性和封裝信息，也有助于確保系統設計的穩定性和可靠性。

那么，你在實際項目中是否使用過類似的 JTAG 端口芯片呢？遇到過哪些問題和挑戰？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。