本文將介紹四種類型的 JTAG 數(shù)據(jù)寄存器，分別是：

Boundary Scan Register (BSR) 邊界掃描寄存器

Bypass Register (BR) 旁路寄存器

Device ID Register 設(shè)備 ID 寄存器

User Data Register(s) 用戶自定義數(shù)據(jù)寄存器

在討論邊界掃描寄存器之前，重要的是，讓我們首先了解為什么我們需要邊界掃描寄存器。

圖 1：示例中 PCB 上的 3 片芯片以及它們之間的連接示意圖

假設(shè)這么一種情況，我們需要將 3 片由不同廠商開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的芯片焊接組裝在同一塊電路板上。這些芯片在出廠時(shí)都已經(jīng)由各自廠商使用自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ Automatic Test Equipment，ATE）測(cè)試通過(guò)。

但如果我們?cè)诎阉鼈兘M裝到電路板上之后，它們之間的連接性有可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，這種情況下，我們?nèi)绾伟l(fā)現(xiàn)其中的連接故障？如果只是測(cè)試連通性問(wèn)題，我們沒(méi)法將電路板重新送回 ATE 處再次測(cè)試其上的所有芯片，因?yàn)?ATE 的花費(fèi)是非常昂貴的。

在圖 1 所示的示例中，Chip 2 的 IO 本身并不是電路板級(jí)的 IO，如果出于一些調(diào)試原因，我們想通過(guò) Chip 2 的 IO 來(lái)訪問(wèn) Chip 2，那么我們?nèi)绾巫龅竭@一點(diǎn)？

Boundary Scan Register (BSR) 邊界掃描寄存器

邊界掃描寄存器就是用來(lái)解決上述兩個(gè)問(wèn)題的。

如果 3 個(gè)芯片都支持 JTAG 訪問(wèn)以及邊界掃描，那么我們可以控制和觀測(cè)任何設(shè)備的 IO，即使它們不是板級(jí)的 IO。和掃描以及 ATPG （Scan and ATPG）的概念類似，我們可以向 BSR 中移入我們想要的數(shù)值，并觀測(cè) BSR 中的結(jié)果，來(lái)測(cè)試芯片之間的連接性。這類測(cè)試被稱之為邊界掃描測(cè)試。

JTAG 接口允許多個(gè)設(shè)備以 Daisy Chain 的方式連接到同一個(gè) JTAG 接口上。具體來(lái)說(shuō)，TMS 和 TCK 并行地連接到各個(gè)設(shè)備上，而 TDI 和 TDO 則以圖 2 之中的串行方式連接。

Note： 我們?cè)谙到y(tǒng)任何層級(jí)中，都只能有一個(gè) TAP （板級(jí)/芯片級(jí)/IP 模塊級(jí)）。因此所有芯片都使用同一個(gè) TAP，而不是每個(gè)芯片使用一個(gè)專門(mén)的 TAP。

圖 2：邊界掃描（圖中橘色的矩形表示的是芯片中的邊界掃描單元）

邊界掃描寄存器 (BSR) 中的寄存器被插在設(shè)備的核心邏輯和 IO 引腳之間。在普通運(yùn)行模式下，這些單元在通路上會(huì)被旁路，從而相當(dāng)于不存在。在測(cè)試模式下 BSR 被使能，可以被用于控制 IO 引腳，以及讀取 IO 引腳上當(dāng)前的數(shù)值。

圖 3：BSC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

BSC 支持四種模式，每種模式情況如下表所示。

Bypass Register (BR) 旁路寄存器

旁路寄存器是一個(gè)位寬為 1 的寄存器，用于提供一條 TDI 和 TDO 之間的直接通路。這條直接通路的存在可以為電路中器件測(cè)試提供最小的測(cè)試時(shí)間開(kāi)銷。假設(shè)我們?cè)陔娐钒迳嫌卸鄠€(gè)串行連接的芯片，如圖 4 所示，如果我們想訪問(wèn)其中單個(gè)芯片，比如 Chip2。在沒(méi)有旁路寄存器存在的傳統(tǒng)做法中，我們需要將數(shù)據(jù)移位經(jīng)過(guò) Chip1 和 Chip3 中所有 BSC，才能訪問(wèn) Chip2 中的 BSC，這增加了太多不必要的移位時(shí)間開(kāi)銷。為了避免上述延遲，我們需要旁路 Chip1 和 Chip3 中所有 BSC，這樣數(shù)據(jù)穿過(guò) Chip1/3 等 JTAG 設(shè)備時(shí)，每個(gè) JTAG 設(shè)備只需要一個(gè)時(shí)鐘周期延遲。

在上述示例中，具體來(lái)看：

如果我們穿過(guò)整個(gè) Chip1 和 Chip3，那么需要 12 + 8 + 12 = 32 clocks。

但如果我們旁路 Chip1 和 Chip3，那么只需要 1 + 8 + 1 = 10 clocks。

當(dāng)需要旁路芯片時(shí)，我們需要將 Bypass 寄存器對(duì)應(yīng)的 opcode 加載到指令寄存器中，使指令譯碼器邏輯建立一條只穿過(guò) Bypass 寄存器的旁路 TDI-TDO 路徑。

圖 4：旁路寄存器使用方式示例

Device ID Register 設(shè)備 ID 寄存器

ID 寄存器僅用于設(shè)備識(shí)別。假設(shè)我們有多個(gè)共享調(diào)試接口或者 TAP 的 JTAG 設(shè)備。為了確保我們正在訪問(wèn)正確的調(diào)試接口，每個(gè)設(shè)備的有一個(gè) ID 寄存器，其中的數(shù)值（即設(shè)備 ID 代碼）是獨(dú)一無(wú)二的。設(shè)備 ID 用于使用戶或者調(diào)試工具識(shí)別并確認(rèn)自己訪問(wèn)的是正確的調(diào)試接口。

User Data Register(s) 用戶自定義數(shù)據(jù)寄存器

這些用戶自定義的寄存器用于在調(diào)試時(shí)，控制或者觀測(cè)核心邏輯中的內(nèi)部功能寄存器和內(nèi)部端口，如圖 5 所示。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò) JTAG 可以訪問(wèn)的內(nèi)部功能寄存器，提供了 JTAG 訪問(wèn)和正常功能邏輯訪問(wèn)兩套接口。你可以參照后一節(jié)的 JTAG 訪問(wèn)示例，來(lái)了解我們是如何通過(guò)用戶數(shù)據(jù)寄存器來(lái)訪問(wèn)內(nèi)部功能邏輯寄存器的。

圖 5：如何通過(guò)用戶數(shù)據(jù)寄存器來(lái)訪問(wèn)內(nèi)部功能邏輯寄存器的示意圖

和指令寄存器類似，用戶數(shù)據(jù)寄存器中也包括了兩級(jí)寄存器，如圖 6 所示。Hold 寄存器保持先前的數(shù)據(jù)，Shift 寄存器則在不影響當(dāng)前數(shù)據(jù)的情況下，逐步移入新的數(shù)據(jù)。用戶數(shù)據(jù)寄存器的控制信號(hào)來(lái)自于 TAP 控制器，具體的控制信號(hào)數(shù)值取決于當(dāng)前 FSM 狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)，使用戶數(shù)據(jù)寄存器 Shift 寄存器移入/移出用戶數(shù)據(jù)（即 Shift-DR 狀態(tài)下的串行更新過(guò)程），或者使 Shift 寄存器的內(nèi)容傳遞到 Hold 寄存器中（即 Update-DR 狀態(tài)下的并行更新過(guò)程）。

值得注意的是，我們可以設(shè)計(jì)多個(gè)用戶數(shù)據(jù)寄存器，每個(gè)寄存器有不同的 opcode。當(dāng)我們裝填特定的 opcode 到指令寄存器后，對(duì)應(yīng)的用戶數(shù)據(jù)寄存器才會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺x可寫(xiě)，可控制也可以觀測(cè)相應(yīng)的內(nèi)部功能邏輯。

圖 6：用戶數(shù)據(jù)寄存器示意圖

編輯：黃飛

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