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

在電子測試領(lǐng)域，IEEE 1149.1（JTAG）標(biāo)準(zhǔn)一直是板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)測試的重要手段。而 Texas Instruments 的 SCANSTA111 芯片，作為一款增強(qiáng)型掃描橋多分支可尋址 JTAG 端口芯片，為復(fù)雜系統(tǒng)的測試提供了更強(qiáng)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(gòu)、工作模式以及相關(guān)應(yīng)用。

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一、SCANSTA111 特性亮點(diǎn)

1. 真正的 IEEE 1149.1 分層和多分支可尋址能力

SCANSTA111 的 7 個(gè)插槽輸入支持多達(dá) 121 個(gè)唯一地址、1 個(gè)詢問地址、1 個(gè)廣播地址和 4 個(gè)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(gè)復(fù)雜的測試網(wǎng)絡(luò)中，可以精確地選擇和控制每一個(gè)芯片，大大提高了測試的靈活性和效率。

2. 3 個(gè)兼容 IEEE 1149.1 的可配置本地掃描端口

每個(gè)本地掃描端口都可以獨(dú)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(tài)，例如繞過某些 TAP、將其單獨(dú)或分組插入掃描鏈。此外，透明模式可以通過單個(gè)指令啟用，將背板的 IEEE 1149.1 引腳方便地緩沖到單個(gè)本地掃描端口上。

3. 其他實(shí)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(hào)。通用本地端口直通位可用于為 FPGA 編程提供寫脈沖或監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)。
• 已知上電狀態(tài)：所有本地掃描端口的 TRST 在系統(tǒng)上電時(shí)處于已知狀態(tài)，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。
• 32 - 位 TCK 計(jì)數(shù)器：可用于內(nèi)置自測試（BIST）操作，允許在一個(gè)端口進(jìn)行測試的同時(shí)，對(duì)其他掃描鏈進(jìn)行同步測試。
• 16 - 位 LFSR 簽名壓縮器：能夠?qū)Σ蓸拥拇袦y試數(shù)據(jù)生成 16 位簽名，方便進(jìn)行測試結(jié)果的評(píng)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(gòu)剖析

從整體架構(gòu)上看，SCANSTA111 由多個(gè)功能模塊組成，每個(gè)模塊都承擔(dān)著重要的任務(wù)，協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)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(gè) 16 狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)，負(fù)責(zé)控制芯片的掃描端口操作，確保其符合 IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)。

2. 指令寄存器和測試數(shù)據(jù)寄存器

這些寄存器用于執(zhí)行各種測試功能。通過掃描指令寄存器和測試數(shù)據(jù)寄存器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的配置、數(shù)據(jù)讀取和寫入等操作。

3. STA111 選擇控制器

該控制器使得 1149.1 協(xié)議能夠在多分支環(huán)境中使用。它主要將地址輸入與插槽標(biāo)識(shí)進(jìn)行比較，當(dāng)匹配成功時(shí)，使能 STA111 進(jìn)行后續(xù)的掃描操作。

4. 本地掃描端口網(wǎng)絡(luò)（LSPN）

LSPN 包含多路復(fù)用邏輯，用于選擇不同的端口配置。每個(gè)本地掃描端口都有一個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè) SCANSTA111 芯片必須通過其 $S{(0 - 6)}$ 輸入靜態(tài)配置一個(gè)唯一地址。當(dāng)芯片的 TAP 控制器進(jìn)入測試邏輯復(fù)位狀態(tài)，或者指令寄存器更新為 GOTOWAIT 指令時(shí)，芯片進(jìn)入等待地址狀態(tài)。此時(shí)，將地址數(shù)據(jù)掃描到指令寄存器中，與 $S{(0 - 6)}$ 輸入的地址進(jìn)行比較，如果匹配，則芯片被選中，準(zhǔn)備接收 Level 2 協(xié)議。
• 廣播尋址：廣播地址允許測試儀同時(shí)選擇測試網(wǎng)絡(luò)中的所有 SCANSTA111 芯片。在廣播模式下，每個(gè)芯片的 $TDO_{B}$ 緩沖器始終處于三態(tài)，以避免不同板上掃描路徑輸出驅(qū)動(dòng)器之間的總線沖突。這種模式適用于測試包含多個(gè)相同電路板的系統(tǒng)。
• 多播尋址：為了使廣播機(jī)制更具選擇性，SCANSTA111 提供了多播尋址模式。每個(gè)芯片的多播組寄存器（MCGR）可以被編程，將芯片分配到 4 個(gè)多播組之一。當(dāng)處于等待地址狀態(tài)的芯片接收到多播地址，且其 MCGR 與該多播組匹配時(shí)，芯片被選中。同樣，在多播模式下，$TDO_{B}$ 始終處于三態(tài)。

  2. Level 2 協(xié)議

  一旦 SCANSTA111 被成功尋址和選中，就可以通過 Level 2 協(xié)議訪問其內(nèi)部寄存器。Level 2 協(xié)議與 IEEE Std. 1149.1 TAP 協(xié)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(tài)。Level 2 協(xié)議包含多種指令，用于將寄存器插入活動(dòng)掃描鏈、配置本地端口或控制線性反饋移位寄存器和計(jì)數(shù)器寄存器等。

四、SCANSTA111 寄存器

SCANSTA111 包含多個(gè)寄存器，這些寄存器用于芯片的選擇、配置、掃描數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn) 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(gè)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(duì)芯片外部電路進(jìn)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(guī)范工作，為測試數(shù)據(jù)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(biāo)芯片的 MCGR 編程為相同的多播組代碼，可以實(shí)現(xiàn)多播尋址。

5. 模式寄存器 0

8 位的數(shù)據(jù)寄存器，主要用于配置本地掃描端口網(wǎng)絡(luò)。通過設(shè)置不同的位，可以控制掃描鏈的配置和測試時(shí)鐘的運(yùn)行狀態(tài)。

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(duì)掃描鏈中的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，生成 16 位簽名，便于測試結(jié)果的評(píng)估。

7. 32 - 位 TCK 計(jì)數(shù)器寄存器

該寄存器用于在 BIST 測試中控制 TCK 脈沖的數(shù)量。通過 CNTRSEL 指令加載計(jì)數(shù)值，CNTRON 指令啟用計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到終端計(jì)數(shù)時(shí)，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(tài)。通過 8 個(gè)新指令（TRANSPARENT0 - TRANSPARENT7）來控制該模式。一旦進(jìn)入透明模式，芯片將持續(xù)保持該狀態(tài)，直到通過 $overline{TRST_{B}}$ 復(fù)位或電源循環(huán)。

2. BIST 支持

在進(jìn)行 BIST 測試時(shí)，可以按照特定的指令序列對(duì)停放的 SCANSTA111 端口進(jìn)行測試。通過預(yù)加載邊界寄存器、初始化 TCK 計(jì)數(shù)器、啟用計(jì)數(shù)器、發(fā)送 PARKRTI 指令和 BIST 指令等步驟，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的自測試。

3. 復(fù)位操作

復(fù)位操作可以在三個(gè)級(jí)別上進(jìn)行：

• Level 1 復(fù)位：當(dāng) TAP 控制器進(jìn)入測試邏輯復(fù)位狀態(tài)時(shí)，所有 STA111 寄存器和本地掃描鏈被復(fù)位，芯片進(jìn)入等待地址狀態(tài)。
• Level 2 復(fù)位：通過 SOFTRESET 指令，對(duì)選定的 STA111 的所有 LSP 進(jìn)行復(fù)位。
• 單個(gè)本地端口復(fù)位：通過 PARKTLR 指令將單個(gè)本地端口停放至測試邏輯復(fù)位狀態(tài)，或先通過 UNPARK 指令解封，再進(jìn)行復(fù)位。

  4. 端口同步

  當(dāng) LSP 未被訪問時(shí)，它可以處于四個(gè) TAP 控制器狀態(tài)之一：測試邏輯復(fù)位、運(yùn)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(shí)現(xiàn)本地鏈的停放和訪問。在解封 LSP 時(shí)，需要通過指定的同步狀態(tài)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(shù)，包括輸入輸出電壓、電流、傳播延遲、建立時(shí)間、保持時(shí)間等。這些參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能評(píng)估至關(guān)重要。

2. 封裝信息

SCANSTA111 提供多種封裝選項(xiàng)，如 TSSOP 和 NFBGA 封裝。每種封裝的引腳數(shù)量、包裝數(shù)量、載體類型、RoHS 合規(guī)性、引腳鍍層/球材料、MSL 等級(jí)/峰值回流溫度等信息都有詳細(xì)說明，方便工程師根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

七、總結(jié)

SCANSTA111 芯片憑借其豐富的特性、靈活的架構(gòu)和多種工作模式，為復(fù)雜系統(tǒng)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(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求，合理配置芯片的各種參數(shù)和工作模式，以實(shí)現(xiàn)最佳的測試效果。同時(shí)，了解芯片的電氣特性和封裝信息，也有助于確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可靠性。

那么，你在實(shí)際項(xiàng)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(zhàn)？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。