本文主要介紹JTAG總線的引腳定義、接口標(biāo)準(zhǔn)、邊界掃描和TAP控制器。

JTAG(Joint Test Action Group；聯(lián)合測試行動(dòng)小組)是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片內(nèi)部測試。現(xiàn)在多數(shù)的高級器件都支持JTAG協(xié)議，如ARM、DSP、FPGA等。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。

JTAG最初是用來對芯片進(jìn)行測試的，JTAG的基本原理是在器件內(nèi)部定義一個(gè)TAP（TestAccess Port；測試訪問）通過專用的JTAG測試工具對進(jìn)行內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試。JTAG測試允許多個(gè)器件通過JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個(gè)JTAG鏈，能實(shí)現(xiàn)對各個(gè)器件分別測試。現(xiàn)在，JTAG接口還常用于實(shí)現(xiàn)ISP（In-System Programmable；在線編程），對Flash等器件進(jìn)行編程。

JTAG內(nèi)部有一個(gè)狀態(tài)機(jī)，稱為TAP控制器。TAP控制器的狀態(tài)機(jī)通過TCK和TMS進(jìn)行狀態(tài)的改變，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的輸入。

1、引腳定義

含有JTAG口的芯片種類較多，如CPU、DSP、CPLD等。都有如下JTAG引腳定義（信號方向都是針對CPU來說的）：

TCK——測試時(shí)鐘輸入。TMS和TDI的數(shù)據(jù)在TCK的上升沿被采樣。數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的下降沿輸出到TDO。建議下拉。

TDI——測試數(shù)據(jù)輸入。輸入到指令寄存器（IR）或數(shù)據(jù)寄存器（DR）的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在TDI輸入端，在TCK的上升沿被采樣。建議上拉，上拉電阻阻值不能小于1K。

TDO——測試數(shù)據(jù)輸出。來自指令寄存器或數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的下降沿被移出到TDO。不用上下拉，懸空時(shí)，盡量引出測試點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)避免將TDO作為I/O使用。

TMS——測試模式選擇。TMS用來設(shè)置JTAG口處于某種特定的測試模式，用于控制TAP狀態(tài)機(jī)。必須上拉。

VTref——目標(biāo)板參考電壓，接電源。用來確定CPU的JTAG接口使用的邏輯電平。

可選引腳TRST——測試復(fù)位，輸入引腳，低電平有效。TRST可以用來對TAP Controller進(jìn)行復(fù)位（初始化）。因?yàn)橥ㄟ^TMS也可以對TAPController進(jìn)行復(fù)位（初始化）。所以有四線JTAG與五線JTAG之分。

可選引腳RTCK——測試時(shí)鐘返回信號。RTCK由目標(biāo)端反饋給仿真器的時(shí)鐘信號，用來同步TCK信號的產(chǎn)生，不使用時(shí)直接接地。

可選引腳nSRST——目標(biāo)系統(tǒng)復(fù)位信號。與目標(biāo)板上的系統(tǒng)復(fù)位信號相連，可以直接對目標(biāo)系統(tǒng)復(fù)位。同時(shí)可以檢測目標(biāo)系統(tǒng)的復(fù)位情況，為了防止誤觸發(fā)應(yīng)在目標(biāo)端加上適當(dāng)?shù)纳侠娮琛?/p>

另外還有一些控制器會(huì)有如下一些額外信號：

TDIS

PD或TVD——（Presence Detect, Target Voltage Detect），和VTref的功能一樣。

EMU[0:n]或ET[0:n]——（EMUlation, Emulation Test）

EMU pins are bi-directional multifunctional pinsthat provide support for the following features:

Boot Modes

Cross Triggers

Core Trace

System Trace

HS-RTDX (high speed RTDX,deprecated functionality)

In the case of Boot Modes, the EMU0/1 pin state is driven by the XDS. HS-RTDX provides bi-directional data transport. Both Core and System Trace transport event history and timing data from the target to the XDS. Crosstriggers are bi-directional triggers that allow an event in one device to causea debug action in other devices.

2、JTAG接口標(biāo)準(zhǔn)

目前JTAG接口的連接有三種標(biāo)準(zhǔn)，即10針、14針接口和20針接口，其定義分別如下所示。

★由于JTAG經(jīng)常使用排線連接，為了增強(qiáng)抗干擾能力，在每條信號線間加上地線，偶數(shù)針腳都是地信號。

3、邊界掃描（Boundary-Scan）

邊界掃描技術(shù)的基本思想是在靠近芯片的輸入輸出管腳上增加一個(gè)移位寄存器單元。因?yàn)檫@些移位寄存器單元都分布在芯片的邊界上（周圍），所以被稱為邊界掃描寄存器（Boundary-Scan Register Cell）。

當(dāng)芯片處于調(diào)試狀態(tài)的時(shí)候，這些邊界掃描寄存器可以將芯片和外圍的輸入輸出隔離開來。通過這些邊界掃描寄存器單元，可以實(shí)現(xiàn)對芯片輸入輸出信號的觀察和控制。對于芯片的輸入管腳，可以通過與之相連的邊界掃描寄存器單元把信號（數(shù)據(jù)）加載到該管腳中去；對于芯片的輸出管腳，也可以通過與之相連的邊界掃描寄存器“捕獲”該管腳上的輸出信號。在正常的運(yùn)行狀態(tài)下，這些邊界掃描寄存器對芯片來說是透明的，所以正常的運(yùn)行不會(huì)受到任何影響。這樣，邊界掃描寄存器提供了一個(gè)便捷的方式用以觀測和控制所需要調(diào)試的芯片。另外，芯片輸入輸出管腳上的邊界掃描（移位）寄存器單元可以相互連接起來，在芯片的周圍形成一個(gè)邊界掃描鏈（Boundary-Scan Chain）。一般的芯片都會(huì)提供幾條獨(dú)立的邊界掃描鏈，用來實(shí)現(xiàn)完整的測試功能。邊界掃描鏈可以串行的輸入和輸出，通過相應(yīng)的時(shí)鐘信號和控制信號，就可以方便的觀察和控制處在調(diào)試狀態(tài)下的芯片。

4、TAP（TEST ACCESS PORT）

TAP是一個(gè)通用的端口，通過TAP可以訪問芯片提供的所有數(shù)據(jù)寄存器（DR）和指令寄存器（IR）。對整個(gè)TAP的控制是通過TAP Controller來完成的。TAP總共包括5個(gè)信號接口TCK、TMS、TDI、TDO和TRST：其中4個(gè)是輸入信號接口和另外1個(gè)是輸出信號接口。一般，我們見到的開發(fā)板上都有一個(gè)JTAG接口，該JTAG接口的主要信號接口就是這5個(gè)。

通過保持TMS為高電平（邏輯1）并在TCK端輸入至少5個(gè)選通脈沖（變高后再變低）后TAP邏輯被復(fù)位。這使TAP狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)從任何其它狀態(tài)轉(zhuǎn)到測試邏輯復(fù)位狀態(tài)對，JTAG口和測試邏輯復(fù)位，該狀態(tài)不復(fù)位CPU和外設(shè)。

通過TAP接口，對數(shù)據(jù)寄存器（DR）進(jìn)行訪問的一般過程是：

通過指令寄存器（IR），選定一個(gè)需要訪問的數(shù)據(jù)寄存器。

把選定的數(shù)據(jù)寄存器連接到TDI和TDO之間。

由TCK驅(qū)動(dòng)，通過TDI，把需要的數(shù)據(jù)輸入到選定的數(shù)據(jù)寄存器當(dāng)中去；同時(shí)把選定的數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)通過TDO讀出來。

下圖是TAP控制器的16-states有限狀態(tài)機(jī)圖示：

TAP控制器的狀態(tài)在TCK的上升沿變化。

在上電時(shí)進(jìn)入邏輯復(fù)位狀態(tài)（Test-Logic Reset），在該狀態(tài)下，測試部分的邏輯電路全部被禁用，以保證芯片核心邏輯電路的正常工作。通過TRST信號也可以對測試邏輯電路進(jìn)行復(fù)位，使得TAP Controller進(jìn)入Test-Logic Reset狀態(tài)。前面我們說過TRST是可選的一個(gè)信號接口，這是因?yàn)樵赥MS上連續(xù)加5個(gè)TCK脈沖寬度的“1”信號也可以對測試邏輯電路進(jìn)行復(fù)位，使得TAP Controller進(jìn)入Test-Logic Reset狀態(tài)。所以，在不提供TRST信號的情況下，也不會(huì)產(chǎn)生影響。

Shift-DR state掃描DR，TDO輸出有效。

Shift-IR state掃描IR，TDO輸出有效。

其他狀態(tài)下TDO輸出無效。

如果需要捕獲芯片某個(gè)管腳上的輸出，首先需要把該管腳上的輸出裝載到邊界掃描鏈的寄存器單元里去，然后通過TDO輸出，這樣我們就可以從TDO上得到相應(yīng)管腳上的輸出信號。如果要在芯片的某個(gè)管腳上加載一個(gè)特定的信號，則首先需要通過TDI把期望的信號移位到與相應(yīng)管腳相連的邊界掃描鏈的寄存器單元里去，然后把該寄存器單元的值加載到相應(yīng)的芯片管腳。

指令寄存器的訪問過程：系統(tǒng)上電，TAP Controller進(jìn)入Test-Logic Reset狀態(tài)，然后依次進(jìn)入：Run-Test/Idle→Select-DR-Scan→Select-IR-Scan→Capture-IR→Shift-IR→Exit1-IR→Update-IR，最后回到Run-Test/Idle狀態(tài)。在Capture-IR狀態(tài)中，一個(gè)特定的邏輯序列被加載到指令寄存器當(dāng)中；然后進(jìn)入到Shift-IR狀態(tài)。在Shift-IR狀態(tài)下，通過TCK的驅(qū)動(dòng)，可以將一條特定的指令送到指令寄存器當(dāng)中去。每條指令都將確定一條相關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器。然后從Shift-IR→Exit1-IR→Update-IR。在Update-IR狀態(tài)，剛才輸入到指令寄存器中的指令將用來更新指令寄存器。最后，進(jìn)入到Run-Test/Idle狀態(tài)，指令生效，完成對指令寄存器的訪問。

數(shù)據(jù)寄存器的訪問：當(dāng)前可以訪問的數(shù)據(jù)寄存器由指令寄存器中的當(dāng)前指令決定。要訪問由剛才的指令選定的數(shù)據(jù)寄存器，需要以Run-Test/Idle為起點(diǎn)，依次進(jìn)入Select-DR-Scan→Capture-DR→Shift-DR→Exit1-DR→Update-DR，最后回到Run-Test/Idle狀態(tài)。在這個(gè)過程當(dāng)中，被當(dāng)前指令選定的數(shù)據(jù)寄存器會(huì)被連接在TDI和TDO之間。通過TDI和TDO，就可以將新的數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)寄存器當(dāng)中去，同時(shí)，也可以捕獲數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)。具體過程如下。在Capture-DR狀態(tài)中，由TCK的驅(qū)動(dòng)，芯片管腳上的輸出信號會(huì)被“捕獲”到相應(yīng)的邊界掃描寄存器單元中去。這樣，當(dāng)前的數(shù)據(jù)寄存器當(dāng)中就記錄了芯片相應(yīng)管腳上的輸出信號。接下來從Capture-DR進(jìn)入到Shift-DR狀態(tài)中去。在Shift-DR狀態(tài)中，由TCK驅(qū)動(dòng)，在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，一位新的數(shù)據(jù)可以通過TDI串行輸入到數(shù)據(jù)寄存器當(dāng)中去，同時(shí)，數(shù)據(jù)寄存器可以通過TDO串行輸出一位先前捕獲的數(shù)據(jù)。在經(jīng)過與數(shù)據(jù)寄存器長度相同的時(shí)鐘周期后，就可以完成新信號的輸入和捕獲數(shù)據(jù)的輸出。接下來通過Exit1-DR狀態(tài)進(jìn)入到Update-DR狀態(tài)。在Update-DR狀態(tài)中，數(shù)據(jù)寄存器中的新數(shù)據(jù)被加載到與數(shù)據(jù)寄存器的每個(gè)寄存器單元相連的芯片管腳上去。最后，回到Run-Test/Idle狀態(tài)，完成對數(shù)據(jù)寄存器的訪問。

以上就是針對JTAG的相關(guān)介紹，詳細(xì)可參見標(biāo)準(zhǔn)《IEEE Std 1149.1 Test Access Port and Boundary-Scan Architecture》。

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