面向電子控制器的片上可調試性結構設計

結碩 張黎

摘要

從當今高可靠電子器件的功能調試方面來看，如今串口形式依然是主流形式，占據大半市場，但是其整體通信效率低、誤碼率較高、不適合功能集成等情況已經無法滿足未來市場發展趨勢。基于此，本文首先對串口調試方案進行分析，進而提出一種基于JTAG的調試方案與系統設計，旨在彌補串口方案的弊端。

【關鍵詞】電子控制器 片上可調式 結構設計JTAG 串口

由于高可靠電子器件功能調試通常都是采用串口方法展開，同時在實際使用當中也存在著速率低、誤碼率高、難以集成等問題。當今IEEE STD1500制定了發生器與接收器、測試訪問機制、測試環調試框架，但是此系統往往兼容性較差。雖然有部分人員提出了訪問接口與掃描鏈壓縮統一規劃，這就需要進一步制定訪問路徑，成本相對較高，并且只能實現部分的功能優化。隨著相關技術的不斷發展，當今還提出了一種IEEE1149.1邊界掃描技術OTAG）。該系統具備了較少的管腳開發調試、IC級互連特性，可以為軟硬件協同開發調試提供相關界面。因此，加強對JTAG的研究有著重要意義。

1 串口調試方案

串口調試也就是既有通信接口展開的功能調試方法，TI等公司廣泛應用該項技術，常見的復用接口主要包括以太網、UART、USB等等，也就是在通信接口電路當中增設一種獨立調試結構，采用模式選擇的方法切換工作方式，降低了管腳資源以及制造成本。同時，采用串口調試方法，需要對核心電路、整體方案進行全面修改，會直接影響整體的時序收斂，也難以實現自行調試。

2 基于JTAG可調試性方案與結構設計

2.1 方案思路

JTAG最為一種集成電路方案，可以將芯片觀測寄存器相互串聯，采用串行移入測試方法、觀測分析輸出數據信息，判定整個電路是否表現正常（如圖1）。標準的JTAG當中包括TMS、TCK、TDI、DEI、TDO、TRST。在整個方案實現過程中，整個調試系統包括TAP、數據寄存器、指令寄存器。TAP作為一個具備16個狀態的狀態機，通過TMS發送信號進行操作，在TDO和TDI之間加載寄存器。其中，數據寄存器主要包含了強制定義旁路寄存器、器件寄存器ID，邊界掃描器、用戶自動以寄存器。指令寄存器通過操作信息決定選擇哪種寄存器。

該種方案能夠廣泛應用集成電路，但是當今市場中大部分集成電路產品都只考慮了結構方面的測試，功能測試方面有所欠缺。這是由于結構測試采用EDA即可得到所測向量，結構自動匹配也可以在ATE機上直接完成。但功能調試則不同，除了要增加相關硬件外，還需要軟件與協議轉換器配合。這就需要對JTAG接口進行重新定義，實現功能測試。

2.2 TAP

通過分析圖1可知，在測試當中，在初始狀態下要受到TMS控制，之后再進入到指令寄存器控制流程當中，在TDI當中的shift-IR當中加入指令碼，在更新操作完畢后，則判定指令碼生效，讓數據寄存器選擇信息輸出。上述流程完畢后，再次從初始狀態通過TMS信號控制進入到數據寄存器運行流程當中，由TDI移入串行數據當中，并通過TDO輸出數據信息，這樣即可完成整套的矢量施加。在IEEE1149.1當中，除了一些基本的寄存器外，還有用戶自定義寄存器。在最初設計當中，自定義寄存器主要是用作于結構測試，但是缺乏功能測試。為了能夠讓JTAG具備功能調試的功能，需要實現片外JTAG與內標準總線協議轉換，這樣即可形成高效的復用性調試接口單兀。

2.3 協議轉換單元

想要實現JTAG鏈路數據和片內并行總線之間實現相互轉換，必須要在JTAG結構基礎上增設一個協議轉換單元。通常該協議轉換單元要配備TAP控制器，并自定義寄存工作。再者，作為一種獨立調試模塊，很容易對片上的整理邏輯造成影響。本結構最為核心的部件是兩套寄存器，也就是地址移位、數據移位寄存器。這就要在TAP當中增設這兩個寄存器指令。如果TAP流程進入到指令期存器當中，如果加入了選擇指令，則可以快速生成相應的選通信號。

2.4 總線主機接口

本設計采用地址移位、數據移位寄存器方法，并在TAP當中加入指令并激活，激活之后再采用DR流程加入到地址和數據當中。如果是采用一次調試訪問方法，外部調試機要通過查詢的方法掌握是否得到了調試反饋，為了能夠保證兩次或多次訪問可以連續進行，要對前一次轉換調試訪問在本次串行移位期間得到相應的反饋。想要實現此類目標，需要掌握TAP循環一次指令和所需周期數、移位狀態所需的指令周期數、數據移位狀態下數據寄存、地址移動周期數、硬件結構一次調試訪問串、并轉換所消耗的時間。為了在第二次訪問中可以最快時間獲取結果，在串并轉換過程中，芯片邏輯可以完成總線仲裁同時完成上次訪問。并且在訪問時間可控的情況下，盡可能減少仲裁時間。也就是在不改變之前仲裁器結構上，需要增設二級仲裁體制。如果將其切換到調試模式后，可以激活二次仲裁器，該協議中可以設置最高訪問權限，轉換單位可以直接進行訪問，從而縮短了仲裁授予時間。

2.5 調試系統

調試系統當中不僅有接口芯片，同時也包括上位機調試軟件和待測芯片調試。調試軟件可以提供操作界面，對地層復雜的結構系統進行屏蔽。如上位機采用KeituVision集成環境，支持ARM7、ARM9等處理中的匯編器、編譯器、實時操作系統，同時還提供了開放式調試接口 AGDl，而調試協議轉換器中的動態連接庫中加入DLL，即可在保持集成界面不變的情況下驅動協議轉換器。協議轉換器可以采用LPC2148微控器，可以與上位機相兼容，可以通過USB連接到JTAG接口，完善USB驅動以及JTAG開發。

3 結束語

綜上所述，針對串口調試方法的弊端，可以采用JTAG接口方法，能夠避免新增調試引腳造成的成本問題，同時也可以實現功能調試，結合TAP協議，加入自定義指令，實現串并轉換，提高了測試效率、降低了資源開銷，極大的提高了電子控制器的可靠性。

參考文獻

[1]陳芳芳，周克寧.面向電子控制器的片上可調試性結構設計[J].電子器件，2018（03）：56-57.

[2]江颯.面向片內集成的FlexRay總線控制器IP設計[D].長安大學，2017.

[3]尹遠.片上存儲器可調測試設計的研究與實現[D]，國防科學技術大學，2012.