摘要
关键字
1. IEEE 1149.1标准概述
2. 边界扫描技术的理论基础
- 2.1 边界扫描技术的工作原理
  - 2.1.1 边界扫描单元（BST）的功能与结构
  - 2.1.2 TAP控制器的运作机制
- 2.2 IEEE 1149.1标准的组成和协议

【深入解析IEEE 1149.1】：探索边界扫描技术的发展脉络与现代影响

摘要

IEEE 1149.1标准，又称为边界扫描技术，是电子测试领域的重要技术，广泛应用于PCB板级测试、故障诊断以及集成电路的生产与维护。本文首先概述了IEEE 1149.1标准的基本内容和组成，然后深入探讨了边界扫描技术的理论基础和工作机制，包括边界扫描单元（BST）和TAP控制器的结构与功能。文章进一步分析了边界扫描技术在硬件实现和软件工具开发方面的具体应用，以及它在现代电子设计流程中的作用。最后，本文展望了边界扫描技术的发展趋势，包括新技术标准的制定和现有技术面临的挑战与解决方案，并讨论了该技术未来与AI和自动化测试的结合潜力。

关键字

IEEE 1149.1标准；边界扫描技术；边界扫描单元；TAP控制器；硬件实现；软件工具；测试访问端口；自动化测试流程

参考资源链接：IEEE1149.1_JTAG_STD.pdf

1. IEEE 1149.1标准概述

1.1 边界扫描技术的起源与发展

边界扫描技术，最初由IEEE 1149.1标准定义，是一种用于测试和调试数字电子设备的技术，尤其适用于集成电路和电路板的测试。该技术诞生于上世纪80年代末，为了解决日益复杂的电路设计中难以实现的信号访问和控制问题。IEEE 1149.1标准提供了一套标准化的测试方法，允许制造商和设计工程师通过一组专用的测试引脚访问和测试集成电路内部和互连节点，实现对设备功能和性能的验证。

1.2 IEEE 1149.1标准的目标与意义

该标准的主要目标是提供一种与设备制造商无关的测试方式，以降低测试成本，提高测试效率。通过在集成电路内部引入边界扫描单元（Boundary Scan Cells, BST），实现了对芯片输入输出端口的控制和观察，而无需物理接触。这为自动化测试提供了可能，极大地提高了电子产品的质量和可测试性。IEEE 1149.1标准也因此成为了电子行业测试与诊断的基石，被广泛应用于PCB板级测试、微处理器测试以及多种数字电路设计中。

1.3 标准带来的影响与行业变革

自IEEE 1149.1标准被采纳以来，边界扫描技术已经成为电子制造领域不可或缺的一部分。它不仅促进了自动化测试设备（ATE）的发展，还使得系统级芯片（SoC）设计中能够内嵌测试逻辑。此外，该标准还推动了IC设计和PCB制造工艺的改进，从而影响到整个电子行业的制造效率和产品可靠性。随着技术的不断进步，边界扫描技术也在不断演进，为未来的电子测试与诊断技术设定了新的方向。

2. 边界扫描技术的理论基础

2.1 边界扫描技术的工作原理

2.1.1 边界扫描单元（BST）的功能与结构

边界扫描单元（Boundary-Scan Cell，BST）是IEEE 1149.1标准的核心组成部分，它能够对设备的输入输出端口进行控制和观察。BST一般被集成到芯片的每一个输入/输出引脚旁边，其功能类似于数字电路中的多路开关和锁存器，允许系统在不使用额外测试引脚的情况下，对集成电路内部的逻辑电路进行测试。

一个典型的BST由三个主要部分构成：数据寄存器（DR）、旁路寄存器（BYPASS）、和一个更新（UPDATE）逻辑。BST的结构如下所示：

数据寄存器是一个能够存储数据的寄存器链，用于对经过芯片引脚的数据进行捕获和移位操作。旁路寄存器是一个单一的位寄存器，当不使用边界扫描功能时，可以使数据直接通过引脚而无需额外的移位操作，以减少对芯片性能的影响。

BST的更新逻辑负责将数据寄存器中的数据更新到输出缓冲区。这样的更新操作可以是同步的，即所有BST几乎同时进行更新，也可以是异步的，由TAP控制器的信号控制。

2.1.2 TAP控制器的运作机制

TAP（Test Access Port）控制器是一个有限状态机，用于控制边界扫描过程中的各种操作。TAP控制器有16个状态，通过TCK（测试时钟）和TMS（测试模式选择）信号线来控制状态转换。以下是TAP控制器状态转换的简要说明：

Reset：重置状态，复位TAP控制器到一个已知的起始状态。
Run-Test/Idle：系统可以在这个状态下运行自定义的测试或保持空闲。
Select-DR-Scan 和 Select-IR-Scan：用于选择数据寄存器（DR）或指令寄存器（IR）路径。
Capture-DR/IR：捕获数据寄存器或指令寄存器的数据。
Shift-DR/IR：移位操作，数据寄存器或指令寄存器的数据可以在此状态下进行移位。
Update-DR/IR：更新，将寄存器中的数据更新到输出或输出到内部电路。
Pause-DR/IR：暂停移位操作。

每个状态转换都依赖于TMS信号的值，TMS信号在TCK的上升沿被采样，并在TAP控制器中用于控制状态转换。

2.2 IEEE 1149.1标准的组成和协议

2.2.1 标准规定的信号和引脚定义

IEEE 1149.1标准规定了一组信号引脚，用于边界扫描测试的通信。这些信号通常包括：

TCK (Test Clock)：测试时钟信号，控制TAP控制器和边界扫描链路的时序。
TMS (Test Mode Select)：测试模式选择信号，用于控制TAP状态机的转换。
TDI (Test Data In)：测试数据输入信号，用于向边界扫描链路提供测试数据。
TDO (Test Data Out)：测试数据输出信号，用于输出边界扫描链路的数据。
TRST (Test Reset)：测试复位信号，用于异步重置TAP控制器。

每个边界扫描设备上至少需要有这五个信号引脚，以确保能够进行边界扫描操作。这些信号的正确配置和通信是实现边界扫描功能的基础。

2.2.2 指令集与数据寄存器

IEEE 1149.1标准定义了一个基础的指令集，包括以下几个核心指令：

BYPASS：将数据直接通过旁路寄存器移位，以缩短扫描链路。
EXTEST：执行外部测试，用于测试板级互连。
SAMPLE/PRELOAD：捕获和预加载输入输出引脚的状态。
HIGHZ：使所有输出引脚呈现高阻状态。
IDCODE：提供设备的身份识别信息。

此外，IEEE 1149.1标准允许制造商扩展指令集，以支持特定于设备的测试和操作。

数据寄存器是执行指令的基础，标准中定义了多种类型的寄存器，包括：

边界扫描寄存器：连接到每个输入/输出引脚的寄存器，用于捕获和移位数据。
旁路寄存器：仅为快速传输数据而设计的单个位寄存器。
设备识别寄存器：存储设备特定的ID码。

2.2.3 状态机模型与操作序列

TAP控制器使用一个16状态的状态机模型来控制边界扫描操作的流程。这个状态机的目的是控制

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