面向电子控制器的片上可调试性结构设计

结硕 张黎

摘要

从当今高可靠电子器件的功能调试方面来看，如今串口形式依然是主流形式，占据大半市场，但是其整体通信效率低、误码率较高、不适合功能集成等情况已经无法满足未来市场发展趋势。基于此，本文首先对串口调试方案进行分析，进而提出一种基于JTAG的调试方案与系统设计，旨在弥补串口方案的弊端。

【关键词】电子控制器 片上可调式 结构设计JTAG 串口

由于高可靠电子器件功能调试通常都是采用串口方法展开，同时在实际使用当中也存在着速率低、误码率高、难以集成等问题。当今IEEE STD1500制定了发生器与接收器、测试访问机制、测试环调试框架，但是此系统往往兼容性较差。虽然有部分人员提出了访问接口与扫描链压缩统一规划，这就需要进一步制定访问路径，成本相对较高，并且只能实现部分的功能优化。随着相关技术的不断发展，当今还提出了一种IEEE1149.1边界扫描技术OTAG）。该系统具备了较少的管脚开发调试、IC级互连特性，可以为软硬件协同开发调试提供相关界面。因此，加强对JTAG的研究有着重要意义。

1 串口调试方案

串口调试也就是既有通信接口展开的功能调试方法，TI等公司广泛应用该项技术，常见的复用接口主要包括以太网、UART、USB等等，也就是在通信接口电路当中增设一种独立调试结构，采用模式选择的方法切换工作方式，降低了管脚资源以及制造成本。同时，采用串口调试方法，需要对核心电路、整体方案进行全面修改，会直接影响整体的时序收敛，也难以实现自行调试。

2 基于JTAG可调试性方案与结构设计

2.1 方案思路

JTAG最为一种集成电路方案，可以将芯片观测寄存器相互串联，采用串行移入测试方法、观测分析输出数据信息，判定整个电路是否表现正常（如图1）。标准的JTAG当中包括TMS、TCK、TDI、DEI、TDO、TRST。在整个方案实现过程中，整个调试系统包括TAP、数据寄存器、指令寄存器。TAP作为一个具备16个状态的状态机，通过TMS发送信号进行操作，在TDO和TDI之间加载寄存器。其中，数据寄存器主要包含了强制定义旁路寄存器、器件寄存器ID，边界扫描器、用户自动以寄存器。指令寄存器通过操作信息决定选择哪种寄存器。

该种方案能够广泛应用集成电路，但是当今市场中大部分集成电路产品都只考虑了结构方面的测试，功能测试方面有所欠缺。这是由于结构测试采用EDA即可得到所测向量，结构自动匹配也可以在ATE机上直接完成。但功能调试则不同，除了要增加相关硬件外，还需要软件与协议转换器配合。这就需要对JTAG接口进行重新定义，实现功能测试。

2.2 TAP

通过分析图1可知，在测试当中，在初始状态下要受到TMS控制，之后再进入到指令寄存器控制流程当中，在TDI当中的shift-IR当中加入指令码，在更新操作完毕后，则判定指令码生效，让数据寄存器选择信息输出。上述流程完毕后，再次从初始状态通过TMS信号控制进入到数据寄存器运行流程当中，由TDI移入串行数据当中，并通过TDO输出数据信息，这样即可完成整套的矢量施加。在IEEE1149.1当中，除了一些基本的寄存器外，还有用户自定义寄存器。在最初设计当中，自定义寄存器主要是用作于结构测试，但是缺乏功能测试。为了能够让JTAG具备功能调试的功能，需要实现片外JTAG与内标准总线协议转换，这样即可形成高效的复用性调试接口单兀。

2.3 协议转换单元

想要实现JTAG链路数据和片内并行总线之间实现相互转换，必须要在JTAG结构基础上增设一个协议转换单元。通常该协议转换单元要配备TAP控制器，并自定义寄存工作。再者，作为一种独立调试模块，很容易对片上的整理逻辑造成影响。本结构最为核心的部件是两套寄存器，也就是地址移位、数据移位寄存器。这就要在TAP当中增设这两个寄存器指令。如果TAP流程进入到指令期存器当中，如果加入了选择指令，则可以快速生成相应的选通信号。

2.4 总线主机接口

本设计采用地址移位、数据移位寄存器方法，并在TAP当中加入指令并激活，激活之后再采用DR流程加入到地址和数据当中。如果是采用一次调试访问方法，外部调试机要通过查询的方法掌握是否得到了调试反馈，为了能够保证两次或多次访问可以连续进行，要对前一次转换调试访问在本次串行移位期间得到相应的反馈。想要实现此类目标，需要掌握TAP循环一次指令和所需周期数、移位状态所需的指令周期数、数据移位状态下数据寄存、地址移动周期数、硬件结构一次调试访问串、并转换所消耗的时间。为了在第二次访问中可以最快时间获取结果，在串并转换过程中，芯片逻辑可以完成总线仲裁同时完成上次访问。并且在访问时间可控的情况下，尽可能减少仲裁时间。也就是在不改变之前仲裁器结构上，需要增设二级仲裁体制。如果将其切换到调试模式后，可以激活二次仲裁器，该协议中可以设置最高访问权限，转换单位可以直接进行访问，从而缩短了仲裁授予时间。

2.5 调试系统

调试系统当中不仅有接口芯片，同时也包括上位机调试软件和待测芯片调试。调试软件可以提供操作界面，对地层复杂的结构系统进行屏蔽。如上位机采用KeituVision集成环境，支持ARM7、ARM9等处理中的汇编器、编译器、实时操作系统，同时还提供了开放式调试接口 AGDl，而调试协议转换器中的动态连接库中加入DLL，即可在保持集成界面不变的情况下驱动协议转換器。协议转换器可以采用LPC2148微控器，可以与上位机相兼容，可以通过USB连接到JTAG接口，完善USB驱动以及JTAG开发。

3 结束语

综上所述，针对串口调试方法的弊端，可以采用JTAG接口方法，能够避免新增调试引脚造成的成本问题，同时也可以实现功能调试，结合TAP协议，加入自定义指令，实现串并转换，提高了测试效率、降低了资源开销，极大的提高了电子控制器的可靠性。

参考文献

[1]陈芳芳，周克宁.面向电子控制器的片上可调试性结构设计[J].电子器件，2018（03）：56-57.

[2]江飒.面向片内集成的FlexRay总线控制器IP设计[D].长安大学，2017.

[3]尹远.片上存储器可调测试设计的研究与实现[D]，国防科学技术大学，2012.