基于边界扫描的远程可测性设计技术研究*

（1.西南电子技术研究所，四川 成都 610000；2.中国人民解放军32011 部队，北京 100085）

0 引言

随着数字电路技术进入超大规模集成电路时代，先进的数字电路越来越复杂。以FPGA、DSP以及POWERPC 等这类BGA 器件为基础构成的数字总线系统，已成为数字化处理的核心[1]。性能的不断提升导致了设备复杂性增加，增加了测试难度。如何在性能提高的同时保证设备具有良好的测试性，已经成为设备硬件设计阶段需要考虑的关键问题。

基于边界扫描的可测性设计（Design For Test，DFT）技术[2-4]，利用FPGA、DSP 以及POWERPC等核心器件自带的边界扫描测试链路，解决了这类核心器件之间互连故障的快速诊断和精准定位，有效弥补了传统示波器、逻辑分析仪等物理探针无法接触到的BGA 器件管脚而无法测试的不足。但是，传统的基于边界扫描的DFT 技术，测试上位机必须通过边界扫描测试控制器，且故障诊断算法及定位均是在测试上位机上实现的，这就造成了该技术在大规模数字电路系统中应用存在局限性。在某些场合，测试上位机无法直接连接到待测系统上。

针对基于边界扫描DFT 技术存在的局限性，本文在原有DFT 技术研究的基础上，实现了一种基于边界扫描的远程测试系统。测试上位机无需直接连接到待测数字系统，即可实现FPGA、DSP 以及POWERPC 等核心器件之间互联故障快速定位及诊断。

1 基于边界扫描的传统DFT 实现

传统的DFT 技术基于IEEE 1149.1 边界扫描标准[5]。该标准于1990 年推出，最初的目的是便于DSP、FPGA 以及PPC 等数字芯片引脚的出厂测试。

IEEE 1149.1 边界扫描标准要求数字芯片内部逻辑必须先通过扫描单元（Boundary-Scan，BSC）再连接芯片管脚，以通过BSC 单元控制和观察芯片引脚的状态。在对芯片进行出厂测试时，只要通过JTAG 的输入端（Test Data Input，TDI）将测试向量送入BSC，在相应的引脚检测接收到的测试向量就可以达到芯片引脚出厂测试的目的。

边界扫描测试技术（Boundary-Scan Test，BST）就是围绕BSC 单元对芯片引脚的控制和观测特性实现的，测试原理如图1 所示。如果要测试图中A 芯片和B 芯片之间的引脚互联状态，那么可以通过JTAG 的输入端将测试向量输入芯片A 的BSC单元。测试向量在A 芯片的BSC 单元中以串行移位方式移动（由SI 移位到SO），当串行移动完成后，芯片A 的所有管脚状态均为设定好的状态，这时再从引脚与之相连的芯片B 的BSC 单元中读出这些状态，根据这些状态判定A 芯片与B 芯片之间的连接是否正常。类似的，通过B 芯片的TDI 引脚输入测试向量也可以实现对芯片B 管脚状态的设定，从而间接实现对芯片C 的管脚进行控制。所有待测引脚状态的测试向量都从输出端芯片的（Test Data Output，TDO）引脚输出，并在边界扫描测试软件中进行数据分析与处理，最终形成引脚互连状态的故障判据。

图1 芯片互连边界扫描测试原理

2 可测性设计的实现

2.1 传统的可测试性设计方法

文献[6]对传统的可测试性（DFT）设计方法进行系统研究，将PPC、DSP 以及FPGA 等数字芯片JTAG 按照一定方式组成JTAG 扫描链，对非边界扫描器件进行簇建模，再通过各个芯片之间JTAG 链路的相互配合，施加测试向量并采集测试响应，实现了数字芯片乃至数字模块之间的互连故障诊断，具有较高的互连故障诊断率。

2.1.1 边界扫描链组织方式

传统的可测性设计方法采用并行边界扫描链路方式组织JTAG 链路，如图2 所示。

图2 并联方式的连接的边界扫描链

这种连接方式通过货架JTAG 管理桥片如STA112 等间接对各个芯片的JTAG 链路进行管理，极大地简化了串行移位操作和增加了扫描链路的灵活性。模块之间的测试通信采用JTAG 的五线并联方式，即使某个模块损坏，也不会影响其余模块的测试工作。测试系统通过每个模块上的边界扫描路由芯片，管理通用处理模块上的多个扫描链，从而进行边界扫描测试。

2.1.2 传统的边界扫描测试系统

采用传统可测性设计方法搭建的大规模数字边界扫描测试系统，如图3 所示。该测试系统由3 部分构成，分别为运行在主控计算机上的边界扫描测试软件、边界扫描控制器以及待测系统。

边界扫描测试软件的主要原理是根据测试人员提供的BSDL 文件（基于VHDL 语言的数字芯片描述文件）和模块网表文件，结合一定的电路板故障诊断算法生成测试向量。边界扫描控制器通过PCI总线连接到主控计算机，将边界扫描测试软件产生的测试向量通过JTAG 测试总线施加到被测系统，完成对被测该规模数字系统互连故障的测试、分析和诊断等功能。

2.2 远程可测性设计方法

2.2.1 边界扫描链组织方式

目前，大多数可测性设计方法采用并行边界扫描链路方式，如图4 所示。

芯片的边界扫描链路仍然采用并联的方式汇集到JTAG_Server/Client。JTAG_Server/Client 之间通过CAN 口进行通信。JTAG_Server/Client 可以采用ZYNQ FPGA 或ARM 处理器实现，无需使用专用边界扫描管理桥片。

图3 边界扫描测试系统

图4 远程可测性设计方法边界扫描链组织方式

2.2.2 基于边界扫描的远程可测试性系统的硬件构成

远程测试系统包括测试子卡和远程测试软件两部分。硬件实施方案如图5 所示，其中Jtag_client代表测试子卡。测试子卡用于管理载板上的边界扫描链路，并为远程测试软件提供运行环境，同时实现与待测系统控制指令与测试结果交互。测试子卡之间的通信通过CAN 总线实现。

远程测试软件包括运行在测试子卡上的远程测试软件和上位机上的测试结果监控界面两部分。

图5 硬件实施方案

Jtag_client 由TI 公司MCU 处理器STM32F107/GD32F107 及其外设构成，通过远程测试软件实现JTAG 测试向量的播放。STM32F107/GD32F107 处理器具备存储JTAG 测试向量的NV_RAM，处理器IO实现处理器总线到JTAG 的接口，具备4 个JTAG测试端口。STM32F107/GD32F107 具备一路CAN 总线接口，用于实现测试子卡之间的通信，速率为1 Mb/s。运行在Jtag_client 上的远程测试软件实现对Jtag_server 发送的测试指令解析，实现JTAG 链路管理，并选取待测试芯片的JTAG 链路。运行在Jtag_client 上的远程测试软件，根据Jtag_server 发送的测试指令调用对应的测试向量文件（SVF 文件），并发送对应的测试向量。运行在Jtag_client上的远程测试软件，实现测试输出向量采集，并进行对比分析，向Jtag_server 返回测试结果。

Jtag_server 硬件构成与Jtag_client 基本相同，通过远程测试软件实现系统测试管理和测试监控软件的交互。此外，它还具备与PC 端互连的以太网接口。运行在Jtag_server 上的远程测试软件与测试监控软件相连，接收测试监控软件的控制指令，并上报测试结果。运行在Jtag_server 上的远程测试软件，根据测试监控软件的要求生成测试指令，并下发到Jtag_client。

2.2.3 基于边界扫描的远程可测试性系统的软件构成

如图6 所示，基于集中控制架构的嵌入式边界扫描测试软件（Embedded Boundary Scan Monitor System，EBSMS）由远程监控软件（上位机PC 软件，RMonitor）和嵌入式边界扫描测试软件（下位机软件，简称EBScan）组成。

图6 软件系统构成

边界扫描SVF 集成开发环境（以下简称SVFIDE）基于PC 机的独立软件，用于生成被测单板的SVF 格式的测试向量文件，具有测试工程建立、TCL 测试脚本开发以及SVF 生成等功能。

EBScan 的核心功能由嵌入式边界扫描接口控制器、SVF 命令解析与执行器、故障诊断模块构成。SVFIDE 所生成的IEEE 1149.1 测试指令与测试向量（存放于SVF 文件）下载至嵌入式测试控制器Flash 芯片，经SVF 命令解析，通过边界扫描接口控制器产生相应时序，向被测芯片TDI 引脚注入测试指令与测试向量，从TDO 引脚获取输出向量进行诊断，从而定位故障。该故障定位信息通过TCP网络报文上报远程监控软件进行结果显示。

当EBScan 执行SVF 文件中的Sample 指令时，即可实现边界扫描芯片引脚电平状态监控。EBScan还可支持VxWork 操作系统。

EBScan 有两种工作模式：一是非任务测试，包括链路测试和互连测试等，会中断被测系统的正常任务；二是任务测试（监控模式），仅仅采样JTAG 芯片引脚电平，而不干扰系统正常工作。远程监控软件主要用于故障定位信息显示，也可下发测试启动指令、SVF 文件。

2.3 实验结果

表1 是采用远程DFT 前后，故障覆盖率、定位精度研究测试时间等指标的对比。由表1 可知，采用该技术后，系统可测试性无变化，测试时间有所增加。究其原因，在于目前采用CAN 总线进行测试向量的发送和接收，而CAN总线的传输速率较低，后期可更换为千兆以太网，但仍然优于采用DFT 技术之前的测试时间。

表1 测量结果

3 结语

由于大规模数字电路采用的数字芯片间距小、物理探针测试点少、调试和故障诊断难度大、复杂度高等，基于边界扫描的DFT 技术在大规模数字电路互联故障诊断和测试方面使用的越来越多，但传统的DFT 技术使用的边界扫描控制盒限制了其应用范围。本文研究了远程可测性（DFT）设计技术的实现方法，改进传统的DFT 技术实现架构，并在某大规模数字系统中成功验证了该技术，无需使用专用的边界扫描控制盒即可实现一键式互连故障诊断，同时可扫描网络故障精确定位，对边界扫描测试技术在大规模数字电路故障测试中的进一步应用具有一定的指导作用。