邊界掃描-Boundary Scan技術及其在芯片測試中的應用

一：Boundary Scan的基本概念及應用

-> 什么是Boundary SCAN？

首先我們都知道BSCAN是一種用于測試和驗證集成電路的技術。在集成電路中，有許多引腳***（pins）*** 用于與其他器件進行通信和連接。BSCAN 通過在芯片引腳之間添加可控的掃描鏈***（Scan Chain）*** ，使得我們能夠在測試和調試時以串行方式訪問每個芯片引腳。如下圖

-> BSCAN誕生的契機是什么呢？

電路板的日益復雜和 surface mount technologies (表面貼裝技術)等技術的轉變導致系統(tǒng)設計師們達成一致，采用了一種統(tǒng)一的基于掃描的方法，稱為邊界掃描***（boundary scan）*** ，用于在電路板（任何系統(tǒng)）級別上測試芯片。

-> BSCAN為芯片驗證帶來了什么？

1. 連通性測試：

假設你在設計一個SoC，其中涉及許多引腳用于連接不同的子系統(tǒng)。使用邊界掃描，你可以測試這些引腳之間的連通性。例如，你可以加載一個測試模式，通過觀察TDO信號，檢查引腳是否按預期連接，是否存在開路或短路問題。

2.故障定位：

在芯片制造過程中，可能會出現(xiàn)一些未預料的故障，例如焊接問題或晶體管故障。通過加載適當?shù)臏y試模式，你可以觀察故障信號在掃描鏈上的傳播路徑，從而精確定位故障的位置，加速故障排除過程。

3.邏輯驗證：

在芯片設計的早期階段，你可以使用邊界掃描來驗證芯片的基本邏輯功能。通過加載測試模式，觀察輸出是否與預期相符，以驗證芯片的功能性。

4.硬件調試：

假設你遇到了一些奇怪的硬件問題，如時序問題或邏輯錯誤。通過在掃描鏈上加載特定的測試模式，你可以觀察信號在芯片內部的傳播路徑，有助于理解信號的行為，從而更有效地進行硬件調試。

5.芯片級聯(lián)測試：

在多芯片系統(tǒng)中，邊界掃描可以用于測試不同芯片之間的連接性。通過將多個芯片的邊界掃描鏈連接在一起，你可以檢測引腳和信號在整個系統(tǒng)中的傳輸情況。

總之，邊界掃描在SoC設計驗證中是一項強大的工具，可以幫助芯片驗證工程師在不同階段進行測試、調試和驗證，從而提高芯片的質量和可靠性。

二：Boundary Scan的硬件實現(xiàn)

邊界掃描的核心思想是在SoC芯片的引腳周圍添加一個可控的掃描鏈，將芯片內部的邏輯電路與掃描鏈相連。這個掃描鏈由一系列的Scan Cells （掃描單元）組成，每個掃描單元可以存儲一個比特的數(shù)據(jù)。通過操控TAP（Test Access Port） 控制器，我們可以在掃描鏈上加載測試模式，然后觀察測試模式在芯片內部的傳播路徑，從而實現(xiàn)測試、調試和驗證。

沒錯，下面就要詳細介紹一下我們的主角TAP了！

TAP控制器是邊界掃描的核心，它負責管理掃描鏈的操作。TAP控制器通過四個或個基本信號進行操作測試訪問端口。

• TCK（Test Clock）：用于控制掃描鏈的時鐘信號。
• TMS（Test Mode Select）：用于控制TAP控制器狀態(tài)機的狀態(tài)切換。
• TDI（Test Data Input）：用于將數(shù)據(jù)加載到掃描鏈中。
• TDO（Test Data Output）：用于從掃描鏈讀取數(shù)據(jù)。
• TRST（Test Reset）：用于異步復位TAP控制器，如果芯片沒有自動生成上電復位信號的話。

不過一般我們用到前面四個就夠了，下面是一個基本的TAP架構圖。

下面我們就按照這張圖剖析一下TAP的組成部分。

1. TAP控制器（TAP Controller）：

TAP控制器是TAP的核心，負責控制掃描操作的狀態(tài)轉換和時序。它通過TCK（Test Clock）、TMS（Test Mode Select）、TDI（Test Data Input）和TDO（Test Data Output） 等信號，實現(xiàn)從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的轉換，以便執(zhí)行不同的操作，如掃描測試數(shù)據(jù)或讀取測試結果。TAP控制器按照JTAG（Joint Test Action Group） 標準定義了一組狀態(tài)，如Test-Logic-Reset狀態(tài)、Run-Test/Idle狀態(tài)等。

2.指令寄存器（Instruction Register）：

指令寄存器用于存儲和加載TAP控制器的指令。在測試和調試過程中，可以通過加載不同的指令來控制芯片的操作。指令寄存器的位數(shù)決定了可以定義的不同指令數(shù)量，從而支持多種測試模式和操作。

3. 測試數(shù)據(jù)寄存器（Test Data Register）：

測試數(shù)據(jù)寄存器用于存儲測試模式數(shù)據(jù)，它是掃描鏈（Scan Chain）的一部分。測試數(shù)據(jù)可以被輸入到芯片進行測試，也可以從芯片中讀取出來作為測試結果。測試數(shù)據(jù)寄存器又分為不同的子寄存器，包括邊界掃描寄存器、旁路寄存器和TDO驅動器。

3.1. 邊界掃描寄存器（Boundary Scan Register）：

邊界掃描寄存器是邊界掃描技術的關鍵，用于在芯片的引腳之間插入可控的測試邏輯。它允許在芯片的輸入和輸出之間插入額外的邏輯電路，以便執(zhí)行連通性測試、故障定位等操作。邊界掃描寄存器存儲了掃描鏈上的測試模式數(shù)據(jù)，可以通過TAP控制器進行加載和讀取。

3.2. 旁路寄存器（Bypass Register）：

旁路寄存器用于繞過邊界掃描邏輯，將芯片的輸入直接連接到輸出。當不需要執(zhí)行邊界掃描時，可以通過加載指令將旁路寄存器中的數(shù)據(jù)傳遞給TDO輸出，從而繞過邊界掃描邏輯。

3.3. TDO驅動器（TDO Driver）：

TDO驅動器用于控制TDO輸出信號的驅動。在掃描鏈操作期間，TDO驅動器負責將測試模式數(shù)據(jù)從邊界掃描寄存器或旁路寄存器傳遞到TDO輸出。TDO驅動器還可以根據(jù)TAP控制器的狀態(tài)控制TDO輸出信號的開關。

這些組成部分共同構成了TAP結構，使得邊界掃描技術成為一種強大的芯片測試和驗證工具，為集成電路設計和制造過程提供了可靠的測試手段。下圖展示一個完整的Boundary SCAN。

結語

Boundary SCAN作為現(xiàn)代芯片設計驗證領域的重要工具，為芯片工程師提供了強大的測試和調試手段。它通過TAP控制器、掃描鏈和測試模式生成器的協(xié)同工作，實現(xiàn)了對芯片內部功能和連通性的全面測試。