JTAG如何工作？是誰動了我的JTAG口？

在FPGA研發(fā)及學習過程中，有一個關鍵步驟就是下板實現(xiàn)，做硬件“硬現(xiàn)”很重要，一般來說用JTAG口比較常見一些，因此，相信肯定有些大俠遇到過JTAG口失靈或者損壞無法使用的事情。

最近我就遇到了這類事情，F(xiàn)PGA的JTAG口突然就不能下載程序了，而且這種事情已經(jīng)不是第一次了，之前在做項目的時候也出現(xiàn)過，而且出現(xiàn)的形式也極其相似，之前還用的好好的，第二天就不行了，真是讓人郁悶。

為此，本人也是去嘗試了很多解決辦法。一開始也沒有去設想是JTAG口壞了，于是換了usb-blaster，可一點反應也沒有。難道真的是JTAG口壞了？后來，查閱相關資料去搞清楚問題的本質在哪里…… 下面就是本人的一些收獲，分享出來，僅供各位大俠參考，一起交流學習。

根據(jù)查閱資料及本人的一些實踐經(jīng)驗所得，在使用JTAG下載接口的過程中，請不要隨意帶電插拔，否則會損壞FPGA芯片的JTAG口信號管腳。那么如何去確認JTAG口已經(jīng)損壞了呢。

首先，你要去排除基本的幾項因素，一是，是否匹配連接，有很多設備會對應很多接口，在實際條件下要匹配正確，否則也會出現(xiàn)上述情況；

二是，排除下載線的問題，如果是下載線壞了，可以使用多根下載線去嘗試，排除這類問題。如果還是不能訪問FPGA的JTAG口，那么很有可能你的FPGA芯片的JTAG口已經(jīng)損壞。此時，請用萬用表檢查TCK、TMS、TDO和Tdi，是否和GND短路，如果任何一個信號對地短路則表示JTAG信號管腳已經(jīng)損壞。

至于JTAG口是什么，這里我們也來探討一下，JTAG英文全稱是 Joint Test Action Group，翻譯過來中文就是聯(lián)合測試工作組。 JTAG是一種IEEE標準用來解決板級問題，誕生于20世紀80年代。今天JTAG被用來燒錄、debug、探查端口。當然，最原始的使用是邊界測試。

1、邊界測試

舉個例子，你有兩個芯片，這兩個芯片之間連接了很多很多的線，怎么確保這些線之間的連接是OK的呢，用JTAG，它可以控制所有IC的引腳，這叫做芯片邊界測試。

2、JTAG引腳

JTAG發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有腳了，通常四個腳：TDI，TDO，TMS，TCK，當然還有個復位腳TRST。對于芯片上的JTAG的腳實際上是專用的：

TDI：測試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI輸入JTAG口。

TDO：測試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過TDO從JTAG口輸出。

TMS：測試模式選擇，用來設置JTAG口處于某種特定的測試模式。

TCK：測試時鐘輸入。

TRST：測試復位。

CPU和FPGA制造商允許JTAG用來端口debug；FPGA廠商允許通過JTAG配置FPGA，使用JTAG信號通入FPGA核。

3、JTAG如何工作？

PC控制JTAG：用JTAG電纜連接PC的打印端口或者USB或者網(wǎng)口。最簡單的是連接打印端口。

TMS：在每個含有JTAG的芯片內部，會有個JTAG TAP控制器。TAP控制器是一個有16個狀態(tài)的狀態(tài)機，而TMS就是這玩意的控制信號。當TMS把各個芯片都連接在一起的時候，所有的芯片的TAP狀態(tài)跳轉是一致的。

下面是TAP控制器的示意圖：

改變TMS的值，狀態(tài)就會發(fā)生跳轉。如果保持5個周期的高電平，就會跳回test-logic-rest，通常用來同步TAP控制器；通常使用兩個最重要的狀態(tài)是Shift-DR和Shift-IR，兩者連接TDI和TDO使用。

IR：命令寄存器，你可以寫值到這個寄存器中通知JTAG干某件事。每個TAP只有一個IR寄存器而且長度是一定的。

DR：TAP可以有多個DR寄存器，與IR寄存器相似，每個IR值會選擇不同的DR寄存器。

4、JTAG鏈相關疑問

計算JTAG鏈中的IC數(shù)目：

一個重要的應用是IR值是全一值，表示BYPASS命令，在BYPASS模式中，TAP控制器中的DR寄存器總是單bit的，從輸入TDI到輸出TDO，通常一個周期，啥也不干。

可用BYPASS模式計算IC數(shù)目。如果每個IC的TDI-TDO鏈的延遲是一個時鐘，我們可以發(fā)送一些數(shù)據(jù)并檢測它延遲了多久，那么久可以推算出JTAG鏈中的IC數(shù)目。

得到JTAG鏈中的器件ID：

大多數(shù)的JTAG IC都支持IDCODE命令。在IDCODE命令中，DR寄存器會裝載一個32bit的代表器件ID的值。不同于BYPASS指令，在IDCODE模式下IR的值沒有標準。不過每次TAP控制器跳轉到Test-Logic-Reset態(tài)，它會進入IDCODE模式，并裝載IDCODE到DR。

5、邊界掃描

TAP控制器進入邊界掃描模式時，DR鏈可以遍歷每個IO塊或者讀或攔截每個引腳。在FPGA上使用JTAG，你可以知曉每個引腳的狀態(tài)當FPGA在運行的時候?？梢允褂肑TAG命令SAMPLE，當然不同IC可能是不同的。

如果JTAG口已經(jīng)損壞了，那只能“節(jié)哀順變”了，但是也不要只顧著傷心，最重要的是分析其中的原因，做其他事情也是一樣的道理。那我們就來分析分析，我們在使用的過程中，可能經(jīng)常為了方便，隨意插拔JTAG下載口，在大多數(shù)情況下不會發(fā)生問題。但是，仍然會有很小的機率發(fā)生下面的問題，因為熱插拔而產(chǎn)生的JTAG口的靜電和浪涌，最終導致FPGA管腳的擊穿。

至此，也有人懷疑是否是盜版的USB Blaster或者ByteBlasterII設計簡化，去除了保護電路導致的。但經(jīng)過很多實際情況的反饋，事實證明原裝的USB Blaster 也會發(fā)生同樣的問題。也有人提出質疑是否是ALTERA的低端芯片為了降低成本，F(xiàn)PGA的IO單元沒有加二極管鉗位保護電路。這類質疑其實都不是解決問題的本質，最重要的是我們要規(guī)范操作，盡可能的去減少因為實際操作不當導致一些硬件設備、接口等提前結束壽命或“英年早逝”，那重點來了，關于JTAG下載口的使用，我們需要如何去規(guī)范操作呢。

上電時的操作流程順序：

在FPGA開發(fā)板及相關設備斷電的前提下，插上JTAG下載線接口；

插上USB Blaster或者ByteBlasterII的電纜；

接通FPGA開發(fā)板的電源。

下電時的操作流程順序：

斷開FPGA開發(fā)板及相關設備的電源；

斷開USB Blaster或者ByteBlasterII的電纜；

拔下JTAG下載線接口，并放置適宜地方存儲。

雖然上述的操作步驟有點繁瑣，有時我們在使用的時候也是不以為然，但為了保證芯片不被損壞，建議大家還是中規(guī)中矩的按照上述的步驟來操作。

本人上述出現(xiàn)的問題，經(jīng)過檢測后就是TCK跟GND短路了，雖然發(fā)生的概率不是很大，但為了能夠更合理更長久的的使用硬件相關設備，還是建議大家在實操過程中，不要擔心繁瑣，中規(guī)中矩操作，換個角度思考，“多磨多練”也是對自己有好處的。

最后再嘮叨一句，關于JTAG下載口的使用最好不要帶電熱插拔，起碼可以讓JTAG口“活”的久一些，畢竟長情陪伴也是挺不錯的，不要等到失去了才知道惋惜。

作者 FPGA技術江湖公眾號 在此特別鳴謝