jtag工作原理詳解

　　JTAG（Joint Test Action Group，聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)組）是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議（IEEE 1149.1兼容）。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線——TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。

　　JTAG是最基本的通訊協(xié)議之一，大家可以理解為與RX TX或者USB的道理是一樣的，只是一種通訊手段，但與RX TX以及USB有很重大的不同，那就是這個(gè)JTAG協(xié)議是最底層的，說(shuō)的通俗一點(diǎn)，一般來(lái)說(shuō)，手機(jī)里邊，CPU是老大，對(duì)吧？但在JTAG面前，他就不是老大了，JTAG協(xié)議就是用來(lái)控制CPU的，在JTAG面前CPU變成嘍啰了。一般的協(xié)議是求著CPU讀寫(xiě)字庫(kù)的程序，但JTAG可以讀寫(xiě)CPU的程序，命令讓CPU啥活都干，擒賊先擒王，JTAG就是屠龍刀。

　　JTAG也是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試。現(xiàn)在多數(shù)的高級(jí)器件都支持JTAG協(xié)議，如DSP、FPGA器件等。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。 相關(guān)JTAG引腳的定義為：TCK為測(cè)試時(shí)鐘輸入；TDI為測(cè)試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過(guò)TDI引腳輸入JTAG接口；TDO為測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過(guò)TDO引腳從JTAG接口輸出；TMS為測(cè)試模式選擇，TMS用來(lái)設(shè)置JTAG接口處于某種特定的測(cè)試模式；TRST為測(cè)試復(fù)位，輸入引腳，低電平有效

　　JTAG的主要功能有兩種，或者說(shuō)JTAG主要有兩大類：一類用于測(cè)試芯片的電氣特性，檢測(cè)芯片是否有問(wèn)題；另一類用于Debug，對(duì)各類芯片以及 其外圍設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。一個(gè)含有JTAG Debug接口模塊的CPU，只要時(shí)鐘正常，就可以通過(guò)JTAG接口訪問(wèn)CPU的內(nèi)部寄存器、掛在CPU總線上的設(shè)備以及內(nèi)置模塊的寄存器。本文主要介紹 的是Debug功能。

　　注釋：JTAG可以訪問(wèn)一些內(nèi)部寄存器，主要是CPU內(nèi)的寄存器，例如一些通用寄存器等；也可以訪問(wèn)一些掛在總線上的設(shè)備，比如片內(nèi)的內(nèi)存L1，L2，L3等；還可以訪問(wèn)內(nèi)置模塊的寄存器，比如MMU模塊，通過(guò)JTAG都可以訪問(wèn)這些寄存器。

　　1 JTAG原理分析

　　簡(jiǎn)單地說(shuō)，JTAG的工作原理可以歸結(jié)為：在器件內(nèi)部定義一個(gè)TAP（Test Access Port，測(cè)試訪問(wèn)口），通過(guò)專用的JTAG測(cè)試工具對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試。首先介紹一下邊界掃描和TAP的基本概念和內(nèi)容。

　　1.1 邊界掃描

　　邊界掃描（Boundary-Scan）技術(shù)的基本思想是在靠近芯片的輸入／輸出引腳上增加一個(gè)移位寄存器單元，也就是邊界掃描寄存器（Boundary-Scan Register）。

　　當(dāng)芯片處于調(diào)試狀態(tài)時(shí)，邊界掃描寄存器可以將芯片和外圍的輸入／輸出隔離開(kāi)來(lái)。通過(guò)邊界掃描寄存器單元，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片輸入／輸出信號(hào)的觀察和控 制。對(duì)于芯片的輸入引腳，可以通過(guò)與之相連的邊界掃描寄存器單元把信號(hào)（數(shù)據(jù)）加載到該引腳中去；對(duì)于芯片的輸出引腳，也可以通過(guò)與之相連的邊界掃描寄存 器“捕獲”該引腳上的輸出信號(hào)。在正常的運(yùn)行狀態(tài)下，邊界掃描寄存器對(duì)芯片來(lái)說(shuō)是透明的，所以正常的運(yùn)行不會(huì)受到任何影響。這樣，邊界掃描寄存器提供了一 種便捷的方式用于觀測(cè)和控制所需調(diào)試的芯片。另外，芯片輸入／輸出引腳上的邊界掃描（移位）寄存器單元可以相互連接起來(lái)，任芯片的周圍形成一個(gè)邊界掃描鏈 （Boundary-Scan Chain）。邊界掃描鏈可以串行地輸入和輸出，通過(guò)相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)和控制信號(hào)，就可以方便地觀察和控制處在調(diào)試狀態(tài)下的芯片。

　　1.2 測(cè)試訪問(wèn)口TAP

　　TAP（Test Access Port）是一個(gè)通用的端口，通過(guò)TAP可以訪問(wèn)芯片提供的所有數(shù)據(jù)寄存器（DR）和指令寄存器（IR）。對(duì)整個(gè)TAP的控制是通過(guò)TAP控制器（TAP Controller）來(lái)完成的。下面先分別介紹一下TAP的幾個(gè)接口信號(hào)及其作用。其中，前4個(gè)信號(hào)在IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)里是強(qiáng)制要求的。

　　◇TCK：時(shí)鐘信號(hào)，為TAP的操作提供了一個(gè)獨(dú)立的、基本的時(shí)鐘信號(hào)。

　　◇TMS：模式選擇信號(hào)，用于控制TAP狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換。

　　◇TDI：數(shù)據(jù)輸入信號(hào)。

　　◇TDO：數(shù)據(jù)輸出信號(hào)。

　　◇TRST：復(fù)位信號(hào)，可以用來(lái)對(duì)TAP Controller進(jìn)行復(fù)位（初始化）。這個(gè)信號(hào)接口在IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)里并不是強(qiáng)制要求的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)TMS也可以對(duì)TAP Controller進(jìn)行復(fù)位。

　　◇STCK：時(shí)鐘返回信號(hào)，在IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)里非強(qiáng)制要求。

　　◇DBGRQ：目標(biāo)板上工作狀態(tài)的控制信號(hào)。在IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)里沒(méi)有要求，只是在個(gè)別目標(biāo)板（例如STR710）中會(huì)有。

　　簡(jiǎn)單地說(shuō)，PC機(jī)對(duì)目標(biāo)板的調(diào)試就是通過(guò)TAP接口完成對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)寄存器（DR）和指令寄存器（IR）的訪問(wèn)。

　　系統(tǒng)上電后，TAP Controller首先進(jìn)入Test-LogicReset狀態(tài)，然后依次進(jìn)入Run-Test／Idle、Select-DR- Scan、Select-IR-Scan、Capture-IR、Shift-IR、Exitl-IR、Update-IR狀態(tài)，最后回到Run- Test／Idle狀態(tài)。在此過(guò)程中，狀態(tài)的轉(zhuǎn)移都是通過(guò)TCK信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)（上升沿），通過(guò)TMS信號(hào)對(duì)TAP的狀態(tài)進(jìn)行選擇轉(zhuǎn)換的。其中，在 Capture-IR狀態(tài)下，一個(gè)特定的邏輯序列被加載到指令寄存器中；在Shift-IR狀態(tài)下，可以將一條特定的指令送到指令寄存器中；在 Update-IR狀態(tài)下，剛才輸入到指令寄存器中的指令將用來(lái)更新指令寄存器。最后，系統(tǒng)又回到Run-Test／Idle狀態(tài)，指令生效，完成對(duì)指令 寄存器的訪問(wèn)。當(dāng)系統(tǒng)又返回到Run-Test／Idle狀態(tài)后，根據(jù)前面指令寄存器的內(nèi)容選定所需要的數(shù)據(jù)寄存器，開(kāi)始執(zhí)行對(duì)數(shù)據(jù)寄存器的工作。其基本 原理與指令其存器的訪問(wèn)完全相同，依次為Select-DR-Scan、Capture-DR、Shift-D、Exit1-DR、Update-DR， 最后回到Run-Test／Idle狀態(tài)。通過(guò)TDI和TDO，就可以將新的數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)寄存器中。經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后，就可以捕獲數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)，完 成對(duì)與數(shù)據(jù)寄存器的每個(gè)寄存器單元相連的芯片引腳的數(shù)據(jù)更新，也完成了對(duì)數(shù)據(jù)寄存器的訪問(wèn)。

　　目前，市場(chǎng)上的JTAG接口有14引腳和20引腳兩種。其中，以20引腳為主流標(biāo)準(zhǔn)，但也有少數(shù)的目標(biāo)板采用14引腳。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的信號(hào)轉(zhuǎn)換后，可以將它們通用。