jtag工作原理詳解 - 全文

　　JTAG（Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動組）是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(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JTAG協(xié)議是最底層的，說的通俗一點(diǎn)，一般來說，手機(jī)里邊，CPU是老大，對吧？但在JTAG面前，他就不是老大了，JTAG協(xié)議就是用來控制CPU的，在JTAG面前CPU變成嘍啰了。一般的協(xié)議是求著CPU讀寫字庫的程序，但JTAG可以讀寫CPU的程序，命令讓CPU啥活都干，擒賊先擒王，JTAG就是屠龍刀。

　　JTAG也是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片內(nèi)部測試。現(xiàn)在多數(shù)的高級器件都支持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為測試時鐘輸入；TDI為測試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI引腳輸入JTAG接口；TDO為測試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過TDO引腳從JTAG接口輸出；TMS為測試模式選擇，TMS用來設(shè)置JTAG接口處于某種特定的測試模式；TRST為測試復(fù)位，輸入引腳，低電平有效

　　JTAG的主要功能有兩種，或者說JTAG主要有兩大類：一類用于測試芯片的電氣特性，檢測芯片是否有問題；另一類用于Debug，對各類芯片以及 其外圍設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。一個含有JTAG Debug接口模塊的CPU，只要時鐘正常，就可以通過JTAG接口訪問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；還可以訪問內(nèi)置模塊的寄存器，比如MMU模塊，通過JTAG都可以訪問這些寄存器。

　　1 JTAG原理分析

　　簡單地說，JTAG的工作原理可以歸結(jié)為：在器件內(nèi)部定義一個TAP（Test Access Port，測試訪問口），通過專用的JTAG測試工具對內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試和調(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，邊界掃描寄存器可以將芯片和外圍的輸入／輸出隔離開來。通過邊界掃描寄存器單元，可以實(shí)現(xiàn)對芯片輸入／輸出信號的觀察和控 制。對于芯片的輸入引腳，可以通過與之相連的邊界掃描寄存器單元把信號（數(shù)據(jù)）加載到該引腳中去；對于芯片的輸出引腳，也可以通過與之相連的邊界掃描寄存 器“捕獲”該引腳上的輸出信號。在正常的運(yùn)行狀態(tài)下，邊界掃描寄存器對芯片來說是透明的，所以正常的運(yùn)行不會受到任何影響。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，任芯片的周圍形成一個邊界掃描鏈 （Boundary-Scan Chain）。邊界掃描鏈可以串行地輸入和輸出，通過相應(yīng)的時鐘信號和控制信號，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 測試訪問口TAP

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

　　◇TCK：時鐘信號，為TAP的操作提供了一個獨(dú)立的、基本的時鐘信號。

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

　　◇TDI：數(shù)據(jù)輸入信號。

　　◇TDO：數(shù)據(jù)輸出信號。

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

　　◇STCK：時鐘返回信號，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。在IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)里沒有要求，只是在個別目標(biāo)板（例如STR710）中會有。

　　簡單地說，PC機(jī)對目標(biāo)板的調(diào)試就是通過TAP接口完成對相關(guān)數(shù)據(jù)寄存器（DR）和指令寄存器（IR）的訪問。

　　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)。在此過程中，狀態(tài)的轉(zhuǎn)移都是通過TCK信號進(jìn)行驅(qū)動（上升沿），通過TMS信號對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，完成對指令 寄存器的訪問。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，開始執(zhí)行對數(shù)據(jù)寄存器的工作。其基本 原理與指令其存器的訪問完全相同，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)過一個周期后，就可以捕獲數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)，完 成對與數(shù)據(jù)寄存器的每個寄存器單元相連的芯片引腳的數(shù)據(jù)更新，也完成了對數(shù)據(jù)寄存器的訪問。

　　目前，市場上的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)過簡單的信號轉(zhuǎn)換后，可以將它們通用。

? ? ? ? JTAG的基本原理進(jìn)行分析

　　下面通過對JD44B0X實(shí)驗(yàn)開發(fā)板的簡易JTAG的基本原理進(jìn)行分析，以及對JD44B0X和STR710試驗(yàn)開發(fā)板主板的JTAG原理進(jìn)行對比，進(jìn)一步闡述JTAG的工作原理。JD44B0X實(shí)驗(yàn)開發(fā)板的簡易JTAG的原理圖如圖1所示。

　　圖1中，74LS244為三態(tài)輸出的8組緩沖器和總線驅(qū)動器，其功能如表1所列。

　　由表1可知，在JD44B0X實(shí)驗(yàn)板的調(diào)試過程中，這款簡易JTAG的主要作用就是將PC機(jī)發(fā)出的電信號與實(shí)驗(yàn)板的電信號進(jìn)行匹配，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動目標(biāo)板的功能。

　　STR710和JD44B0X主板的JTAG原理圖如圖2和圖3所示。

　　通過圖2和圖3的對比可以發(fā)現(xiàn)，雖然所用的仿真器有很大的差別，但是，實(shí)際上忽略一些上下拉電阻以及保護(hù)電容（這些電阻、電容對于電路功能沒有意 義），它們的基本原理圖是十分相似的，唯一的差別就在于對RTCK信號（用于測試時鐘返回）和DBGRQ信號（用于設(shè)置目標(biāo)板工作狀態(tài)）的處理。實(shí)際上， 在IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)中這兩個信號都不是強(qiáng)制要求的。因此，在分析仿真器（JTAG）的工作原理時完全可以忽略這兩個信號的情況，而僅對IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)制要求的4個信號進(jìn)行分析。

　　2 仿真器與簡易JTAG的性能對比

　　2.1 仿真器硬件連接

　　PC機(jī)配置：1.66 GHz，256 MB內(nèi)仔。

　　調(diào)試軟件：ADS1.2。

　　目標(biāo)板：JD44B0X。

　　完成任務(wù)：文件的下載。

　　硬件連接如圖4所示。通過主機(jī)的并口與仿真器相連接，再將仿真器與目標(biāo)板的JTAG調(diào)試接口連接。

　　2.2 性能對比

　　如表2所列，雖然通過不同的調(diào)試代理所需的下載時間有所不同，但是兩種仿真器所存在的性能差異仍然很明顯。在選剛簡易JTAG下載文件的過程中，效 率最高的調(diào)試代理所需的時間仍將近是仿真器的6倍，這就是仿真器的優(yōu)勢所在。性能的提高必然要付出更多的代價，對開發(fā)者來說這個代價就是成本。經(jīng)過市場的 考察，仿真器的價格一般在千元左右，而簡易JTAG的價格一般在百元左右，也就是存在將近10倍的差別。另外，還需要考慮的就是其兼容性。兼容性包括與目 標(biāo)板的兼容和與調(diào)試代理的兼容。在與目標(biāo)板的兼容方面，后面的內(nèi)容中會有詳細(xì)說明；在與調(diào)試代理的兼容方面也有所反映。簡易JTAG能夠與多個調(diào)試代理兼 容，而仿真器只能使用其自帶的調(diào)試代理，具有一定的局限性。

　　2.3 原因分析

　　既然所有JTAG的基奉原理都是一樣的，為什么這兩種仿真器的速度會存在如此大的差異，而且并不是所有的仿真器都是通用的呢？

　　首先介紹一下 ARM7掃描鏈架構(gòu)，如圖5所示。

　　與簡易JTAG比較，在掃描過程中，STR710的仿真器為ARM7TDMI添 加了一個專門的指針通道以及相應(yīng)的存儲空間store-multiple（STM）。因此在調(diào)試狀態(tài)下，仿真器不再利用系統(tǒng)除了邊界掃描寄存器外的任何其 他資源，而是通過JTAG-style接口直接獲取系統(tǒng)的狀態(tài)信息，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行觀測以及調(diào)試，進(jìn)而大大提高調(diào)試速度。

　　在STR710目標(biāo)板中，ARM7TDMI可以通過外部信號和內(nèi)部電路模塊（ICE）進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)。當(dāng)目標(biāo)板一旦進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)后，內(nèi)核就將其與存儲器分離開來，這樣內(nèi)核就可以保證在不影響系統(tǒng)正常運(yùn)作的狀態(tài)下對系統(tǒng)的狀況進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)試。同時，ARM7TDMI內(nèi)部狀態(tài)的檢測是通過JTAG-style接口進(jìn)行的，這個接口允許指令不通過數(shù)據(jù)線直接進(jìn)入到內(nèi)核的掃描通道。這樣在調(diào)試狀態(tài)下，STM就可以直接嵌入到指令通道并存儲ARM7TDMI寄存器的內(nèi)容，在不影響系統(tǒng)工作的情況下將這些內(nèi)容移位出來，使仿真器獲得目標(biāo)板的狀態(tài)信息。

　　與仿真器比較，簡易JTAG完成的工作就要少得多。它只是完成了對主機(jī)信號的電平轉(zhuǎn)換，也就是相當(dāng)于一個驅(qū)動器。上面提到的所有工作都要交給CPU 去做，因此在使用簡易JTAG下載文件時目標(biāo)板自然會相應(yīng)地降低速度。尤其是當(dāng)程序相對較大時，其速度就會大大降低，對于一些開發(fā)人員來講，這是相當(dāng)致命 的缺點(diǎn)。

　　關(guān)于仿真器與日標(biāo)板的兼容問題，現(xiàn)在市場上的部分仿真器出現(xiàn)不同程度的不兼容問題，其產(chǎn)生的主要原因是對RTCK信號（DBGRQ信號極不常見，這 里不作介紹）的處理情況存在一些差異（不包括周立功系列的實(shí)驗(yàn)開發(fā)板，它們的仿真器使用的是單片機(jī)，與大多數(shù)的仿真器都不能兼容）。例如，在STR710 中是將STCK信號與TCK信號直接相連了，而在nano2410A實(shí)驗(yàn)開發(fā)板中是將STCK信號直接接地，因此造成了ARM JTAG Emulator在nano2410A實(shí)驗(yàn)開發(fā)板中的不兼容。在對nano2410A主板的JTAG進(jìn)行了小小的改動后就完成了仿真器兼容性的擴(kuò)展。