JTAG应用简述

外围电路应用

1.1 TMS
- TMS是启动使能信号（标准PAGE-11），上拉。
1.2 TCK
- TCK是时钟信号（标准PAGE-9），上升沿或下降沿有效，可以上拉也可下拉，根据具体的器件要求选择。
1.3 TDI
- TDI是数据输入（标准PAGE-11），上拉。
1.4 TDO
- TDO是数据输出（标准PAGE-12），三态输出，可以和TDI做级联，上拉或浮空。
1.5 TRST
- TRST 是复位信号（标准PAGE-13），低电平为复位状态，上拉。

接口信号

JTAG接口使用以下五个专用信号，每个支持该标准的芯片都必须提供这些信号：

TRST（测试复位）：这是一个测试复位输入信号，用于初始化并禁用测试接口。
TCK（测试时钟）：这是测试时钟输入信号，它独立于任何系统时钟来控制测试接口的时序。TCK由控制测试的设备提供脉冲信号，而不是由被测试设备提供。它可以以任何频率（最高可达几兆赫兹）产生脉冲，甚至可以以不同的速率产生脉冲。
TMS（测试模式选择）：这是测试模式选择输入信号，用于控制测试接口状态机的状态转换。
TDI（测试数据输入）：这是测试数据输入线，用于向JTAG寄存器（边界扫描寄存器、指令寄存器或其他数据寄存器）提供数据。
TDO（测试数据输出）：这是测试数据输出线，用于将JTAG寄存器中的数据以串行方式输出到控制测试的设备。它携带从边界扫描链（或其他JTAG寄存器）采样的值，并将这些值传输到串行测试电路中的下一个芯片。

在一块包含多个支持JTAG芯片的电路板上，测试电路的常见连接方式是将TRST*、TCK和TMS信号并行连接到每个芯片上，并将一个芯片的TDO连接到下一个芯片的TDI，形成一个单环结构。这样，电路板就呈现出一个具有上述五个相同信号的单一测试接口。对于只有少数几个带有JTAG接口芯片的电路板，一种更简单的布置方式是为每个这样的芯片提供一个JTAG测试端口，并独立控制测试。

JTAG功能——边界扫描

接口示意图

JTAG总线可以连接多个设备，每个设备都有JTAG总线接口，每个设备都有自己的ID码和寄存器。可以通过总线相连，一次扫描多个设备。

再来看每个芯片，内部扫描器连接所有的GPIO寄存器，可以控制GPIO电平状态，写入数据，读取数据。

利用这个特性，我们可以主动拉高某个GPIO，然后读取其他GPIO的电平状态，如果其他GPIO电平发生了变化，则可以判断出GPIO是否连锡。通过一定的算法，可以实现对所有芯片的所有GPIO进行扫描，判断一批板子的连接情况。

其实网上那些廉价盗版的JTAG调试器基本都没有这个功能，而且这种调试器硬件成本比其售价要低不少，自己动动手也能做一个功能非常简单的调试器。

想要深入了解内部工作原理的话，可以参考以下文章：A Brief Introduction to the JTAG Boundary Scan Interface —— Nick Patavalis

JTAG协议的状态机（TAP控制器）

JTAG协议工作的基本逻辑全依赖内部的TAP控制器（Test Access Port），其实就是一个状态机，通过TMS信号来切换不同的状态。

接口示意图

Test-Logic-Reset 测试逻辑复位状态

处于这种状态下，测试逻辑被禁止以允许芯片正常操作，读 IDCODE 寄存器将禁止测试逻辑。
无论 TAP 控制器处于何种状态，只要将 TMS 信号在 5 个连续的 TCK 信号的上升沿保持高电平，TAP 就将进入 Test-Logic-Reset 状态。如果 TMS 信号一直为高电平，那么 TAP 将保持在 Test-Logic-Reset 状态。另外，TRST 信号也可以强迫 TAP 进入 Test-Logic-Reset 状态。
处于 Test-Logic-Reset 状态的 TAP，如果下一个 TCK 的上升沿时 TMS 信号处于低电平，那么 TAP 将被切换到 Run-Test-Idle 状态。

Run-Test-Idle 运行测试空闲状态

Run-Test-Idle 是 TAP 控制器扫描操作空闲状态。如果 TMS 信号一直处于低电平，那么 TAP 将保持在 Run-Test-Idle 状态。
当 TMS 信号在 TCK 上升沿处于高电平，TAP 控制器将进入 Select-DR-Scan 状态。

Select-DR-Scan 选择数据寄存器扫描状态

Select-DR-Scan 是 TAP 控制器的一个临时状态，边界扫描寄存器 BSR 保持它们先前的状态。
当 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于低电平，TAP 控制器进入 Capture-DR 状态，一个边界扫描寄存器的扫描操作同时被初始化。
如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于高电平，TAP 控制器将进入 Select-IR-Scan 状态。

Capture-DR 捕获数据寄存器状态

如果 TAP 控制器处于 Capture-DR 状态，且当前指令是 SAMPLE/PRELOAD 指令，那么边界扫描寄存器 BSR 在 TCK 信号的上升沿捕获输入管脚的数据。如果此时不是 SAMPLE/PRELOAD 指令，那么 BSR 保持它们先前的值。另外，BSR 的值被放入连接在 TDI 和 TDO 管脚之间的移位寄存器中。
处于 Capture-DR 状态时，指令不会被改变。
如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于高电平，TAP 进入 Exit1-DR 状态。如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于低电平，则 TAP 进入 Shift-DR 状态。

Shift-DR 移位数据寄存器状态

在 Shift-DR 状态下，在每个 TCK 的上升沿，TDI - 移位寄存器 - TDO 串行通道向右移一位，TDI 的数据移入移位寄存器，移位寄存器最靠近 TDO 的位移到 TDO 管脚上。
处于 Shift-DR 状态时，指令不会被改变。
如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于高电平，TAP 进入 Exit1-DR 状态。如果 TMS 信号处于低电平，则 TAP 一直进行移位操作。

Exit1-DR 退出数据寄存器状态 1

Exit1-DR 是 TAP 控制器的一个临时状态。如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于高电平，TAP 进入 Update-DR 状态；如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于低电平，则 TAP 进入 Pause-DR 状态。
处于 Exit1-DR 状态时，指令不会被改变。

Pause-DR 暂停数据寄存器状态

Pause-DR 状态允许 TAP 控制器暂时停止 TDI - 移位寄存器 - TDO 串行通道的移位操作。
处于 Pause-DR 状态时，指令不会被改变。
如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于高电平，TAP 进入 Exit2-DR 状态；如果 TMS 信号处于低电平，则 TAP 一直保持暂停状态。

Exit2-DR 退出数据寄存器状态 2

Exit2-DR 也是 TAP 控制器的临时状态。如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于高电平，TAP 进入 Update-DR 状态，结束扫描操作；如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于低电平，则 TAP 重新进入 Shift-DR 状态。
处于 Exit2-DR 状态时，指令不会被改变。

Update-DR 更新数据寄存器状态

在正常情况下，边界扫描寄存器 BSR 的值是被锁存在并行输出管脚中，以免在 EXTEST 或 SAMPLE/PRELOAD 命令下执行移位操作时改变 BSR 的值。当处于 Update-DR 状态时选择的是 BSR 寄存器，那么移位寄存器中的值将在 TCK 的下降沿被锁存到 BSR 寄存器的并行输出管脚中去。
处于 Update-DR 状态时，指令不会被改变。
如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于高电平，TAP 进入 Select-DR-Scan 状态；如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于低电平，则 TAP 进入 Run-Test-Idle 状态。

Select-IR-Scan 选择指令寄存器扫描状态

Select-IR-Scan 是 TAP 控制器的一个临时状态。
如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于低电平，TAP 控制器进入 Capture-IR 状态，一个对指令寄存器的扫描操作同时被初始化。
如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于高电平，TAP 控制器将进入 Test-Logic-Reset 状态。
处于 Select-IR-Scan 状态时，指令不会被改变。

Capture-IR 捕获指令寄存器状态

处于 Capture-IR 状态时，指令寄存器中的值被固定设置成 0b0000001，并将它放入连接在 TDI 与 TDO 之间的移位寄存器中。
处于 Capture-IR 状态时，指令不会被改变。
如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于高电平，TAP 进入 Exit1-IR 状态；如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于低电平，则 TAP 进入 Shift-IR 状态。

Shift-IR 移位指令寄存器状态

在 Shift-IR 状态下，在每个 TCK 的上升沿，TDI - 移位寄存器 - TDO 串行通道向右移一位，JTAG 指令从 TDI 管脚上被逐位移入移位寄存器，而移位寄存器中的 0b0000001 则被逐位从 TDO 管脚移出。
处于 Shift-IR 状态时，指令不会被改变。
如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于高电平，TAP 进入 Exit1-IR 状态；如果 TMS 信号处于低电平，则 TAP 一直进行移位操作。

Exit1-IR 退出指令寄存器状态 1

Exit1-IR 是 TAP 控制器的一个临时状态。如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于高电平，TAP 进入 Update-IR 状态；如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于低电平，则 TAP 进入 Pause-IR 状态。
处于 Exit1-IR 状态时，指令不会被改变。

Pause-IR 暂停指令寄存器状态

Pause-IR 状态允许 TAP 控制器暂时停止 TDI - 移位寄存器 - TDO 串行通道的移位操作。
处于 Pause-IR 状态时，指令不会被改变。
如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于高电平，TAP 进入 Exit2-IR 状态；如果 TMS 信号处于低电平，则 TAP 一直处于暂停状态。

Exit2-IR 退出指令寄存器状态 2

Exit2-IR 也是 TAP 控制器的临时状态。如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于高电平，TAP 进入 Update-IR 状态，结束扫描操作；如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于低电平，则 TAP 重新进入 Shift-IR 状态。
处于 Exit2-IR 状态时，指令不会被改变。

Update-IR 更新指令寄存器状态

处于 Update-IR 状态时，移位寄存器中的值将在 TCK 的下降沿被锁存到指令寄存器中，一旦锁存成功，新的指令将成为当前的指令。
如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于高电平，TAP 进入 Select-DR-Scan 状态；如果 TMS 信号在下一个 TCK 上升沿处于低电平，则 TAP 进入 Run-Test-Idle 状态。

JTAG 接口指令集

JTAG 接口指令集包含以下常用指令：

EXTEST 指令

外部测试指令，必须全为 0，TAP 强制定义。该指令初始化外部电路测试，主要用于板级互连以及片外电路测试。
EXTEST 指令在 Shift-DR 状态时将扫描寄存器 BSR 寄存器连接到 TDI 与 TDO 之间。在 Capture-DR 状态时，EXTEST 指令将输入管脚的状态在 TCK 的上升沿装入 BSR 中。EXTEST 指令从不使用移入 BSR 中的输入锁存器中的数据，而是直接从管脚上捕获数据。在 Update-DR 状态时，EXTEST 指令将锁存在并行输出寄存器单元中的数据在 TCK 的下降沿驱动到对应的输出管脚上去。

SAMPLE/PRELOAD 指令

采样/预装载指令，TAP 强制定义。在 Capture-DR 状态下，SAMPLE/PRELOAD 指令提供一个从管脚到片上系统逻辑的数据流快照，快照在 TCK 的上升沿提取。
在 Update-DR 状态时，SAMPLE/PRELOAD 指令将 BSR 寄存器单元中的数据锁存到并行输出寄存器单元中，然后由 EXTEST 指令将锁存在并行输出寄存器单元中的数据在 TCK 的下降沿驱动到对应的输出管脚上去。

BYPASS 指令

旁路指令，必须全为 1，TAP 强制定义。BYPASS 指令通过在 TDI 和 TDO 之间放置一个 1 位的旁通寄存器，这样移位操作时只经过 1 位的旁通寄存器而不是很多位（与管脚数量相当）的边界扫描寄存器 BSR，从而使得对连接在同一 JTAG 链上主 CPU 之外的其他芯片进行测试时提高效率。