边界扫描-Boundary Scan技术及其在芯片测试中的应用

一：Boundary Scan的基本概念及应用

-> 什么是Boundary SCAN？

首先我们都知道BSCAN是一种用于测试和验证集成电路的技术。在集成电路中，有许多引脚***（pins）*** 用于与其他器件进行通信和连接。BSCAN 通过在芯片引脚之间添加可控的扫描链***（Scan Chain）*** ，使得我们能够在测试和调试时以串行方式访问每个芯片引脚。如下图

-> BSCAN诞生的契机是什么呢？

电路板的日益复杂和 surface mount technologies (表面贴装技术)等技术的转变导致系统设计师们达成一致，采用了一种统一的基于扫描的方法，称为边界扫描***（boundary scan）*** ，用于在电路板（任何系统）级别上测试芯片。

-> BSCAN为芯片验证带来了什么？

1. 连通性测试：

假设你在设计一个SoC，其中涉及许多引脚用于连接不同的子系统。使用边界扫描，你可以测试这些引脚之间的连通性。例如，你可以加载一个测试模式，通过观察TDO信号，检查引脚是否按预期连接，是否存在开路或短路问题。

2.故障定位：

在芯片制造过程中，可能会出现一些未预料的故障，例如焊接问题或晶体管故障。通过加载适当的测试模式，你可以观察故障信号在扫描链上的传播路径，从而精确定位故障的位置，加速故障排除过程。

3.逻辑验证：

在芯片设计的早期阶段，你可以使用边界扫描来验证芯片的基本逻辑功能。通过加载测试模式，观察输出是否与预期相符，以验证芯片的功能性。

4.硬件调试：

假设你遇到了一些奇怪的硬件问题，如时序问题或逻辑错误。通过在扫描链上加载特定的测试模式，你可以观察信号在芯片内部的传播路径，有助于理解信号的行为，从而更有效地进行硬件调试。

5.芯片级联测试：

在多芯片系统中，边界扫描可以用于测试不同芯片之间的连接性。通过将多个芯片的边界扫描链连接在一起，你可以检测引脚和信号在整个系统中的传输情况。

总之，边界扫描在SoC设计验证中是一项强大的工具，可以帮助芯片验证工程师在不同阶段进行测试、调试和验证，从而提高芯片的质量和可靠性。

二：Boundary Scan的硬件实现

边界扫描的核心思想是在SoC芯片的引脚周围添加一个可控的扫描链，将芯片内部的逻辑电路与扫描链相连。这个扫描链由一系列的Scan Cells （扫描单元）组成，每个扫描单元可以存储一个比特的数据。通过操控TAP（Test Access Port） 控制器，我们可以在扫描链上加载测试模式，然后观察测试模式在芯片内部的传播路径，从而实现测试、调试和验证。

没错，下面就要详细介绍一下我们的主角TAP了！

TAP控制器是边界扫描的核心，它负责管理扫描链的操作。TAP控制器通过四个或个基本信号进行操作测试访问端口。

• TCK（Test Clock）：用于控制扫描链的时钟信号。
• TMS（Test Mode Select）：用于控制TAP控制器状态机的状态切换。
• TDI（Test Data Input）：用于将数据加载到扫描链中。
• TDO（Test Data Output）：用于从扫描链读取数据。
• TRST（Test Reset）：用于异步复位TAP控制器，如果芯片没有自动生成上电复位信号的话。

不过一般我们用到前面四个就够了，下面是一个基本的TAP架构图。

下面我们就按照这张图剖析一下TAP的组成部分。

1. TAP控制器（TAP Controller）：

TAP控制器是TAP的核心，负责控制扫描操作的状态转换和时序。它通过TCK（Test Clock）、TMS（Test Mode Select）、TDI（Test Data Input）和TDO（Test Data Output） 等信号，实现从一个状态到另一个状态的转换，以便执行不同的操作，如扫描测试数据或读取测试结果。TAP控制器按照JTAG（Joint Test Action Group） 标准定义了一组状态，如Test-Logic-Reset状态、Run-Test/Idle状态等。

2.指令寄存器（Instruction Register）：

指令寄存器用于存储和加载TAP控制器的指令。在测试和调试过程中，可以通过加载不同的指令来控制芯片的操作。指令寄存器的位数决定了可以定义的不同指令数量，从而支持多种测试模式和操作。

3. 测试数据寄存器（Test Data Register）：

测试数据寄存器用于存储测试模式数据，它是扫描链（Scan Chain）的一部分。测试数据可以被输入到芯片进行测试，也可以从芯片中读取出来作为测试结果。测试数据寄存器又分为不同的子寄存器，包括边界扫描寄存器、旁路寄存器和TDO驱动器。

3.1. 边界扫描寄存器（Boundary Scan Register）：

边界扫描寄存器是边界扫描技术的关键，用于在芯片的引脚之间插入可控的测试逻辑。它允许在芯片的输入和输出之间插入额外的逻辑电路，以便执行连通性测试、故障定位等操作。边界扫描寄存器存储了扫描链上的测试模式数据，可以通过TAP控制器进行加载和读取。

3.2. 旁路寄存器（Bypass Register）：

旁路寄存器用于绕过边界扫描逻辑，将芯片的输入直接连接到输出。当不需要执行边界扫描时，可以通过加载指令将旁路寄存器中的数据传递给TDO输出，从而绕过边界扫描逻辑。

3.3. TDO驱动器（TDO Driver）：

TDO驱动器用于控制TDO输出信号的驱动。在扫描链操作期间，TDO驱动器负责将测试模式数据从边界扫描寄存器或旁路寄存器传递到TDO输出。TDO驱动器还可以根据TAP控制器的状态控制TDO输出信号的开关。

这些组成部分共同构成了TAP结构，使得边界扫描技术成为一种强大的芯片测试和验证工具，为集成电路设计和制造过程提供了可靠的测试手段。下图展示一个完整的Boundary SCAN。

结语

Boundary SCAN作为现代芯片设计验证领域的重要工具，为芯片工程师提供了强大的测试和调试手段。它通过TAP控制器、扫描链和测试模式生成器的协同工作，实现了对芯片内部功能和连通性的全面测试。