深入解析 SCANSTA111：增强型扫描桥多分支可寻址 IEEE 1149.1（JTAG）端口芯片

在电子测试领域，IEEE 1149.1（JTAG）标准一直是板级和系统级测试的重要手段。而 Texas Instruments 的 SCANSTA111 芯片，作为一款增强型扫描桥多分支可寻址 JTAG 端口芯片，为复杂系统的测试提供了更强大的解决方案。今天，我们就来深入剖析这款芯片的特性、架构、工作模式以及相关应用。

文件下载：scansta111.pdf

一、SCANSTA111 特性亮点

1. 真正的 IEEE 1149.1 分层和多分支可寻址能力

SCANSTA111 的 7 个插槽输入支持多达 121 个唯一地址、1 个询问地址、1 个广播地址和 4 个多播组地址（地址 000000 保留）。这种丰富的地址配置能力，使得在一个复杂的测试网络中，可以精确地选择和控制每一个芯片，大大提高了测试的灵活性和效率。

2. 3 个兼容 IEEE 1149.1 的可配置本地扫描端口

每个本地扫描端口都可以独立或组合地插入扫描链中。通过模式寄存器 0，用户可以方便地配置本地 TAP（测试访问端口）的状态，例如绕过某些 TAP、将其单独或分组插入扫描链。此外，透明模式可以通过单个指令启用，将背板的 IEEE 1149.1 引脚方便地缓冲到单个本地扫描端口上。

3. 其他实用特性

• LSP ACTIVE 输出：为支持 IEEE 1149.4 的模拟总线提供本地端口使能信号。通用本地端口直通位可用于为 FPGA 编程提供写脉冲或监控设备状态。
• 已知上电状态：所有本地扫描端口的 TRST 在系统上电时处于已知状态，确保了系统的稳定性和可重复性。
• 32 - 位 TCK 计数器：可用于内置自测试（BIST）操作，允许在一个端口进行测试的同时，对其他扫描链进行同步测试。
• 16 - 位 LFSR 签名压缩器：能够对采样的串行测试数据生成 16 位签名，方便进行测试结果的评估和比较。
• 电源特性：支持 3.0 - 3.6V 的 $V_{cc}$ 电源操作，具有掉电高阻输入和输出，支持热插拔。

二、SCANSTA111 架构剖析

从整体架构上看，SCANSTA111 由多个功能模块组成，每个模块都承担着重要的任务，协同工作以实现芯片的各种功能。

1. TAP 控制器

作为芯片的核心控制部分，TAP 控制器是一个 16 状态的状态机，负责控制芯片的扫描端口操作，确保其符合 IEEE 1149.1 标准。

2. 指令寄存器和测试数据寄存器

这些寄存器用于执行各种测试功能。通过扫描指令寄存器和测试数据寄存器，可以实现对芯片的配置、数据读取和写入等操作。

3. STA111 选择控制器

该控制器使得 1149.1 协议能够在多分支环境中使用。它主要将地址输入与插槽标识进行比较，当匹配成功时，使能 STA111 进行后续的扫描操作。

4. 本地扫描端口网络（LSPN）

LSPN 包含多路复用逻辑，用于选择不同的端口配置。每个本地扫描端口都有一个本地扫描端口控制器（LSPC），这些控制器接收来自指令寄存器、模式寄存器和 TAP 控制器的输入，从而实现对本地扫描端口的精确控制。

三、SCANSTA111 工作模式

1. 寻址模式

• 直接寻址：每个 SCANSTA111 芯片必须通过其 $S{(0 - 6)}$ 输入静态配置一个唯一地址。当芯片的 TAP 控制器进入测试逻辑复位状态，或者指令寄存器更新为 GOTOWAIT 指令时，芯片进入等待地址状态。此时，将地址数据扫描到指令寄存器中，与 $S{(0 - 6)}$ 输入的地址进行比较，如果匹配，则芯片被选中，准备接收 Level 2 协议。
• 广播寻址：广播地址允许测试仪同时选择测试网络中的所有 SCANSTA111 芯片。在广播模式下，每个芯片的 $TDO_{B}$ 缓冲器始终处于三态，以避免不同板上扫描路径输出驱动器之间的总线冲突。这种模式适用于测试包含多个相同电路板的系统。
• 多播寻址：为了使广播机制更具选择性，SCANSTA111 提供了多播寻址模式。每个芯片的多播组寄存器（MCGR）可以被编程，将芯片分配到 4 个多播组之一。当处于等待地址状态的芯片接收到多播地址，且其 MCGR 与该多播组匹配时，芯片被选中。同样，在多播模式下，$TDO_{B}$ 始终处于三态。

  2. Level 2 协议

  一旦 SCANSTA111 被成功寻址和选中，就可以通过 Level 2 协议访问其内部寄存器。Level 2 协议与 IEEE Std. 1149.1 TAP 协议兼容，但如果芯片是通过广播或多播地址选中的，$TDO_{B}$ 始终处于三态。Level 2 协议包含多种指令，用于将寄存器插入活动扫描链、配置本地端口或控制线性反馈移位寄存器和计数器寄存器等。

四、SCANSTA111 寄存器

SCANSTA111 包含多个寄存器，这些寄存器用于芯片的选择、配置、扫描数据操作和扫描支持操作。以下是一些重要寄存器的介绍：

1. 指令寄存器

8 位的指令寄存器用于实现 STA111 的寻址和指令解码。在芯片选择过程中，通过地址匹配来确定芯片是否被选中。

2. 边界扫描寄存器

该寄存器是一个仅用于采样的移位寄存器，包含来自 $S_{(0 - 6)}$ 和 $overline{OE}$ 输入的单元，允许对芯片外部电路进行测试。

3. 旁路寄存器

1 位的旁路寄存器在芯片被选中后，按照 IEEE Std. 1149.1 规范工作，为测试数据在 $TDI_{B}$ 和 LSPN 之间提供最短的串行路径。

4. 多播组寄存器（MCGR）

2 位的 MCGR 用于确定芯片所属的多播组。通过将目标芯片的 MCGR 编程为相同的多播组代码，可以实现多播寻址。

5. 模式寄存器 0

8 位的数据寄存器，主要用于配置本地扫描端口网络。通过设置不同的位，可以控制扫描链的配置和测试时钟的运行状态。

6. 线性反馈移位寄存器（LFSR）

16 位的 LFSR 作为签名压缩器，用于对扫描链中的串行数据进行压缩，生成 16 位签名，便于测试结果的评估。

7. 32 - 位 TCK 计数器寄存器

该寄存器用于在 BIST 测试中控制 TCK 脉冲的数量。通过 CNTRSEL 指令加载计数值，CNTRON 指令启用计数器，当计数器达到终端计数时，本地 TCK 停止。

五、特殊功能

1. 透明模式

透明模式下，选定的 LSP n 端口将跟随背板端口的状态。通过 8 个新指令（TRANSPARENT0 - TRANSPARENT7）来控制该模式。一旦进入透明模式，芯片将持续保持该状态，直到通过 $overline{TRST_{B}}$ 复位或电源循环。

2. BIST 支持

在进行 BIST 测试时，可以按照特定的指令序列对停放的 SCANSTA111 端口进行测试。通过预加载边界寄存器、初始化 TCK 计数器、启用计数器、发送 PARKRTI 指令和 BIST 指令等步骤，实现对芯片的自测试。

3. 复位操作

复位操作可以在三个级别上进行：

• Level 1 复位：当 TAP 控制器进入测试逻辑复位状态时，所有 STA111 寄存器和本地扫描链被复位，芯片进入等待地址状态。
• Level 2 复位：通过 SOFTRESET 指令，对选定的 STA111 的所有 LSP 进行复位。
• 单个本地端口复位：通过 PARKTLR 指令将单个本地端口停放至测试逻辑复位状态，或先通过 UNPARK 指令解封，再进行复位。

  4. 端口同步

  当 LSP 未被访问时，它可以处于四个 TAP 控制器状态之一：测试逻辑复位、运行测试/空闲、暂停 - DR 或暂停 - IR。通过控制本地测试模式选择输出（$TMS_{(0 - 2)}$），可以实现本地链的停放和访问。在解封 LSP 时，需要通过指定的同步状态来确保端口的同步操作。

六、电气特性和封装信息

1. 电气特性

SCANSTA111 在不同的电压和温度条件下具有特定的电气参数，包括输入输出电压、电流、传播延迟、建立时间、保持时间等。这些参数对于系统的设计和性能评估至关重要。

2. 封装信息

SCANSTA111 提供多种封装选项，如 TSSOP 和 NFBGA 封装。每种封装的引脚数量、包装数量、载体类型、RoHS 合规性、引脚镀层/球材料、MSL 等级/峰值回流温度等信息都有详细说明，方便工程师根据实际应用需求进行选择。

七、总结

SCANSTA111 芯片凭借其丰富的特性、灵活的架构和多种工作模式，为复杂系统的测试提供了高效、可靠的解决方案。它的多分支可寻址能力、丰富的寄存器和特殊功能，使得工程师能够更精确地控制测试过程，提高测试效率和准确性。在实际应用中，工程师可以根据具体需求，合理配置芯片的各种参数和工作模式，以实现最佳的测试效果。同时，了解芯片的电气特性和封装信息，也有助于确保系统设计的稳定性和可靠性。

那么，你在实际项目中是否使用过类似的 JTAG 端口芯片呢？遇到过哪些问题和挑战？欢迎在评论区分享你的经验和见解。