JTAG接口如何实现应用电路设计？

JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试。

在应用电路设计中实现 JTAG 接口，需要遵循 IEEE 1149.1 标准，并针对具体目标芯片和调试工具进行合理的设计。以下是关键步骤和设计要点：

一、核心组件与连接 (4条基本信号 + 1条可选信号)：

TDI (Test Data Input): 测试数据输入。连接调试器到目标芯片的第一个扫描链单元的输入脚。
TDO (Test Data Output): 测试数据输出。连接目标芯片扫描链最后一个单元的输出脚到调试器。
TCK (Test Clock): 测试时钟。由调试器提供，同步扫描链上的数据传输。
TMS (Test Mode Select): 测试模式选择。控制 TAP Controller 的状态转换。通常在调试器和目标芯片间串联一个上拉电阻（例如4.7kΩ - 10kΩ）。
TRST (Test Reset, 可选但推荐): 测试复位。低电平有效，用于异步复位 TAP Controller。通常串联一个下拉电阻（例如10kΩ）。如果芯片无此脚，可通过特定 TMS 序列复位（但较慢）。

二、关键设计步骤与要点：

识别目标芯片 JTAG 引脚：
- 查阅目标芯片（CPU, FPGA, CPLD, 专用IC等）的数据手册（Datasheet）或边界扫描描述文件（BSDL），确定其 JTAG 接口引脚（TDI, TDO, TCK, TMS, TRST，通常还有可选的 VTREF / VREF）。
- 特别注意不同芯片上 JTAG 接口的实际物理引脚名称和位置，命名可能略有差异（如 JTAG_TMS vs. TMS）。
选择 JTAG 连接器：
- 常用标准连接器：
  - ARM Cortex 10-Pin (0.05" / 1.27mm pitch, IDC): 最常见，小型化。定义引脚固定（包括 VTREF）。
  - ARM Cortex 20-Pin (0.05" / 1.27mm pitch, IDC): 兼容10-Pin，提供更多信号（如RESET, DBGRQ, DBGACK）。
  - TI / Xilinx 14-Pin (0.1" / 2.54mm pitch, IDC): 较老但依然常用。需查阅或定义引脚排列。
  - Tag-Connect 等免焊连接器： 用于空间受限或产线测试，省去焊连接器。
  - 板对板连接器： 多板系统内部调试。
- 选择依据： 空间限制、目标设备兼容性（调试器支持）、是否需要额外信号（RESET, DBGRQ 等）、成本、是否量产（影响是否焊接连接器）。
设计信号路由与完整性：
- 阻抗控制 (关键)： TCK 是唯一需要高速处理的信号。其走线应进行阻抗控制（通常50Ω单端）。
- 长度匹配： 通常不需要对 JTAG 信号（除TCK外）进行严格长度匹配。但应避免 TDI、TDO、TMS、TCK、TRST 之间长度差异过大（几厘米通常没问题）。如有严格时序要求，可对 TCK 和 TMS/TDI 做适度长度匹配。
- 串扰与干扰：
  - 将 JTAG 信号视为一组，与其他高速/噪声信号（高速时钟、开关电源、高速差分线）保持间距。
  - 如空间允许，JTAG 组下方可铺地平面。
- 端接电阻： 高速调试或长线缆（>10-15cm）时，考虑在靠近调试器连接器端的 TCK 线上串联一个小电阻（22Ω - 100Ω）以改善信号完整性。在靠近目标芯片端的 TCK 线上并联一个下拉电阻（几百Ω）也有助于增强低电平。根据实际信号质量测试决定。
多设备（菊花链）连接：
- 当多个兼容 JTAG 设备需要共享一个 JTAG 端口时，将它们连接成菊花链（Daisy Chain）：
  - 调试器的 TDI → 链上第一个设备的 TDI
  - 链上第一个设备的 TDO → 链上第二个设备的 TDI
  - … → 链上最后一个设备的 TDO → 调试器的 TDO
  - TCK, TMS, TRST: 直接并联连接到所有设备（短分支线）。
- 特别注意：
  - VTREF/VREF： 每个芯片的 VTREF 必须连接到其各自的 I/O 电压（VDDIO）。切勿直接并联不同电压域的 VTREF。
  - 上拉/下拉电阻： TMS、TRST（下拉）在每个设备上是必须的（不要只在链的一端放）。所有设备共享这些电阻。
  - 链长限制： TCK 信号需要驱动所有设备负载，链太长或设备太多可能导致信号退化（需要缓冲）。
电源与电压基准（VTREF/VREF）：
- VTREF/VREF： JTAG 接口必须有这个电压基准引脚！它告诉调试器目标 JTAG I/O 的电压水平。
  - 直接连接到目标芯片的 JTAG 接口电源（通常是芯片的 I/O 电压 VDDIO）。
  - 如果目标芯片有多个 I/O Bank 且 JTAG 在特定 Bank 上，VTREF 应连接到那个 Bank 的 VDDIO。
  - 绝对不可悬空或接错电压！这是设计失败的最常见原因之一。
- 电源提供：
  - 调试器通常不能为目标板供电（某些连接器有 VSUPPLY/V_TARGET 用于检测或小电流辅助）。
  - 目标板必须有自己的电源。在目标板通电状态下连接 JTAG 调试器。
上拉与下拉电阻配置：
- TMS： 必须上拉（典型值 4.7kΩ - 10kΩ）。这是标准要求的，确保在没有驱动时处于稳定、可控的状态（通常是 Run-Test/Idle 状态）。对于菊花链，只在链上放一个上拉电阻（可以放在调试器连接器或链中第一个设备端）。
- TRST： 必须下拉（典型值 4.7kΩ - 10kΩ），确保复位信号在不被驱动时为非激活状态（高电平）。对于菊花链，也只放一个下拉（放在调试器连接器端或链中第一个设备端）。
- TDI, TDO, TCK: 通常不需要上拉或下拉电阻（芯片内部可能已有弱上/下拉）。TCK 在特定情况下可考虑端接电阻。
测试点与调试考虑：
- 测试点： 在 JTAG 信号线（特别是 TCK, TMS, TDI, TDO, TRST, VTREF）和地线上放置测试点，方便调试和制造测试（如 ICT, Flying Probe）。
- 复位信号 (RESET)： ARM Cortex 20-Pin 和许多调试场景需要连接目标系统的全局复位信号到调试器的 RESET（或 nSRST, nRST）引脚。这允许调试器强制复位目标。
- 电压检测（可选）： 一些连接器引脚（如 V_TARGET）可连接到 VTREF 作为冗余或用于电压检测。

三、设计检查清单：

所有目标设备的数据手册 JTAG 引脚都已正确引出？
选择的 JTAG 连接器类型正确？引脚定义是否匹配？
VTREF/VREF 是否连接到了目标芯片 JTAG I/O 域的正确电压？（最重要！）
TMS 是否上拉（4.7kΩ - 10kΩ）？(菊花链只需一个)
TRST（如存在）是否下拉（4.7kΩ - 10kΩ）？(菊花链只需一个)
多设备菊花链连接是否正确？
- TDI -> TDI -> TDI ... -> TDO
- TCK、TMS、TRST 并联
- 每个设备的 VTREF 独立连接到各自的 I/O 电压？(关键！)
TCK 走线是否足够好（阻抗控制、远离干扰源）？
TRST 是否直接拉到目标芯片的 TRST 脚？（如果有的话）
是否根据需要放置了 RESET（nSRST）信号？
是否放置了测试点？
（可选）考虑 SWD 复用（见下文）。

四、高级考虑：SWD（串行线调试）

对于基于 ARM Cortex-M/A 内核的设备，SWD (Serial Wire Debug) 是一种流行的两线（SWDIO, SWCLK）替代方案，相比 JTAG 节省引脚。
支持 SWD 的芯片： 其 JTAG 接口通常兼容 SWD 复用。
复用设计：
- 使用 ARM 10-Pin 连接器：TMS 用作 SWDIO，TCK 用作 SWCLK。
- TRST 和 TDI/TDO 可以悬空或用于其它功能（检查芯片手册）。
- 连接器上的 TDI 和 TDO 可以不连接或连接在一起。
- TMS 和 TCK 仍然需要上拉（特别是 TMS/SWDIO）。
- VTREF 连接不变。
优点： 节省引脚，连接线更少。
缺点： 不支持菊花链，调试功能可能略有限制（如边界扫描）。

总结：

一个健壮的 JTAG 应用电路设计核心在于：明确识别芯片引脚，正确配置上拉/下拉电阻，精心处理 VTREF 连接，保证信号完整性（尤其TCK），并根据需求选择连接器和拓扑（单设备/菊花链/SWD复用）。在布线时注意隔离干扰源并添加测试点，是确保调试体验顺畅和生产测试可行的关键。设计完成后务必对照清单仔细检查 VTREF 和电阻配置。