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1、电 子 测 量 与 仪 器 学 报2 0 0 4年增刊边界扫描技术的板级实现方法研究彭喜元 俞洋 孙宁( 哈尔滨工业大学， 哈尔滨 1 5 0 0 0 1 )摘要: 本文在介绍边界扫描技术基本原理的基础上，讨论了电路板测试性设计的两种方法:器件置换法和边界扫描单元置入法，重点分析了相对复杂的边界扫描单元置入法，并讨论了 对于边界扫描总线的两种控制方式。实际应用中，大多数器件没有边界扫描接口，因此本文所介绍的边界扫描技术实现方法对进行数字系统的可测性设计具有一定的参考价值。关键字:内装测试边界扫描可测性A p p r o a c h e s o f B o u n d a r y S c a n
2、 a t B o a r d L e v e lP e n g X i y u a n Y u Y a n g S u n N i n g( H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y H a r b i n 1 5 0 0 0 1 )A b s t r a c t : B a s e d o n t h e I E E E 1 1 4 9 . 1 B o u n d a r y S c a n S t a n d a r d , t w o a p p r o a c h e s t o i m p r o v e t h e
3、t e s t a b i l i t yo f P C B s a r e d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r . O n e i s t o r e p l a c e t h e d e v i c e s w i t h t h e J T A G - c o m p a t i b l e d e v i c e s ,t h e o t h e r i s t o s e t b o u n d a r y - s c a n c e l l s o n t h e P C B b o a r d , w h i c h i s r e
4、l a t i v e l y c o m p l i c a t e d a n d i sf u l l y e x p l a i n e d . M e a n w h i l e , h o w t o c o n t r o l t h e b o u n d a r y s c a n b u s i s m e n t i o n e d i n t h i s p a p e r . A si n u s u a l , m o s t d e v i c e s h a v e n o J T A G t e s t a c c e s s p o r t s , t h
5、e t e c h n i q u e s d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r a r ev a l u a b l e t o t h e d e s i g n f o r t e s t a b i l i t y .K e y w o r d s : B u i l t - i n - t e s t , b o u n d a r y s c a n，t e s t a b i l i t y .1问题的提出内 装测试 ( B I T )是一种在对象内部设置功能测试电路的技术。它从 7 0年代提出到现在 一直是改善电子系统可测试性和诊断能力
6、的一种重要途径和技术。B I T系统中， 获取被测对象足够而准确的测试信息是对被测对象进行故障诊断的基础， 测 试信息是否准确与完备直接影响 B IT 的故障诊断能力。而近年来，随着大规模集成电路 ( V L S I ) 、 超大规模集成电路 ( V H S I C ) 在武器装备中的大量应用， 系统和电路板的结构、 功 能越来越复杂， 传统的信息获取方法难以 得到完整而准确的测试信息。因此， 针对V L S I 等新 型电子器件的测试问 题， 以欧洲和北美会员为主的联合测试行动组织 ( J T A G ) 于1 9 8 8 年率先 开展了 边界扫描技术研究， 提出了一系列J T A G边界扫
7、描标准草案。 1 9 8 8 年， I E E E 组织和J T A G 组织达成协议，共同开发I E E E 1 1 4 9 . 1 边界扫描标准，并与 1 9 9 0 年形成了 最终的I E E E 1 1 4 9 . 1 边界扫描标准。2国内外研究发展现状及存在问题边界扫描技术被I E E E 接受后， 受到军方和工业界的普遍重视。 边界扫描测试技术成为新 型航空电子设备 B IT 中的主要测试和测试性设计技术，并在很多大型装备中得到成功应用，电 子 测 量 与 仪 器 学 报2 0 0 4年增刊成为改善装备 B I T性能，提高测试性和W修 性的重要手段，在提高武器装备战备完好性、降
8、低维修人力和保障费用方面发挥了重要作用。1 9 9 1 年至 1 9 9 3 年，S C O P E公司将边界扫描技术应用于美空军敌我识别装置的电路板可 测性设计和B I T ， 进行边界扫描器件和非边界扫描器件的测试与诊断， B I T故障检测率和故障 隔 离 率 分 别 达 到9 8 % 和8 5 。 目 前， 国 际 上各 大电 子公 司， 如T I , M o t o r o l a , H P , I B M , P h i li p s , I n t e l 等等，都纷纷采用边界扫描标准，市场上支持边界扫描的产品越来越多，边界扫描技术 的应用越来越广泛，从军用卫星到高性能计算机中
9、都已成功应用了边界扫描技术。在国内， 对于边界扫描技术的研究起步相对较晚。电 子部某所集成电路测试中心于 1 9 9 7 年引进了飞利浦 P M3 7 2 0边界扫描测试仪，对 V L S A芯片特别是MC M 芯片的边界扫描测试 进行应用研究。 尽管国内测试界专家以及一些电子设备生产厂家都己 认识到边界扫描技术的重 要性， 但由于缺乏边界扫描测试工具以及相关技术， 目 前边界扫描技术在国内的应用还相当局限。3边界扫描技术的实现1 .基本思想边界扫描测试的基本思想是在靠近器件的每一输入/ 输出管脚处增加一个移位寄存器，也 就是边界扫描单元。在正常工作期间，这些附加的移位寄存器单元是 “ 透明的
10、” ，不影响电路 板的正常工作。在测试期间，这些寄存器单元用于控制输入管脚的状态 ( 高或低) ，并读出输 出管脚的状态，利用这种基本思想就可以测试出电路板中器件的好坏及相互连接的正确性。图1边界扫描测试原理图根据I E E E 1 1 4 9 . 1 标准，边界扫描测试的测试总线有五条:T D I 一测试数据输入端;T D O -测试数据输出端;T MS 一测试方式选择输入端;T C K 一测试时钟输入端;T R S T 一测试系统复位信号。输入数据有两种，测试指令和测试数据，由T D I 输入到相应的移位寄存器;输出数据也 有两种， 包括从指令寄存器移出的测试指令和从各数据寄存器移出的测试
11、数据; 测试时钟T C K 是测试过程中每一步骤的基础， 输入数据在T C K的上升沿移入寄存器， 输出 数据在T C K的下电 子 测 量 与 仪 器 学 报2 0 0 4年增刊降沿从寄存器移出至 T D O ; 在测试过程中，需要有选择寄存器、数据捕获、移位、暂停和刷 新等不同的工作模式，因此需要由T MS 接收边界扫描控制器的控制信号，来控制测试操作; 系统复位信号低电平有效。如图1 所示， 各边界扫描单元串行连接成扫描链， 既可以 通过扫描输入端将测试矢量以串 行扫描的方式输入， 对相应的管脚状态进行设定， 实现测试矢量的加载; 也可以通过扫描输出 端将系统的测试响应串行输出，进行数据
12、分析与处理。利用边界扫描技术可以实现下列目 标:边界扫描链的完整性测试;P C B 上I C 芯片的完整性测试，即I C 芯片的逻辑功能测试;P C B 上的互连测试， 包括I C 管脚与P C B 焊盘间和P C B 上的各个焊盘之间的互连测试;针对由非边界扫描元件 ( 如存储器等)组成的电路功能簇的簇测试。 2 .测试性设计方法在基于边界扫描的电路板可测试性设计中，根据电 路板上待测器件的不同， 可测试性设计 的具体实现方法分为边界扫描器件置换和边界扫描单元置入两种方法。 边界扫描器件置换法即 采用相同功能的边界扫描器件置换原有器件， 从而使其所在电路板包含边界扫描单元， 实现电 路板信息
13、的可控和可观测。 当相同功能的边界扫描器件不存在或设计代价较大， 边界扫描器件 置换难以 进行时， 则可以在器件周围设计边界扫描单元， 即应用边界扫描单元置入法实现测试 性设计。( 1 ) 边界扫描器件置换法边界扫描器件置换法的设计思路比 较简单， 就是用相同功能的带有边界扫描结构的器件代 替板上的原有器件， 边界扫描单元通过该边界扫描器件被加载到电路板上， 用于构建板级扫描 链，实现了 板上信息的可控制和可观测。边界扫描器件的内 部逻辑功能与同功能的非边界器件完全相同。 在正常工作状态下， 器件 执行其内部逻辑功能;在测试状态下，测试数据和指令从边界扫描总线的 T D I 串行移入到该 器件
14、的边界扫描单元，执行相应的测试动作后，再将响应数据从T D O串行移出。观察其输入 和输出，检查器件本身的逻辑功能和与其连接的电路的正确性。边界扫描器件内的测试电路己经按照 I E E E 1 1 4 9 . 1标准实现标准化，目前市场上支持 I E E E 1 1 4 9 . 1 规范的元器件越来越多， 一些常见的产品有: 7 4 A B T 8 2 4 5 ( 7 4 系列2 4 5 的替代品) ， 7 4 B C T 8 3 7 3 ( 7 4 系列3 7 3 的替代品) ， 7 4 B C T 8 2 4 4 ( 7 4 系列2 4 4 的替代品)等。( 2 ) 边界扫描单元置入法边界
15、扫描单元置入法是针对非边界扫描器件测试的一种手段。 由于非边界扫描器件不具备 边界扫描单元，因此若想对其进行测试， 实现输入可控、 输出可观测， 就必须 “ 借用” 与之相 连的边界扫描器件上的边界扫描单元。 这就要求该器件的每一个管脚必须与边界扫描器件相连 接， 也就是说， 用边界扫描器件 “ 包围” 非边界扫描器件， 利用边界扫描单元组成的扫描链实 现测试矢量的加载和测试响应的读取。为达到这一目的，我们需要考虑待A J 非边界扫描器件周围的器件。如果其周围有边界扫 描器件， 则利用边界扫描器件内部的边界扫描单元实现对该器件的测试; 如果该器件周围不存 在边界扫描器件，我们通常利用7 4 B
16、 C T 8 2 4 4 等带有边界扫描结构的寄存器来为待测器件构造 边界扫描单元。电 子 测 量 与 仪 器 学 报2 0 0 4年增刊测试点图2边界扫描单元置入法示意图图2 中，器件 1 与器件2 均为非边界扫描器件， 在正常逻辑下器件 1 的输出与器件2的 输入直接连接，实现电路的逻辑功能。考虑器件 1 的边界扫描测试。由于其输入端与边界扫描器件A相连，因此可利用器件A 的边界扫描单元实现器件 1 的输入可控。 在器件 1 的输出端， 由于器件 1 与器件2内部均没有 边界扫描单元，因此需要在器件 1 与器件2 之间加入含边界扫描单元的寄存器7 4 B C T 8 2 4 4 0 如图2 所示，测试点C被分割为输出点C I 和输入点C 2 ，并与一对输入输出 ( S I , S 2 )分别 相连。这样，电 路处于测试状态时，测试控制器从 S 1 脚的边界扫描单元采集C 1 脚的数据， 实现对C 1 脚的观测，通过将数据加载到S 2 脚的边界扫描单元，实现对C 2 脚状态的控制。同理，对于多个器件组成的功能电路模块，也可以在该电路块周围用此方法置入边界扫 描单元，实现对该功能模块
