JTAG的调试原理

JTAG的基本原理

JTAG（Joint Test Action Group，联合测试行动组）是一种国际标准测试协议（IEEE1149.1兼容）。标准的JTAG接口是4线——TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。
JTAG的主要功能有两种，或者说JTAG主要有两大类：

1. 一类用于测试芯片的电气特性，检测芯片是否有问题;
2. 另一类用于Debug，对各类芯片以及其外围设备进行调试;一个含有JTAGDebug接口模块的CPU，只要时钟正常，就可以通过JTAG接口访问CPU的内部寄存器、挂在CPU总线上的设备以及内置模块的寄存器。本文主要介绍的是Debug功能。

JTAG Debug原理分析

简单地说，JTAG的工作原理可以归结为：在器件内部定义一个TAP（Test Access Port，测试访问口），通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试和调试。首先介绍一下边界扫描和TAP的基本概念和内容。

边界扫描

边界扫描（Boundary-Scan）技术的基本思想是在靠近芯片的输入/输出引脚上增加一个移位寄存器单元，也就是边界扫描寄存器（Boundary-ScanRegister）。
当芯片处于调试状态时，边界扫描寄存器可以将芯片和外围的输入/输出隔离开来。通过边界扫描寄存器单元，可以实现对芯片输入/输出信号的观察和控制。对 于芯片的输入引脚，可以通过与之相连的边界扫描寄存器单元把信号（数据）加载到该引脚中去;对于芯片的输出引脚，也可以通过与之相连的边界扫描寄存器“捕 获”该引脚上的输出信号。在正常的运行状态下，边界扫描寄存器对芯片来说是透明的，所以正常的运行不会受到任何影响。这样，边界扫描寄存器提供了一种便捷 的方式用于观测和控制所需调试的芯片。另外，芯片输入/输出引脚上的边界扫描（移位）寄存器单元可以相互连接起来，在芯片的周围形成一个边界扫描链 （Boundary-ScanChain）。边界扫描链可以串行地输入和输出，通过相应的时钟信号和控制信号，就可以方便地观察和控制处在调试状态下的芯 片。

测试访问口TAP

TAP（Test Access Port）是一个通用的端口，通过TAP 可以访问芯片提供的所有数据寄存器(DR)和指令寄存器（IR）。对整个TAP的控制是通过TAP控制器（TAP Controller）来完成的。
下面先分别介绍一下TAP的几个接口信号及其作用。其中，前4个信号在IEEE1149.1标准里是强制要求的。

• TCK：时钟信号，为TAP的操作提供了一个独立的、基本的时钟信号。
• TMS：模式选择信号，用于控制TAP状态机的转换。
• TDI：数据输入信号。
• TDO：数据输出信号。
• TRST：复位信号，可以用来对TAPController进行复位(初始化)。这个信号接口在IEEE1149.1标准里并不是强制要求的，因为通过TMS也可以对TAPController进行复位。
• STCK：时钟返回信号，在IEEE1149.1标准里非强制要求。
  

简单地说，PC机对目标板的调试就是通过TAP接口完成对相关数据寄存器（DR）和指令寄存器（IR）的访问。

系统上电后，TAP Controller首先进入Test-LogicReset状态，然后依次进入Run-Test/Idle、Selcct-DR- Scan、Select-IR-Scan、Capture-IR、Shift-IR、Exitl-IR、Update-IR状态，最后回到Run- Tcst/Idle状态。在此过程中，状态的转移都是通过TCK信号进行驱动（上升沿），通过TMS信号对TAP的状态进行选择转换的。其中，在 Capture-IR状态下，一个特定的逻辑序列被加载到指令寄存器中;在Shift-IR状态下，可以将一条特定的指令送到指令寄存器中;在 Update—IR状态下，刚才输入到指令寄存器中的指令将用来更新指令寄存器。最后，系统又回到Run—Test/Idle状态，指令生效，完成对指令 寄存器的访问。当系统又返回到Run—Test/Idle状态后，根据前面指令寄存器的内容选定所需要的数据寄存器，开始执行对数据寄存器的工作。其基本 原理与指令寄存器的访问完全相同，依次为seIect—DR—Scan、Capture—DR、Shift—D、Exitl一DR、Update—DR， 最后回到Run-Tcst/Idle状态。通过TDl和TDO，就可以将新的数据加载到数据寄存器中。经过一个周期后，就可以捕获数据寄存器中的数据，完成对与数据寄存器的每个寄存器单元相连的芯片引脚的数据更新，也完成了对数据寄存器的访问。

目前，市场上的JTAG接口有14引脚和20引脚两种。其中，以20引脚为主流标准，但也有少数的目标板采用14引脚。经过简单的信号转换后，可以将它们通用。