论文部分内容阅读
【摘要】 本文提供了一种FPGA芯片JTAG接口切换电路的设计实现方法，通过该切换电路，依据实际使用过程中的不同需要，可以将JTAG口从要求的连接器引出，实现了稳定、便捷，在复杂结构的嵌入式系统设计中，能满足多层次的、广泛的应用电路要求，具有重要的实际应用价值。
【关键字】 FPGA JTAG接口 驱动芯片 反向器
引言：
在20世纪80年代，Xilinx公司首次研制出第一款FPGA芯片，其特殊的性能使其在编程和资源配置方面具有很大的灵活性[1]。随着数字化程度的提高，FPGA以其通用性强、开发周期短、集成度高等特点，得到了越来越广泛的应用。面对复杂的FPGA电路设计时，FPGA芯片的调试手段不仅关系到芯片的质量，还影响到研发的效率，因此在FPGA芯片的使用过程中，如何更有效、方便、可靠地使用调试手段对FPGA进行在线仿真调试和代码下载等，也吸引了使用者更多的关注[2]。
一、设计背景
FPGA是易失性器件，即当使用者把电源关闭时它不能保存数据，我们一般使用PROM作为存储介质长期写入并保存数据。FPGA芯片电路常用的配置模式主要有主串模式、从串模式、SelectMAP模式、JTAG调试模式等，本文主要分析最常用的JTAG调试模式。
JTAG接口是一个业界标准，主要用于芯片测试、调试、配置、下载等功能，使用IEEE Standard 1149.1聯合边界扫描接口引脚[3]。JTAG最初用于芯片功能的测试，其工作原理是在器件内部定义一个测试访问端口（Test Access Port，TAP），通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试和调试，TAP是一个通用的接口，外部控制器通过TAP可以访问芯片提供的所有数据寄存器和指令寄存器。现在对FPGA的开发过程中，JTAG接口常用于对FPGA进行在线仿真调试和逻辑加载。
传统的应用模式中，将每个FPGA对应的JTAG接口引出，通过固定的JTAG口连接器对每个FPGA进行调试，该设计方法的特点是，调试过程简单方便，同事PCB设计阶段容易实现整齐的走线。随着应用的越来越广泛深入，尤其是在现代的嵌入式系统设计中，考虑到散热设计以及其他系统结构设计要求，会出现很多种特殊要求的应用情况。
以下两种应用模式是在工程实践过程中遇到的两种情况：
1.研发过程中，由于散热和系统设计的需要，整个模块设计了外壳体，为了满足系统应用要求，同一片FPGA的JTAG接口需要从两个不同的地方引出，一个接口为专用的JTAG口连接器，由于结构限制，壳体不允许开槽引出，主要用于安装壳体前的调试阶段，另一个接口是从模块的底板连接器引出，便于安装壳体后在不拆卸壳体的情况下完成对JTAG芯片的调试。
2.由于设计需要，模块采用载板加背板的结构，整个模块设计了外壳体，按照设计要求，FPGA芯片置于背板，而结构要求JTAG连接器只能从载板处开槽引出，但为了方便背板单模块调试，需要在基板上增加壳体上不需开槽的JTAG口连接器。
以上两种应用模式是比较典型的FPGA芯片JTAG接口应用模式，实际应用中，都需要在两个不同的JTAG接口间切换，同时面临着由于走线长、接口多而稳定性差的风险。针对该应用需求，设计了一种JTAG接口切换电路，既实现了JTAG接口间的切换，同时克服了走线长、接口多可能引起的接口稳定性差的风险。
针对上述应用模式设计的JTAG口切换电路，创新性的将电路的切换与信号的驱动融合，既解决了多JTAG口切换的问题，同时克服了由于驱动能力可能引起的稳定性问题，以较低的成本解决了设计中的重要技术问题，缩短了研制周期和资源成本，降低了设计风险。
二、设计方案
本文设计的电路利用驱动芯片分组控制的特点，将FPGA的JTAG口信号从驱动芯片的不同两组分别引至需要的连接器。根据应用需要，将驱动芯片的方向控制信号DIR置成固定态，将切换控制信号SWITCH利用反向器反向为SWITCH_1信号，切换控制信号控制一组驱动电路的使能信号OE1，其反向信号控制另一组驱动电路的使能信号OE2，实现JTAG口在两个不同引出接口间的切换，切换电路的结构框图如图1所示。
电路设计过程中，切换控制信号SWITCH在板内通过端接电阻置为高，当设计SWITCH信号为高时，JTAG口从板内JTAG口连接器引出，即OE1为高，OE2为低。
当需要从底板连接器或是处理板连接器引出时，将SWITCH信号在连接器引出端接地，此时SWITCH信号变为低，SWITCH_1信号变为高，即OE1为低，OE2为高，实现JTAG口间的切换。
该设计从硬件电路上便可以对该切换电路进行测试，检查JTAG口是否工作正常。
三、设计实现
FPGA芯片的JTAG口利用串行数据进行命令和数据的处理，数据首先进入的是测试访问口，主要包括四个引脚：TMS、TCK、TDO、TDI，用于驱动电路和执行规定的操作，各引脚的功能如下：
TDI：测试数据输入，JTAG指令和数据的串行输入端口，在TCK上升沿时被采样。
TDO：测试数据输出，JTAG数据的串行输出端口，在TCK下降沿时输出。
TMS：测试模式选择，用于TAP控制器的内部状态机的状态切换，在TCK上升沿时被采样。
TCK：测试时钟，为寄存器和TAP控制器提供输入时钟。在TCK的同步作用下通过TDI和TDO引脚串行输入、输出数据[4]。
实现JTAG接口的切换，一个关键就是通过控制驱动芯片的使能和方向引脚，最终完成不同JTAG引出接口间的切换功能。 设计实现中，将驱动芯片的驱动方向固定，TDI、TMS、TCK信号输入为JTAG口对外连接器，输出至FPGA芯片的JTAG引脚，TDO信号的输入则为FPGA芯片的JTAG引脚，输出为JTAG口的对外连接器，同时利用反向器形成一组信号，从而控制驱动芯片的使能端，形成切换。切换电路的硬件电路示意图如图2所示。
相对于驱动芯片，两组输入分别为板内JTAG口连接器和底板连接器（或处理板连接器），输出均为FPGA芯片的JTAG口引脚。当需要从板内连接器引出JTAG信号时，SWITCH信号置为高，即驱动电路使能信号OE1为高，OE2为低，FPGA芯片的JTAG口从板内JTAG口连接器引出;当需要从底板连接器或是处理板连接器引出时，将SWITCH信号置为低，SWITCH_1信号置为高，即动电路使能信号OE1為低，OE2为高，完成JTAG口间的切换。
在实际调试过程中，通过Xilinx公司提供的Impact工具对电路的接口进行JTAG边界扫描（Boundary Scan选项），扫描可以在芯片的输入输出管脚增加移位寄存器，这些寄存器将芯片和外围输入输出隔离开，扫描单元连接形成了边界扫描链，通过显示出来的链路，我们可以看到FPGA芯片是否正常或对其调试。
根据上电时的管脚配置，选择片内对应的调试模式配置，当调试模式依次发生时，分别从不同的连接器接口引入，使用Impact工具对FPGA芯片进行扫描，发现FPAG在线，同时对其进行在线逻辑加载，读取引脚信号信息等功能，结果验证该设计方便且可靠。
四、结束语
在工程实践中，可以根据实际的应用情况，以不同的具体使用模式利用该电路进行JTAG接口切换，本文列举出的两种常见模式，满足了工程实践中不同的应用需求。
本文设计的切换电路实现了JTAG口切换，使用典型的驱动芯片和反向芯片，电路简单成熟，设计成本低。创新性的将电路的切换与信号的驱动融合，即解决了切换问题，也克服了由于驱动能力可能引起的稳定性问题，在实现切换的同时提高了可靠性，具有良好的实际应用价值。但同时，我们也要知道使用JTAG调试FPGA芯片也有其局限性，JTAG采用双向串行传输导致了其传输速度较低，因此对JTAG结构的加速方法和新的硬件也将在未来不断涌现[5]。
参 考 文 献
[1]杨佳奇. 基于JTAG的FPGA配置方法与电路设计[D].西安电子科技大学，2018.
[2]姚霁.一种基于JTAG的片内调试系统设计[J].现代电子技术，2020， 43（20）：31-33.
[3]吕彩霞. JTAG的设计与研究[D].北京交通大学，2006.
[4]温国忠.JTAG接口电路设计与应用[J].微计算机信息，2007（23）：298-299+302.
[5]胡学良，张春，王志华. JTAG技术的发展和应用综述[J]. 微电子学， 2005（06）：624-630.
【关键字】 FPGA JTAG接口 驱动芯片 反向器
引言：
在20世纪80年代，Xilinx公司首次研制出第一款FPGA芯片，其特殊的性能使其在编程和资源配置方面具有很大的灵活性[1]。随着数字化程度的提高，FPGA以其通用性强、开发周期短、集成度高等特点，得到了越来越广泛的应用。面对复杂的FPGA电路设计时，FPGA芯片的调试手段不仅关系到芯片的质量，还影响到研发的效率，因此在FPGA芯片的使用过程中，如何更有效、方便、可靠地使用调试手段对FPGA进行在线仿真调试和代码下载等，也吸引了使用者更多的关注[2]。
一、设计背景
FPGA是易失性器件，即当使用者把电源关闭时它不能保存数据，我们一般使用PROM作为存储介质长期写入并保存数据。FPGA芯片电路常用的配置模式主要有主串模式、从串模式、SelectMAP模式、JTAG调试模式等，本文主要分析最常用的JTAG调试模式。
JTAG接口是一个业界标准，主要用于芯片测试、调试、配置、下载等功能，使用IEEE Standard 1149.1聯合边界扫描接口引脚[3]。JTAG最初用于芯片功能的测试，其工作原理是在器件内部定义一个测试访问端口（Test Access Port，TAP），通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试和调试，TAP是一个通用的接口，外部控制器通过TAP可以访问芯片提供的所有数据寄存器和指令寄存器。现在对FPGA的开发过程中，JTAG接口常用于对FPGA进行在线仿真调试和逻辑加载。
传统的应用模式中，将每个FPGA对应的JTAG接口引出，通过固定的JTAG口连接器对每个FPGA进行调试，该设计方法的特点是，调试过程简单方便，同事PCB设计阶段容易实现整齐的走线。随着应用的越来越广泛深入，尤其是在现代的嵌入式系统设计中，考虑到散热设计以及其他系统结构设计要求，会出现很多种特殊要求的应用情况。
以下两种应用模式是在工程实践过程中遇到的两种情况：
1.研发过程中，由于散热和系统设计的需要，整个模块设计了外壳体，为了满足系统应用要求，同一片FPGA的JTAG接口需要从两个不同的地方引出，一个接口为专用的JTAG口连接器，由于结构限制，壳体不允许开槽引出，主要用于安装壳体前的调试阶段，另一个接口是从模块的底板连接器引出，便于安装壳体后在不拆卸壳体的情况下完成对JTAG芯片的调试。
2.由于设计需要，模块采用载板加背板的结构，整个模块设计了外壳体，按照设计要求，FPGA芯片置于背板，而结构要求JTAG连接器只能从载板处开槽引出，但为了方便背板单模块调试，需要在基板上增加壳体上不需开槽的JTAG口连接器。
以上两种应用模式是比较典型的FPGA芯片JTAG接口应用模式，实际应用中，都需要在两个不同的JTAG接口间切换，同时面临着由于走线长、接口多而稳定性差的风险。针对该应用需求，设计了一种JTAG接口切换电路，既实现了JTAG接口间的切换，同时克服了走线长、接口多可能引起的接口稳定性差的风险。
针对上述应用模式设计的JTAG口切换电路，创新性的将电路的切换与信号的驱动融合，既解决了多JTAG口切换的问题，同时克服了由于驱动能力可能引起的稳定性问题，以较低的成本解决了设计中的重要技术问题，缩短了研制周期和资源成本，降低了设计风险。
二、设计方案
本文设计的电路利用驱动芯片分组控制的特点，将FPGA的JTAG口信号从驱动芯片的不同两组分别引至需要的连接器。根据应用需要，将驱动芯片的方向控制信号DIR置成固定态，将切换控制信号SWITCH利用反向器反向为SWITCH_1信号，切换控制信号控制一组驱动电路的使能信号OE1，其反向信号控制另一组驱动电路的使能信号OE2，实现JTAG口在两个不同引出接口间的切换，切换电路的结构框图如图1所示。
电路设计过程中，切换控制信号SWITCH在板内通过端接电阻置为高，当设计SWITCH信号为高时，JTAG口从板内JTAG口连接器引出，即OE1为高，OE2为低。
当需要从底板连接器或是处理板连接器引出时，将SWITCH信号在连接器引出端接地，此时SWITCH信号变为低，SWITCH_1信号变为高，即OE1为低，OE2为高，实现JTAG口间的切换。
该设计从硬件电路上便可以对该切换电路进行测试，检查JTAG口是否工作正常。
三、设计实现
FPGA芯片的JTAG口利用串行数据进行命令和数据的处理，数据首先进入的是测试访问口，主要包括四个引脚：TMS、TCK、TDO、TDI，用于驱动电路和执行规定的操作，各引脚的功能如下：
TDI：测试数据输入，JTAG指令和数据的串行输入端口，在TCK上升沿时被采样。
TDO：测试数据输出，JTAG数据的串行输出端口，在TCK下降沿时输出。
TMS：测试模式选择，用于TAP控制器的内部状态机的状态切换，在TCK上升沿时被采样。
TCK：测试时钟，为寄存器和TAP控制器提供输入时钟。在TCK的同步作用下通过TDI和TDO引脚串行输入、输出数据[4]。
实现JTAG接口的切换，一个关键就是通过控制驱动芯片的使能和方向引脚，最终完成不同JTAG引出接口间的切换功能。 设计实现中，将驱动芯片的驱动方向固定，TDI、TMS、TCK信号输入为JTAG口对外连接器，输出至FPGA芯片的JTAG引脚，TDO信号的输入则为FPGA芯片的JTAG引脚，输出为JTAG口的对外连接器，同时利用反向器形成一组信号，从而控制驱动芯片的使能端，形成切换。切换电路的硬件电路示意图如图2所示。
相对于驱动芯片，两组输入分别为板内JTAG口连接器和底板连接器（或处理板连接器），输出均为FPGA芯片的JTAG口引脚。当需要从板内连接器引出JTAG信号时，SWITCH信号置为高，即驱动电路使能信号OE1为高，OE2为低，FPGA芯片的JTAG口从板内JTAG口连接器引出;当需要从底板连接器或是处理板连接器引出时，将SWITCH信号置为低，SWITCH_1信号置为高，即动电路使能信号OE1為低，OE2为高，完成JTAG口间的切换。
在实际调试过程中，通过Xilinx公司提供的Impact工具对电路的接口进行JTAG边界扫描（Boundary Scan选项），扫描可以在芯片的输入输出管脚增加移位寄存器，这些寄存器将芯片和外围输入输出隔离开，扫描单元连接形成了边界扫描链，通过显示出来的链路，我们可以看到FPGA芯片是否正常或对其调试。
根据上电时的管脚配置，选择片内对应的调试模式配置，当调试模式依次发生时，分别从不同的连接器接口引入，使用Impact工具对FPGA芯片进行扫描，发现FPAG在线，同时对其进行在线逻辑加载，读取引脚信号信息等功能，结果验证该设计方便且可靠。
四、结束语
在工程实践中，可以根据实际的应用情况，以不同的具体使用模式利用该电路进行JTAG接口切换，本文列举出的两种常见模式，满足了工程实践中不同的应用需求。
本文设计的切换电路实现了JTAG口切换，使用典型的驱动芯片和反向芯片，电路简单成熟，设计成本低。创新性的将电路的切换与信号的驱动融合，即解决了切换问题，也克服了由于驱动能力可能引起的稳定性问题，在实现切换的同时提高了可靠性，具有良好的实际应用价值。但同时，我们也要知道使用JTAG调试FPGA芯片也有其局限性，JTAG采用双向串行传输导致了其传输速度较低，因此对JTAG结构的加速方法和新的硬件也将在未来不断涌现[5]。
参 考 文 献
[1]杨佳奇. 基于JTAG的FPGA配置方法与电路设计[D].西安电子科技大学，2018.
[2]姚霁.一种基于JTAG的片内调试系统设计[J].现代电子技术，2020， 43（20）：31-33.
[3]吕彩霞. JTAG的设计与研究[D].北京交通大学，2006.
[4]温国忠.JTAG接口电路设计与应用[J].微计算机信息，2007（23）：298-299+302.
[5]胡学良，张春，王志华. JTAG技术的发展和应用综述[J]. 微电子学， 2005（06）：624-630.