嵌入式開發中，大家免不了需要仿真調試代碼，尤其是當應用工程功能邏輯復雜到一定程度時，免不了在寫代碼時會引入一些邏輯 bug，僅靠代碼審查有時候并不一定能排除所有 bug，所以在線調試便成為排除 bug 最有效直接的方式，今天我們要聊的是調試里最基礎的東西，即接口標準。ARM 內核原生支持 2 種業界通用的接口標準，分別是 JTAG 和 SWD。本節課痞子衡先給大家詳細講講 JTAG 接口。

一、JTAG 接口標準

JTAG 全稱“Joint Test Action Group”，既是個標準也是個組織，這是個由幾家主要的電子制造商（IBM、AT&T、TI、Philips 等）成立于 1985 年的組織，這個組織成立的目的是發起制訂一種 PCB和芯片測試標準。

JTAG 標準于 1990 年被 IEEE 批準為 IEEE1149.1 測試訪問端口和邊界掃描結構標準。JTAG 標準規定了進行邊界掃描所需要的硬件和軟件，主要應用于電路的邊界掃描測試和可編程芯片的在線系統編程。

1.1 IEEE 1149.1 標準

IEEE 1149.1 工作組 http://grouper.ieee.org/groups/1149/1/

最初版手冊 1149.1-1990 http://standards.ieee.org/findstds/standard/1149.1-1990.html

最新版手冊 1149.1-2013 http://standards.ieee.org/findstds/standard/1149.1-2013.html

1.2 JTAG 接口信號

JTAG 接口，總稱測試訪問接口 TAP（Test Access Port），使用如下信號來實現邊界掃描操作：

TCK（測試時鐘）：同步內部狀態機操作的時鐘信號。

TMS（測試模式選擇）：控制內部狀態機轉換的模式信號（TCK 上升沿采樣）。

TDI（測試數據輸入）：移入器件測試或編程邏輯的數據（TCK 上升沿采樣）。

TDO（測試數據輸出）：移出器件測試或編程邏輯的數據（TCK 下降沿采樣）。

除了以上信號線外，還有 1 個可選的信號：

TRST（測試重置）：重置 TAP 控制器的狀態機的復位信號。

1.3 JTAG 系統內部構造

JTAG 系統內部最基本的單元是邊界掃描單元（其掃描獲取的值存在邊界掃描寄存器 BSR（Boundary Scan Register）中），每個邊界掃描單元都位于目標器件的邊界上，所以很多時候 JTAG 測試也被稱為邊界掃描。

所有目標器件核心邏輯與針腳之間的信號都會被串聯的邊界掃描單元所攔截。正常運行時，這些邊界掃描單元是不可見的。但是，在測試模式下這些單元可以被用來設置 / 讀取目標器件針腳或核心邏輯的值。

除了上述 BSR 之外，JTAG 系統還需要以下 3 個寄存器：

指令寄存器：存儲當前的指令，指令內容被 TAP 控制器用來決定如何處理接收到的信號。

旁路寄存器（BYPASS）：把信息從 TDI 傳到 TDO 的單位寄存器。

識別碼寄存器（IDCODES）：含有器件的識別碼和版本序號，該信息可以使器件和它的邊界掃描描述語言（BSDL）文件相關聯。

JTAG 系統最核心的是 TAP 控制器，TAP 控制器被設計用來與 JTAG 系統內部寄存器相互動，TAP 控制器是一個被 TMS 信號控制轉換的同步狀態機，控制著 JTAG 系統的行為。

如上圖所示，TAP 控制器的內部狀態機一共 16 個狀態，關于各個狀態具體含義可查閱 IEEE1149.1 手冊。TAP 控制器的基本功能是產生 BSR 和指令寄存器正常工作所需要的時鐘和控制信號，其主要功能有以下幾點：

提供信號將指令裝入指令寄存器。

提供信號將輸入數據從 TDI 管腳移入內部寄存器、把輸出數據從內部寄存器移出到 TDO 管腳。

執行相應功能，如捕獲、移位和更新數據等。

指令寄存器是用來存儲需要解釋執行的指令的，IEEE 1149.1 標準規定了 JTAG 兼容器件必須要具備的指令：

BYPASS：用單一單元旁路寄存器傳送數據，縮短 JTAG 鏈上不必要的掃描鏈路。

EXTEST：將已知值（存在 BSR）驅動到芯片針腳上。

SAMPLE/PRELOAD：將捕獲到的芯片針腳值裝入 BSR。

除了必備的指令外，IEEE 1149.1 標準還規定了如下可選的指令：

IDCODE：將 IDCODES 寄存器中的數據移出。

INTEST：將已知值（存在 BSR）驅動到芯片核心邏輯上。

RUNBIST：當 TAP 進入測試運行空閑狀態時，芯片進行自檢。

1.4 JTAG 調試工具 pinout

通常支持 JTAG 接口的調試編程工具其實只是利用了 JTAG 技術的四線 TAP 通信協議，而除了標準 TAP 信號線外，有時還加入其他輔助信號線構成完整 pinout，對于 ARM JTAG 調試工具來說，有兩種比較通用的 pinout 標準，即 ARM20 JTAG header 和 ARM14 JTAG header：

上述兩種 ARM JTAG header 中除了標準 TAP 信號線外，其他輔助信號線含義如下：

二、JTAG 接口進階

前面講完了 JTAG 基礎知識，下面痞子衡再給大家多介紹一些 JTAG 相關的“黑科技”。

2.1 BSDL 文件

現如今支持 JTAG 接口的芯片越來越多，為了統一各芯片廠商的具體 JTAG 實現，促進整個電子行業的一致性，IEEE1149.1 標準制訂了 BSDL 語言規范。BSDL 是 JTAG 設備的標準建模語言，它的語法是 VHDL 的子集，是對 JTAG 器件的邊界掃描特性的描述，主要用來溝通芯片廠商、用戶與測試工具之間的聯系。

開源的 JTAG BSDL 庫網站（http://bsdl.info/），涵蓋主流廠商的主流芯片的 BSDL 文件

痞子衡隨便找一款芯片的 BSDL 文件（Freescale K60_1M（K24_144QFP））簡單分析下：

2.2 JTAG 菊花鏈

當你的系統中有多個 JTAG 設備時，為解決 JTAG 口過多占用 PCB 的問題，JTAG 支持如下菊花鏈方式連接（在 FPGA 應用尤其廣泛）：

從上圖可以看出 TMS、TCK 是一主多從并聯的結構（設備過多時 TMS,TCK 電路需加緩沖器（如 74LVC245）增加驅動能力）；TDI、TDO 是一主一從串聯的結構，這種菊花鏈方式使得 PCB 上只需要一個 JTAG 接口便可以訪問所有 JTAG 設備。