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我是怎么了解到邊界掃描的呢？這就要從我淘到一塊FPGA板卡的事情說起了。前段時間我在某二手平臺上淘了一塊FPGA板子，它長這樣：

板子的整體尺寸很小巧，和手掌差不多大，外設也很簡單：

12v供電，帶一個散熱器
FPGA芯片是Xilinx XC7K325T，FFG676封裝，芯片等級2I，生產日期是2017年21周
4路LED
3路輕觸按鍵，其中一路是Config
1路CAN 接口（沒有焊接CAN收發器和電平轉換芯片）
1路USB串口，CP2102轉換芯片
1顆Spansion 128Mb QSPI Flash S25F128
1顆有源差分時鐘200MHz
標準2.54mm 14P下載接口

聽賣家介紹說，這是之前挖礦盛行時，定制礦機中的一塊HASH算力卡，主要功能是通過串口接收數據，FPGA計算出HASH值，再通過串口輸出，由于工作頻率較高，還外加了散熱器，后來由于礦難，就把礦機中的板卡都處理掉了，遺憾的是沒有留下任何軟硬件資料。好在價格比較便宜，只要150塊，要知道僅一顆FPGA芯片的價格都不止150塊。板子買來之后，接上12v電源，板子正常點亮，JTAG口也是正常的，FPGA芯片也沒有加密，可以下載調試，雖然沒有DDR等大容量緩存，無法做一些復雜的運算，即使跑MicroBlaze也無法運行太大的程序，但是對于入門學習FPGA基本知識，比如LED按鍵驅動，串口，CAN總線，SPI接口，MicroBlaze SDK入門學習等等足夠用了。遺憾的是不知道芯片的管腳定義，最簡單粗暴的方式是，使用熱風槍先把FPGA芯片拆下來，然后通過萬用表蜂鳴檔來確定LED、串口等外設的管腳，這種方式風險極高，一旦拆下再裝上，板子有很高的報廢風險。那么，有沒有一種方式，在不破壞板子的情況下可以確定管腳定義呢？經過一番搜索和問詢，還真發現了一種方式，那就是JTAG邊界掃描。簡單的理解，只要通過JTAG口就可以隨意的讀取或改變芯片的任意一個管腳狀態。比如要獲取按鍵對應的管腳，只要用手按住和松開按鍵，然后通過邊界掃描，查看FPGA哪個管腳的狀態有變化即可確定；對于LED，雖然是輸出方向，同樣我們也可以把它當成輸入，人為的通過跳線給定高或低電平，通過這種方式，串口管腳、CAN管腳，時鐘管腳都可以一一確定。下面，我將分幾個部分，帶領大家大致了解JTAG邊界掃描，從JTAG邊界掃描介紹、到上位機軟硬件，再到基于MCU和FPGA的邊界掃描實際應用。

1. 什么是邊界掃描？

提到邊界掃描，就不得不提JTAG，因為邊界掃描是JTAG接口的功能之一。JTAG，是Joint Test Ac tion Group的簡稱，即聯合測試行為小組。JTAG，對于電子行業的工程師們來說再熟悉不過了，無論是搞單片機、ARM開發，還是FPGA、DSP開發，都離不開這個接口，它不僅可以進行程序下載，還能在線調試Debug，簡簡單單幾根線就完成了如此強大的功能，大大的提高了開發效率。但是，你知道嗎？JTAG協議的設計初衷，并不是用來下載程序的。JTAG中的'T'，是Test的縮寫，沒錯！JTAG接口被設計之初，就是用來測試的！上世紀90年代，集成電路、芯片設計產業開始迅速發展，同時，也面臨著諸多問題：芯片管腳和晶圓之間的連接如何確定是正常的？芯片管腳之間是沒有短路的？芯片被焊接到PCB板上之后，如何保證焊接是良好的，沒有短路、開路？芯片外圍的電路和與之互聯的芯片是正常的呢？尤其是一些BGA封裝的芯片，無法使用探針等方式來直接測量芯片的管腳。面對這些問題，Philips、TI等半導體廠商在1985年成立了聯合測試行動小組，即JTAG，用來解決這些問題。盡管人們認為 IEEE 1149.1 標準實際上就是JTAG，不過該標準的官方稱謂是“標準測試訪問端口與邊界掃描架構 (Standard Test Access Port and Boundary-Scan Architecture)”。它定義了利用邊界掃描檢測 PC 電路板的檢測訪問端口 (TAP) 等。JTAG協議發展到現在，目前主要有三個典型應用：

程序下載。即目前最常用的一個功能，它可以把用戶程序下載到芯片內部的Flash中。
程序調試。即實時監控程序的運動狀態，并且可以通過加入斷點的方式來實時調試程序。
邊界掃描。即Boundary-scan，也就是JTAG設計的初衷，主要用于芯片本身和PCB電路板的硬件測試。

2. JTAG硬件接口

JTAG協議工作的基本邏輯全依賴內部的TAP控制器（Test Access Port），其實就是一個狀態機，通過TMS信號來切換不同的狀態。

標準的JTAG接口最少需要4個引腳，即：TCK、TDI、TDO和TMS，在IEEE1149.1標準中，TRST信號是可選的。下面是每個信號的定義和功能：

Test Clock Input (TCK)
TCK 為 TAP 的操作提供了一個獨立的、基本的時鐘信號，TAP 的所有操作都是通過這個時鐘信號來驅動的。TCK 在 IEEE 1149.1 標準里是強制要求的。
Test Mode Selection Input (TMS)
TMS 信號用來控制 TAP 狀態機的轉換。通過 TMS 信號，可以控制 TAP 在不同的狀態間相互轉換。TMS 信號在 TCK 的上升沿有效。TMS 在 IEEE 1149.1 標準里是強制要求的。
Test Data Input (TDI)
TDI 是數據輸入的接口。所有要輸入到特定寄存器的數據都是通過 TDI 接口一位一位串行輸入的（由 TCK 驅動）。TDI 在 IEEE 1149.1 標準里是強制要求的。
Test Data Output (TDO)
TDO 是數據輸出的接口。所有要從特定的寄存器中輸出的數據都是通過 TDO 接口一位一位串行輸出的（由 TCK 驅動）。TDO 在 IEEE 1149.1 標準里是強制要求的。
Test Reset Input (TRST)
TRST可以用來對TAP Controller進行復位（初始化）。不過這個信號接口在IEEE 1149.1標準里是可選的，并不是強制要求的。因為通過 TMS 也可以對 TAP Controller 進行復位（初始化）。

以Jlink的JTAG接口為例，可以看到標準的4個JTAG管腳：

以下是JTAG接口的使用示意：

每個管腳都有一個邊界掃描寄存器單元，在時鐘的驅動下，每個管腳的信號在寄存器單元之間依次流動，從而實現每個管腳狀態的控制和讀取。

3. 邊界掃描相關的軟硬件

理論上只要支持JTAG協議的調試器、下載器，都可以用來進行邊界掃描測試，不過可能需要開發相對應的上位機軟件。本文介紹常見的兩款邊界掃描測試方案。

JLink + TopJTAG Probe

TopJTAG是一款非常簡潔、實用的邊界掃描測試軟件，支持多種調試器，比如最常用的JLink、USB-Blaster等等。我會在后面的文章單獨介紹這款軟件配合Jlink來進行邊界掃描測試。

X-JTAG

一套非常專業的邊界掃描方案，研發公司位于英國劍橋，包括調試器和上位機，功能極其強大，當然售價也不菲！廣泛應用于航天、汽車、國防、醫療、通信等專業領域。

4. 學習資料

一位國外小哥在YouTube發布的視頻：EEVblog#449-什么是JTAG以及邊界掃描，B站有人搬運了，地址是：

https://www.bilibili.com/video/BV1TT4y1e7HU

還有一個是《ARM JTAG調試原理》文檔，很精簡，只有22頁，可以對JTAG協議有個初步了解。

http://www.micetek.com.cn/technic/jtag.pdf

JTAG協議的官方文檔JTAG_IEEE-Std-1149.1-2001：

https://fiona.dmcs.pl/~rkielbik/nid/JTAG_IEEE-Std-1149.1-2001.pdf

雖然不是最新版本的，但是對于學習JTAG協議的參考來說足夠了。

5. 總結

對了，開頭介紹的那款板卡，我使用邊界掃描獲取到的管腳定義如下：

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