CN105301479B - 一种基于开关矩阵控制的可变链长动态边界扫描结构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于开关矩阵控制的可变链长动态边界扫描结构和方法，通过对应每个边界扫描单元设置的开关组成的开关控制矩阵，使其在进行不同数量和位置的边界扫描单元时能够进行最为优化的开关和链路控制，形成效率极高的边界扫描短链，完成预定的扫描目标。同时在结构上，将矩阵的输入端是开关矩阵的控制逻辑和全部边扫单元的串行输出端，而开关矩阵的输出端则是全部边扫单元的串行输入端。开关矩阵的控制启动后，开关矩阵将根据设定的目标进行扫描链的组合装配，将需要观测的管脚按照一定的顺序串联起来组成目标扫描链，用于快速捕获和传输所需的数据信息；其相比较现有技术中的链路扫描结构和方法能够节省的周期数能够达到90％以上，效率极高，相应快。

Description

一种基于开关矩阵控制的可变链长动态边界扫描结构和方法

技术领域

本发明涉及电路边界扫描，具体为一种基于开关矩阵控制的可变链长动态边界扫描结构和方法。

背景技术

边界扫描技术由于其灵活度高、集成性好等多项特点，被广泛应用在计算机、通信以及航空航天等诸多领域。通过边界扫描，能够使得许多系统功能得以实现，例如在线“健康”状况监测、信息采集、故障检测、故障注入(用于故障转移测试或冗余度测试)以及诊断等等。就健康管理和信息采集而言，对于芯片或系统的实时性或动态性要求较高，这就需要边界扫描对此能够有较好的适应性。

然而，目前大多设计电路内部边界扫描结构是确定的，不论是边界扫描单元的顺序，还是边界扫描链的长度都是固定不变的。这样的边界扫描结构在应用时容易受到管脚数量和位置的限制，靠近串行输出端口附近的管脚信息容易被采样到，位置靠近串行输入端的管脚信息，就需要经过较长时间的移位才能获取，导致移位周期长，效率较低，不能够较好地适应健康管理、信息采集的实时、动态性要求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于开关矩阵控制的可变链长动态边界扫描结构和方法，其能够根据不同的采集需求，能够针对边界扫描链长进行调整，进而实现边界扫描的快速访问，弥补现有技术的不足。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于开关矩阵控制的可变链长动态边界扫描方法，包括如下步骤，

步骤一，根据电路中最长边界扫描链内所有边界扫描单元的数量和位置，生成如下对应的总开关矩阵，

其中，m表示最长边界扫描链中所有边界扫描单元的数量，m为正整数；

i表示全部边界扫描单元对应的序号，1≤i≤m；

j表示最长边界扫描链中边界扫描单元的序号，1≤j≤m；

全部边界扫描单元对应的序号i和最长边界扫描链中边界扫描单元的序号j均分别按最长边界扫描链中的位置从链尾到链首由1开始依次编号；

总开关矩阵中对应的默认开关状态均为打开状态；

步骤二，根据需要观测控制的边界扫描单元数量和位置，确定总开关矩阵中需要闭合开关的链路开关矩阵；表示如下，

其中，n表示需要观测控制边界扫描单元个数，1≤n≤m，

k表示需要观测控制边界扫描单元的序号，1≤k≤n；

需要观测控制边界扫描单元的序号k按其在最长边界扫描链中的位置从链尾到链首由1开始依次编号；

n和k均为正整数；

步骤三，根据链路开关矩阵和需要观测边界扫描单元的序号k，确定总开关矩阵中需要闭合的开关为a_s,k，s为需要观测边界扫描单元的序号k在最长边界扫描链中边界扫描单元中对应的序号，1≤s≤m，s为正整数；

步骤四，通过寄存器配置或译码逻辑控制将需要闭合的开关a_s,k的状态更改为闭合状态后，组成边界扫描短链，实现所有需要观测控制的边界扫描单元的边界扫描操作。

优选的，步骤2中，将链路开关矩阵中的无效开关剔除后，得到如下的有效链路开关矩阵如下，

一种基于开关矩阵控制的可变链长动态边界扫描结构，包括电路上设置的边界扫描单元，直通开关，以及一一对应边界扫描单元连接的控制开关组，

边界扫描单元依次串行后组成最长边界扫描链，

第一边界扫描单元对应的第一控制开关组的输入端连接电路的串行输入端，第一控制开关组的输出端分别连接全部边界扫描单元的串行输入端；

其余边界扫描单元对应的控制开关组的输入端分别连接前一级边界扫描单元的输出端，对应的控制开关组的输出端分别连接包括该边界扫描单元及其后所有边界扫描单元的串行输入端；

每个边界扫描单元对应的控制开关组均分别与一个直通开关输入端并联，所有直通开关的输出端均与电路的串行输出端连接；

最后一个边界扫描单元的串行输出端通过一个直通开关连接电路的串行输出端。

其中，从第一控制开关组到最后控制开关组中开关分别与优选的方案中所述的有效链路开关矩阵中的每列的开关一一对应。

进一步，电路的串行输入端为标准JTAG测试数据输入端TDI。

进一步，电路的串行输出端为标准JTAG测试数据输出端TDO。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明基于开关矩阵控制的可变链长动态边界扫描结构和方法，通过对应每个边界扫描单元设置的开关组成的开关控制矩阵，使其在进行不同数量和位置的边界扫描单元时能够进行最为优化的开关和链路控制，形成效率极高的边界扫描短链，完成预定的扫描目标。同时在结构上，将矩阵的输入端是开关矩阵的控制逻辑和全部边扫单元的串行输出端，而开关矩阵的输出端则是全部边扫单元的串行输入端。开关矩阵的控制启动后，开关矩阵将根据设定的目标进行扫描链的组合装配，将需要观测的管脚按照一定的顺序串联起来组成目标扫描链，用于快速捕获和传输所需的数据信息；其相比较现有技术中的链路扫描结构和方法能够节省的周期数能够达到90％以上，极大的提高了观测和控制的效率及相应时间。

附图说明

图1为现有的边界扫描链结构示意图。

图2为边界扫描单元结构图。

图3为本发明实例中所述的开关矩阵结构控制示意图。

图4为本发明实例中所述的观测一个管脚的开关矩阵控制链路示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明基于开关矩阵控制的可变链长动态边界扫描结构和方法，设计了一种开关控制矩阵，矩阵的输入端是开关矩阵的控制逻辑和全部边扫单元的串行输出端，而开关矩阵的输出端则是全部边扫单元的串行输入端。开关矩阵的控制启动后，开关矩阵将根据设定的目标进行扫描链的组合装配，将需要观测的管脚按照一定的顺序串联起来组成目标扫描链，用于捕获和传输所需的数据信息。这个过程就好比扳道岔，组成的目标链就是根据需要快速组合成的高速铁路。开关矩阵的控制逻辑可以通过寄存器来配置，亦可通过译码逻辑实现，这部分结构较为简单，在此不再赘述。本发明的重点和难点是开关矩阵的设计。

其中，开关矩阵通式如下。

假设电路有m个边界扫描单元，要实现一条长度为n，n为正整数，1≤n≤m，的边界扫描短链，最多需要开关为m*n个，用矩阵A表示如下：

其中，i表示m个边界扫描单元序号，1≤i≤m，k表示长度为n的边界扫描短链中边界扫描单元序号，1≤k≤n。

要组成不定长度n的边界扫描短链，用矩阵B表示如下：

其中，a_i,k表示矩阵中任一元素，只有当k≤i≤m时，a_i,k＝1，即存在开关，其他元素均为0，即不需要开关。

组成不定长度n的边界扫描短链所需的开关总数为：

其中，1≤n≤m，可以实现的组合数为

要实现不定长度n的边界扫描短链控制和观测所需的开关总数为：

其中，0≤n≤m，可以实现的组合数为

其中，开关矩阵生成的步骤如下。

要组成一个链长为n，1≤n≤m，的边界扫描短链，首先需要创建开关控制矩阵，创建开关矩阵的步骤如下：

1)将m个边界扫描单元从链尾(TDO)到链首(TDI)依次编号为M1、M2、……、Mm。

2)选择要观测的n个边界扫描单元，按照顺序依次编号为n1、n2、…、ni、…、nn，1≤ni≤nn，并分别记为m1、m2、…、mi、…、mn，其中mi，1≤mi≤m，表示第ni个被选择的边界扫描单元在m个边界扫描单元中的对应编号。

3)根据n个边界扫描单元的序号和其对应编号创建m行n列的链路开关矩阵，a_mi,ni表示开关矩阵的第mi行第ni列元素。n个边界扫描单元的编号作为矩阵的列号，其在m个边界扫描单元中的对应编号作为矩阵的行号。根据选中的边界扫描单元的序号和对应编号，将矩阵对应位置元素置1，表示此处开关需要闭合；矩阵元素为0，表示此处不需要开关或开关不需要闭合。

4)依据开关矩阵中的元素值情况进行相应控制，就可以组成任意链长n的边界扫描短链。

具体的，下面以边界扫描收发器电路为例，介绍开关矩阵及其控制方法。

边界扫描收发器电路中共有36个边界扫描单元，可组成最长36位的边界扫描链。开关矩阵的主要作用是实现从36个边界扫描单元中取出一部分边界扫描单元组成一条短的边界扫描链，从而提高监测和诊断效率。要实现短链的控制和观测，首先要组成短的边界扫描链，接下来将通过介绍如何设计开关矩阵，实现短链的组建。

如果要实现一条长度为n，n为正整数，1≤n≤36，的边界扫描链，最多需要开关为36*n个，用矩阵表示如下：

记作矩阵A，其中，矩阵的行号i表示36个边界扫描单元，i＝1,2，…，36；矩阵的列号k表示边界扫描短链的n个边界扫描单元，k＝1,2，…，n。

假设从36个边界扫描单元中选出n个边界扫描单元，按照序号依次放入长度为n的边界扫描链中来组成短链。要实现任意长度n的扫描链，分析矩阵A中需要多少开关。其中，矩阵A的行代表36个边界扫描单元，列代表任意长度n组成的短链的扫描单元。

分析可知，第i，1≤i≤n≤36，个边界扫描单元可能被选作任意链长中的第1个、第2个、……、第i个扫描单元，所以需要i个控制开关。所以，要组成不定长度的扫描链，所对应的开关控制矩阵为

记作矩阵B，其中，其中a_i,k表示矩阵中任一元素，只有当k≤i≤36时，a_i,k＝1，即存在开关，其他元素均为0，即不需开关。

根据上述分析可知，不定长链中第i个扫描单元对应的可选区间为[1,i]，即第1～i个边界扫描单元都可以选作不定长链中的第i个扫描单元，那么组成不定长度的扫描链所需的开关总数为

其中，1≤n≤36，可以实现的组合数为

根据上述计算，666个开关就可以实现从36个边扫单元中任意选择组成不定长边界扫描链。这36个边扫单元都有可能直接输出，所以要实现对短链的检测还需要36个开关。此外，考虑到不定长链长度为0的情况，即没有一个边扫单元被选中组链，实现电路旁路功能，还需要一个旁路开关。即除了组链所需的666个开关，还需要增加37个开关进行观测。所以，要实现不定长度的扫描链控制和观测所需的开关总数为

其中，0≤n≤36，可以实现的组合数为

通过设计开关矩阵实现可变链长边界扫描结构的设计方案功能全面，使用灵活，效率很高。

以一个300管脚的电路为例，假定每个管脚都设计了一个边界扫描单元，需要采样其中8个管脚的信息，如果采用现有技术，最少需要8个周期，最多需要300个周期，平均需要154个周期，才能获取所需的信息。如果采用本发明的边界扫描结构和方法，只需要8个周期就可以获得所需的信息，效率上明显具有绝对的优势。

以一个具有16个边界扫描单元的的电路为例，它的边界扫描链结构如图1所示，图1是现有的边界扫描链结构示意图，BSC1、BSC2、……、BSCn表示各个边界扫描单元，按顺序编号就是为了描述方便。图中每个边界扫描单元的结构如图2的边扫单元结构图所示，其中包括4个多路选择器和2个触发器。PI和PO端分别表示边界扫描单元的并行输入和输出端，SI和SO分别表示边界扫描单元的串行输入端和输出端，其中SI接上一个边界扫描单元的输出端，SO接下一个边界扫描单元的输入端。其他选择端口均受TAP控制器驱动。它的扫描链数据流向是这样的：SI1→SO1--SI2→SO2--SI3→SO3--……--SI15→SO15--SI16→SO16，其中SIn(n＝1,2,3,…,15,16)表示第n个边扫单元的串行输入端，SOn(n＝1,2,3,…,15,16)表示第n个边扫单元的串行输出端，每个SIn→SOn操作均需要一个时钟周期(TCKPeriod)完成。如果要观测边扫单元BSC1所对应管脚的值，就需要从TDI—SI1→SO1—SI2→SO2--……--SI16→SO16—TDO这样的通路依次移出，共需要16个时钟周期才能完成。

采用本发明中的开关矩阵后，扫描链结构如图3开关矩阵控制示意图所示，其中BSC1、BSC2、……、BSCn表示电路中的各个边界扫描单元，k1、k2、……、kn表示开关矩阵中的控制开关，开关闭合表示该路连通，开关打开表示该路断开。

边扫单元的串行输出端均作为开关矩阵的输入端，边扫单元的串行输入端均来自开关矩阵的输出，换句话来说，开关矩阵需要采集各个边扫单元的输出值，同时也要控制和驱动边扫单元的输入。根据开关矩阵中的数据信息(0或1)可以将扫描链进行重组，将所需检测的管脚串入边扫链中，其他管脚就被旁路，不串入链，这样边界扫描链中就只包含所需观测的边界扫描单元信息，链长变短，效率就提高了。

其中，观测第15、16个管脚时对应的开关控制矩阵为：

观测第9、10个管脚时对应的开关控制矩阵为：

观测第5、9个管脚时对应的开关控制矩阵为：

观测第1、2个管脚时对应的开关控制矩阵为：

观测第9个管脚时对应的开关控制矩阵为：

观测第1个管脚时对应的开关控制矩阵为：

仍以观测边扫单元BSC1所对应管脚的值为例，开关矩阵控制链路如图4观测一个管脚的开关矩阵控制链路示意图所示，其中BSC1、BSC2、……、BSC16表示电路中的16个边界扫描单元，开关k6和k7闭合，就形成了只有一个边界扫描单元的短链。观测时，只需一个周期就可以获取需要的信息。将开关矩阵中的k6和k7闭合，其他开关保持断开，这样就可以形成TDI—SI1→SO1—TDO的扫描通路，为图中粗线所示路径，仅需要一个时钟周期就可以观测到所需要的信息，节省了15个周期约占93.8％的观测时间，效率显著提高。

需要观测一个或两个管脚的值，比较以下两种结构的扫描链路和观测所需周期数，具体见下表1：

表1两种结构的对比

注：表中每个SIn→SOn操作均需要一个时钟周期(TCK Period)完成。

由上表可知，普通的边界扫描结构，效率较低，观测所需时间较长，所需的周期数与管脚的数量和位置有很大的关系。采用本发明后，观测所需时间大幅缩短，所需周期数只和需要观测的管脚个数有关，极大地提高了观测的效率。

Claims (6)

1.一种基于开关矩阵控制的可变链长动态边界扫描方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤一，根据电路中最长边界扫描链内所有边界扫描单元的数量和位置，生成如下对应的总开关矩阵，

其中，m表示最长边界扫描链中所有边界扫描单元的数量，m为正整数；

i表示全部边界扫描单元对应的序号，1≤i≤m；

j表示最长边界扫描链中边界扫描单元的序号，1≤j≤m；

全部边界扫描单元对应的序号i和最长边界扫描链中边界扫描单元的序号j均分别按最长边界扫描链中的位置从链尾到链首由1开始依次编号；

总开关矩阵中对应的默认开关状态均为打开状态；

步骤二，根据需要观测控制的边界扫描单元数量和位置，确定总开关矩阵中需要闭合开关的链路开关矩阵；表示如下，

其中，n表示需要观测控制边界扫描单元的个数，1≤n≤m，

k表示需要观测控制边界扫描单元的序号，1≤k≤n；

需要观测控制边界扫描单元的序号k按其在最长边界扫描链中的位置从链尾到链首由1开始依次编号；

n和k均为正整数；

步骤三，根据链路开关矩阵和需要观测边界扫描单元的序号k，确定总开关矩阵中需要闭合的开关为a_s,k，s为需要观测边界扫描单元的序号k在最长边界扫描链中边界扫描单元中对应的序号，1≤s≤m，s为正整数；

步骤四，通过寄存器配置或译码逻辑控制将需要闭合的开关a_s,k的状态更改为闭合状态后，组成边界扫描短链，实现所有需要观测控制的边界扫描单元的边界扫描操作。

2.根据权利要求1所述的一种基于开关矩阵控制的可变链长动态边界扫描方法，其特征在于，步骤2中，将链路开关矩阵中的无效开关剔除后，得到如下的有效链路开关矩阵如下，

3.一种基于开关矩阵控制的可变链长动态边界扫描结构，其特征在于，包括电路上设置的边界扫描单元，直通开关，以及一一对应边界扫描单元连接的控制开关组，

边界扫描单元依次串行后组成最长边界扫描链，

第一边界扫描单元对应的第一控制开关组的输入端连接电路的串行输入端，第一控制开关组的输出端分别连接全部边界扫描单元的串行输入端；

其余边界扫描单元对应的控制开关组的输入端分别连接前一级边界扫描单元的输出端，对应的控制开关组的输出端分别连接包括该边界扫描单元及其后所有边界扫描单元的串行输入端；

每个边界扫描单元对应的控制开关组均分别与一个直通开关输入端并联，所有直通开关的输出端均与电路的串行输出端连接；

最后一个边界扫描单元的串行输出端通过一个直通开关连接电路的串行输出端。

4.根据权利要求3所述的一种基于开关矩阵控制的可变链长动态边界扫描结构，其特征在于，从第一控制开关组到最后控制开关组中开关分别与如权利要求2中所述的有效链路开关矩阵中的每列的开关一一对应。

5.根据权利要求3所述的一种基于开关矩阵控制的可变链长动态边界扫描结构，其特征在于，电路的串行输入端为标准JTAG测试数据输入端TDI。

6.根据权利要求3所述的一种基于开关矩阵控制的可变链长动态边界扫描结构，其特征在于，电路的串行输出端为标准JTAG测试数据输出端TDO。