淺談多電壓JTAG鏈設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

隨著低功耗的手持式設(shè)備越來(lái)越多，混合有 5 V、3.3 V、2.5 V 和 1.8 V 器件的印刷電路板也越來(lái)越多普遍，這使得 JTAG 鏈的設(shè)計(jì)成為一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。設(shè)計(jì)者師不僅必須確定 JTAG 鏈的工作電壓，同時(shí)還必須確定這些使用不同電壓的器件的安放順序。本文比較了多種設(shè)計(jì)多電壓 JTAG 鏈的方法，并提供了一些有關(guān)執(zhí)行強(qiáng)大的無(wú)故障設(shè)計(jì)的提示和技巧。

菊花鏈，或通過(guò)其 JTAG 端口連接多個(gè) DSP、FPGA、CPLD 和其他邏輯器件，使得它們可以通過(guò)單個(gè) JTAG 連接器進(jìn)行控制。菊花鏈常用于具有多個(gè) JTAG 器件的電路板，它可以將 TDI 和 TDO 引腳連接在一起以形成一個(gè)串行路徑。鏈的輸入是第一 個(gè)器件的 TDI；鏈的輸出是最后一個(gè)器件的 TDO。所有器件的 TRST、TCK 和 TMS 引腳均并行連接。通過(guò)提供一些可安裝或移除（具體取決于所需的目標(biāo)器件）的跳線，菊花鏈允許鏈中的一個(gè)或多個(gè)器件被繞過(guò)以進(jìn)行調(diào)試目的。理論上，通過(guò)菊花鏈連接的器件數(shù)量可以是無(wú)限的，但是如果菊花鏈中的器件數(shù)量超過(guò)八個(gè)，就會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)時(shí)序問題和間歇性的崩潰，特別是時(shí)鐘速率較高時(shí)，更是如此。

當(dāng)一個(gè)鏈中有超過(guò)四個(gè)左右的器件時(shí)，為了滿足 JTAG 時(shí)序要求，應(yīng)在 TCK 和 TMS 上安裝緩沖器以保持信號(hào)的完整性，并且每個(gè)緩沖器驅(qū)動(dòng)的器件數(shù)量不應(yīng)超過(guò)四個(gè)。例如，一個(gè)具有六個(gè)器件的菊花鏈需要兩個(gè)用于 TCK 的緩沖器和兩個(gè)用于 TMS 的緩沖器。驅(qū)動(dòng)器必須高速運(yùn)行（低傳播延遲），并有足夠的力量來(lái)驅(qū)動(dòng)四個(gè)或更多個(gè)器件。

硬件工程師可能需要用菊花鏈連接多個(gè)具有不同 I/O 電壓的器件。通過(guò)一個(gè)鏈連接所有器件可能并非是一個(gè)最佳的解決方案，因此設(shè)計(jì)師應(yīng)該考慮對(duì)菊花鏈進(jìn)行分區(qū)，從而滿足專有調(diào)試工具的要求?？赡苄枰娖?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器來(lái)應(yīng)對(duì)多種電壓水平，并且必須保持信號(hào)的完整性。設(shè)計(jì)和測(cè)試的復(fù)雜性日益增加，并且需要具有 IEEE 1149.1 專業(yè)知識(shí)來(lái)集成和測(cè)試系統(tǒng)。下面介紹了兩種實(shí)現(xiàn)多電壓 JTAG 鏈的方法。

適用于每個(gè)電壓系列的單獨(dú) JTAG 鏈

這種方法推薦用于多個(gè)器件具有相同 I/O 電壓的場(chǎng)合，它把所有具有相同 JTAG I/O 電壓的器件放在一個(gè)鏈中，從而為每個(gè)電壓使用單獨(dú)的鏈。每個(gè)鏈支持同一類別的所有器件，消除了其他器件無(wú)法正常工作的機(jī)率，并且在其他廠商必須連接 JTAG 鏈時(shí)可以減少混淆。圖 1 顯示了具有相同 I/O 電壓器件的 JTAG 鏈。在此情況下，不需要使用電壓轉(zhuǎn)換器 (VT)。

多電壓 JTAG 鏈

有時(shí)， 把所有 JTAG 器件放在單個(gè)鏈中會(huì)更好。當(dāng)每個(gè)電壓系列中的器件數(shù)量不足以創(chuàng)建單獨(dú)的 JTAG 鏈時(shí)，推薦采用此方法。要在一個(gè) JTAG 鏈中成功連接兩個(gè)具有不同電壓的器件，必須滿足以下要求：

驅(qū)動(dòng)器的 VOHmin（最低高輸出電壓）必須大于接收器的 VIHmin（最低輸入高電壓）。

驅(qū)動(dòng)器的 VOLmax（最高輸出低電壓）必須小于接收器的 VILmax（最高輸入低電壓）。

來(lái)自驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓不得超過(guò)接收器的 I/O 電壓容差。

表 1 顯示了不同電壓標(biāo)準(zhǔn)的常見最低和最高電壓。如需了解更具體的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)師應(yīng)參考零件的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

表 1：典型 I/O 標(biāo)準(zhǔn)及其相關(guān)的最低和最高電壓

多電壓 JTAG 鏈的設(shè)計(jì)指南

把電壓最高的器件放在鏈的開頭，接下來(lái)是電壓第二高的器件，依次類推，最后放置電壓最低的器件。按照從最高電壓到最低電壓的順序放置 JTAG 信號(hào)，允許一個(gè)器件的 TDO 輸出上的邏輯高電平可由下一個(gè)器件的輸入正確解譯。

確認(rèn)每個(gè)器件可以承受來(lái)自上一個(gè)器件的最高電壓。例如，如果第一個(gè)器件的電壓為 3.3 V，下一個(gè)器件的電壓為 1.8 V，請(qǐng)確保 1.8 V 器件的輸入可以至少承受 3.6 V 的電壓。

確認(rèn)來(lái)自最低電壓器件的 TDO 可由仿真器正確解譯。在本示例中，請(qǐng)確保 1.8 V 器件的 VOHmin 大于 3.3 V 器件的 VIHmin。否則，應(yīng)使用高速電壓轉(zhuǎn)換器將 TDO 轉(zhuǎn)換成仿真器的正確電壓。VT 不應(yīng)該寄存（時(shí)鐘）信號(hào)，因?yàn)檫@將延遲一個(gè)時(shí)鐘的信號(hào)，導(dǎo)致 JTAG 鏈?zhǔn)　?a href="http://srfitnesspt.com/analog/" target="_blank">模擬裝置的 ADG3304 雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器包含四個(gè)雙向通道，可用于多電壓數(shù)字系統(tǒng)應(yīng)用中。圖 2 顯示了具有 3.3 V、2.5 V 和 1.8 V I/O 電壓的器件，其中最低電壓器件的 I/O 可以承受上一器件的更高電壓。對(duì) TDO 采用了電壓轉(zhuǎn)換器 (VT)，以將電壓從 1.8 V 提升到 3.3 V。

當(dāng)具有較低電壓的器件不能承受上一器件的高電壓時(shí)，應(yīng)在所有 JTAG 信號(hào)上使用高速電壓轉(zhuǎn)換器。除了 TDO 外，應(yīng)將仿真器用作所有電壓轉(zhuǎn)換器的輸入。不要串聯(lián)電壓轉(zhuǎn)換器，因?yàn)檫@會(huì)增加傳播延遲。圖 3 說(shuō)明了較低電壓器件不能承受更高電壓 I/O 的情況，因此每個(gè)信號(hào)都需要使用電壓轉(zhuǎn)換器。

如果僅有一個(gè)器件不能承受來(lái)自上一個(gè)器件的 I/O 電壓，則只需在該器件上使用電壓轉(zhuǎn)換器。例如，JTAG 鏈中具有 3.3 V、2.5 V 和 1.8 V 的 I/O 電壓，1.8 V 器件具有可以承受 2.5 V 的 I/O，因此 2.5 V 信號(hào)可由 1.8 V 器件使用。在圖 4 中，2.5 V 器件不具有可以承受 3.3 V 的 I/O，但 1.8 V 器件可以承受 2.5 V，因此只需對(duì) 2.5 V 器件使用電壓轉(zhuǎn)換器。

使用肖特基二極管取代電壓轉(zhuǎn)換器：

如果大約 0.4 V 的壓降足以將電壓從較高的水平調(diào)整到較低的水平，則可以使用具有快速恢復(fù)時(shí)間的肖特基二極管來(lái)代替電壓轉(zhuǎn)換器。ON Semiconductor 提供的 1SS383T1G 肖特基二極管具有 0.48 V 的正向電壓降和 25 pF 的容性負(fù)載。在此應(yīng)用中，也可使用 Diodes Inc. 提供的 SD103ATW，它包含三個(gè)完全隔離的肖特基二極管，具有大約 0.3 V 的正向電壓降和 50 pF 的容性負(fù)載。