JTAG/Boundary Scan
Mehr als nur ein Standard

JTAG/Boundary Scan hat sich seit seiner Standardisierung 1990 als IEEE1149.1 zu einer der wichtigsten Technologien im Ensemble der verschiedenartigen Teststrategien entwickelt. Immer neue Anwendungsgebiete, Systemlösungen und die Definition weiterführender IEEE-Standards, sind markanter Ausdruck der hohen Dynamik und praktischen Relevanz dieses Themas. Der folgende Beitrag analysiert den derzeitigen Stand dieser Technik, gibt Hilfestellung bei der systematischen Einordnung verfügbarer Lösungen und vermittelt einen Ausblick auf die Zukunft dieses innovativen Verfahrens.
IEEE1149.1 [1] war 1990 in jeder Hinsicht ein Novum, denn es war der erste Schritt zum standardisierten Testen auf Board-Level überhaupt. Hauptzielrichtung des Standards war der Versuch, die bereits damals absehbare Verringerung des physischen Testzugriffs für den klassischen digitalen In-Circuit-Test (ICT) durch eine alternative Technik entgegenzuwirken. Der geniale Gedanke dabei war, die Pin-Elektronik des Testers in die Chips zu integrieren und über einen genormten Bus anzusteuern (Abb.1). Hohe Erwartungen wurden in diesen Standard gesetzt, vor allem in die schnelle industrielle Wirksamkeit und der damit verbundenen Etablierung eines entsprechenden Marktes für Chips, Tools und Systeme. Heute, nach zwanzig Jahren praktischer Wirklichkeit ist klar, dass es den erhofften schnellen Durchbruch nicht gegeben hat (Abb.2). Dafür aber existiert eine kontinuierlich langfristige Entwicklung, korrelierend mit dem technologischen Übergang von THT (Through Hole Technology) zu SMT (Surface Mount Technology). Diese Tatsache ist im Grunde genommen keine Überraschung, sind doch die immer kleineren SMT-Packages die eigentlichen Totengräber des Testzugriffs. Mittlerweile ist jedoch eine Dekade rapide sinkender ICT-Testbarkeit Realität und Boundary Scan auf einem erfolgreichen Weg, diesen Entwicklungstrend zu kompensieren. Geduld war also gefragt und nicht Pessimismus. Aber nicht nur aus diesem Blickwinkel ist der IEEE1149.1 eine Erfolgsstory.

Ein Standard mit vielen Kindern

Was vor 20 Jahren auch keiner ahnte, war der überwältigende Erfolg den dieser Standard bei der Umsetzung weiterer wichtiger Normungen spielen würde. Egal ob zur In-System-Program­mierung (ISP), zur Emulation, oder zur Adressierung weiterer Testprobleme, in vielen Fällen wurde auf IEEE1149.1 aufgebaut (Abb.3). Damit kann aus heutiger Sicht IEEE1149.1 als ein strategischer Basisstandard bezeichnet werden, welcher auch perspektivisch nicht an Bedeutung verlieren wird. Nie gab es mehr Aktivitäten zur Definition neuer Normungen auf Chip und Board-Level als heutzutage. In jedem Fall dokumentiert die Grafik auch eindrucksvoll den kontinuierlichen Paradigmen-Wandel von externer Instrumentierung hin zur In-System Instrumentierung auf Basis von immer mehr On-Chip Funktionalität gesteuert von einem einheitlichen Bus. In diesem Kontext avancieren technisch gesehen Boundary Scan Systeme zu potentiellen Instrumentierungsplattformen der nächsten Generation mit immer breitbandigeren Anwendungsmöglichkeiten. Auch wenn sicherlich einige neue Standards noch mehr Zeit brauchen um tieferen Eingang in die Industrie zu finden, ist der Stand der Technik in punkto praktischer Nutzung bereits recht beeindruckend. Zu den wichtigsten Applikationsbereichen auf Board-Level gehören derzeit u.a.:
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Schneller und zuverlässiger Montagetest von Lötstellen unter und zwischen BGA-Komponenten

mit bester Diagnosegüte durch sogenannte Interconnection Tests
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Test der Verbindungen zu RAM und anderen nicht scanfähigen Bausteinen durch sogenannte

Cluster Tests (im Prinzip Funktionstests)
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Test von Steckverbindern, peripheren I/O-Signalen und Interfaces durch synchronisierte

Ansteuerung mit externen Instrumenten
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Design Validierung von Schaltungsfunktionen bei Prototypen
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Programmieren von PLD/FPGA und Flash-Bausteinen In-System (ISP) mit festen oder variablen

Inhalten

Als besonderes Schmankerl bietet Boundary Scan die Möglichkeit prinzipiell diese Prozeduren über den gesamten Produktlebenszyklus wiederzuverwenden (Abb.4), ebenfalls ein Novum in der Geschichte des elektrischen Testens. Hierin liegt ein enormes wirtschaftliches Potential zur Kostensenkung, dessen Erschließung allerdings gezielt bereichsübergreifendes Produktmanagement verlangt. Eine genauerer Blick auf die einzelnen Produktlebensphasen erbringt aber noch weitere Vorteile. So kann Boundary Scan die Verifikation von Prototypen deutlich beschleunigen und damit die Time To Market verkürzen. Vor allem die Unterscheidung zwischen Design-Fehlern und Montagefehlern, wie z.B. durch Test auf offene Lötstellen oder Kurzschlüssen unter BGA mit automatisierter Fehlerisolation ist hier enorm hilfreich. Aber auch beim Thema Design Validierung kann IEEE1149.1 sehr nützlich sein. Als Beispiel sei die statische Validierung einer Mixed Signal Schaltung genannt, wo durch die Scanzellen eine von der Digitalfunktion unabhängige Ansteuerung des D/A Wandler erfolgt (Abb.5). Aufgrund dieser künstlichen Partitionierung ist die Analogfunktion im Test-Mode isoliert validierbar und es können sogar Zustände simuliert werden, welche bei funktionalem Betrieb unter Umständen gar nicht auftreten können. Solche Eigenschaften werden teilweise auch gezielt zum Perfomance Test redundanter Systeme durch dynamische Fehlerinjektion genutzt. Unerwähnt bleiben darf auch nicht der Fakt, dass die Testprogramme bereits nach dem Schematic Capture unabhängig vom Layout entwickelt werden können, was eine frühzeitige Optimierung des Testabdeckung durch entsprechende DfT (Design for Test) Iterationen erlaubt.

Geringere Investitions- und Betriebskosten

In der Produktion punktet Boundary Scan vor allem durch die gegenüber anderen ATE wesentlich geringeren Investitions- und Betriebskosten. Als Thronfolger des digitalen ICT kann er seine Überlegenheit bei den Themen Testqualität/Testerstellungsaufwand (keine Kontaktierungsproblem, kein Backdriving, keine Behaivor-Modelle, bessere Diagnsoegüte) voll ausspielen. Das sogenannte NPI (New Product Introduction) wird dadurch wesentlich verbessert. Doch nicht nur in der direkten Montage-Line ist IEEE1149.1 auf dem Vormarsch. Interessant sind auch die Anwendungen für Run-In Tests im Wechselklima mit aktivem Monitoring, wo über den seriellen Testbus sogar selektive Schaltungspartitionen gestresst werden können. Darüber hinaus ist auch die In-System – Programmierung von Flash Bausteinen auf mehreren Boards gleichzeitig (Multi-Site oder Gang-Programmierung) eine mit vielen Vorteilen besetzte Option gegenüber dem Flashen von Einzelkomponenten mit nachfolgender Selektivmontage.

Systeme per Fernwartung kalibrieren

Auch im Feld, also der letzten Produktlebensphase, kann Boundary Scan sehr hilfreich sein. So ist es möglich Systeme per Fernwartung zu kalibrieren, ein Upgrade der Firmware vorzunehmen oder Diagnostische Tests zur Lokalisierung der auszutauschenden Einheit vorzunehmen. Dabei steigern sich die Effekte mit der Komplexität, der Entfernung der Systeme, sowie dem im Feld befindlichen Volumen. Allerdings müssen dazu die Grundlagen durch entsprechendes Design vorhanden sein.

Was kommt als Nächstes?

Die JTAG/Boundary Scan Technologie ist noch lange nicht an ihre Grenzen gestoßen, denn neue Einsatzgebiete wurden bereits geöffnet. Die 2008 vorgestellte Streaming-Technologie VarioTAP von Göpel vereinigt zwei bis dato getrennte Bereiche: Die Verwendung des statischen Boundary Scan Testverfahrens und die dynamischen Möglichkeiten des Funktionstests mittels eines auf der Baugruppe vorhandenen Mikroprozessors, der über einen IEEE1149.1 kompatiblen JTAG Port erreichbar ist. Die Grundlage der neuartigen Technologie sind spezielle Beschreibungen für die Mikroprozessoren, bezeichnet als VarioTAP-Modelle. Die VarioTAP-Modelle enthalten die gesamte Funktionalität für einen Prozessor. Der an dieser Stelle möglichen Vielfalt sind keine Grenzen durch das System gesetzt. Damit wird die Programmierung der internen Flash­komponenten (Std. IEEE1532) von Mikroprozessoren so vereinfacht, dass sie in die bisherige Komponente zur automatischen Flashprogrammgenerierung integriert werden konnte. Der Erfolg des Boundary Scan Standards IEEE1149.1 hat alle daran Beteiligten zu vielen neuen Ideen angeregt, das Testverfahren noch besser und noch grenzenloser zu machen. Die Welt des Boundary Scan ist demnach geprägt vom kommenden Einsatz existierender Standards sowie der Vorstellung neuer Standards. Beispielhaft sollen an dieser Stelle genannt werden:
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IEEE1149.4 zum Testen von analogen und Mixed-Signal Netzwerken
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IEEE1149.6 für A/C-gekoppelte Signale und differentielle Verbindungen
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IEEE1149.7 Standard für reduzierte Pinanzahl und erweiterte Funktionalität des Test Access Port

und der Boundary Scan-Architektur
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IEEE1149.8.1 Verbindungstest zu BScan und Non-BScan IC-Pins
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IEEE1500 Testen von Embedded Cores
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IEEEP1687 Zugriff auf und Kontrolle von Embedded Instruments
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IEEEP1581 Verbindungstest zu NonB-Scan ICs
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SJTAG Kommandosprache für Systemtests, Standardisierung von Daten und Formaten

Autor: Thomas Wenzel, Geschäftsführer JTAG/Boundary Scan und Automatische Inspektion (AOI/AXI bei Göpel electronic)