📚 课程目录第4章边界扫描寄存器（BSR）

4. 边界扫描寄存器（BSR）：BSR结构、边界扫描单元（BSC）、输入/输出/控制单元

边界扫描寄存器（Boundary-Scan Register, BSR）是 IEEE 1149.1 标准中最重要的数据寄存器之一。它由一组串联的边界扫描单元（Boundary-Scan Cell, BSC）构成，这些单元被放置在芯片的每个数字功能引脚与内部核心逻辑之间。BSR 的核心作用是在测试模式下，实现对芯片输入/输出状态的捕获（Capture）、移位（Shift）和更新（Update），从而在不依赖物理探针的情况下完成板级互连测试。

4.1 BSR 整体结构

BSR 是一个串行移位寄存器链，其长度等于芯片上所有数字 I/O 引脚的数量（包括双向引脚和控制引脚）。每个引脚对应一个 BSC。在测试模式（如 EXTEST）下，BSR 串联在 TDI 和 TDO 之间，形成一条从芯片边界到边界的扫描路径。

  结构要点：
  串联拓扑：所有 BSC 首尾相连，数据从 TDI 输入，经每个 BSC 移位后从 TDO 输出。
并行接口：每个 BSC 同时与芯片内部核心逻辑（System Logic）和外部引脚（Pad）相连。
模式控制：通过 TAP 控制器产生的时钟（TCK）和模式信号（Mode）控制 BSC 的工作状态。

4.2 边界扫描单元（BSC）结构

边界扫描单元（BSC）是 BSR 的基本组成单元。标准定义了多种 BSC 类型，以适应输入、输出、双向和控制引脚的不同需求。一个典型的 BSC 包含两个主要的锁存器：捕获/移位寄存器（Capture/Shift Register）和更新寄存器（Update Register）。

典型 BSC 内部组件
组件	功能描述	时钟域
捕获/移位寄存器	在 Capture-DR 状态下捕获引脚或核心逻辑的数据；在 Shift-DR 状态下将数据沿 BSR 链移位。	TCK（上升沿）
更新寄存器	在 Update-DR 状态下锁存来自捕获/移位寄存器的数据，并驱动到输出引脚或核心逻辑。	TCK（下降沿）
多路选择器（MUX）	根据 TAP 控制器的模式信号，选择正常功能数据或测试数据路径。	组合逻辑

设计要点：更新寄存器在 TCK 的下降沿动作，而捕获/移位寄存器在上升沿动作，这种“双沿”设计确保了数据在移位和更新阶段不会相互干扰，是 BSC 稳定工作的关键。

捕获（Capture-DR）： 核心逻辑数据或引脚数据被加载到捕获/移位寄存器。 2. 移位（Shift-DR）： 数据沿 BSR 链从 TDI 向 TDO 移位，同时新数据从 TDI 注入。 3. 更新（Update-DR）： 捕获/移位寄存器中的数据被锁存到更新寄存器，并驱动到输出。 4. 正常模式： MUX 选择核心逻辑数据直通，BSC 对功能无影响。

4.3 输入/输出/控制单元

根据引脚类型的不同，BSC 的实现方式也有所差异。标准定义了三种主要的 BSC 类型，分别对应输入、输出和控制引脚。

4.3.1 输入单元

输入 BSC 用于捕获来自外部引脚的数据，并将其传递给芯片核心逻辑。在测试模式下，它可以观察（Observe）外部信号，而不影响核心逻辑的正常接收。

数据流： 引脚 → 捕获寄存器 → 核心逻辑（正常模式）或 BSR 链（测试模式）。
典型应用： 在 EXTEST 指令下，捕获来自相邻芯片的输出信号，用于互连测试。

4.3.2 输出单元

输出 BSC 用于将核心逻辑的数据驱动到外部引脚。在测试模式下，它可以控制（Control）引脚状态，将测试向量施加到互连线上。

数据流： 核心逻辑 → 更新寄存器 → 引脚（正常模式）；BSR 链 → 更新寄存器 → 引脚（测试模式）。
典型应用： 在 EXTEST 指令下，通过 BSR 链将测试向量（如 0/1 序列）驱动到输出引脚。

4.3.3 控制单元

控制 BSC 通常用于双向引脚或三态输出。它包含一个额外的控制寄存器，用于决定输出驱动器的使能状态（高阻、驱动高、驱动低）。

三种 BSC 单元对比
特性	输入单元	输出单元	控制单元
主要功能	观察外部信号	驱动内部信号到外部	控制输出使能/方向
捕获数据来源	外部引脚	核心逻辑	核心逻辑或 BSR 链
更新数据去向	核心逻辑	外部引脚	输出使能端
典型指令	EXTEST, SAMPLE	EXTEST	EXTEST, HIGHZ

工程注意事项： 对于双向引脚，通常需要两个 BSC：一个用于输出数据，另一个用于控制输出使能。在 PCB 测试中，必须确保控制单元正确配置，避免总线冲突（如两个输出同时驱动同一网络）。

4.4 BSR 在测试中的应用流程

以典型的板级互连测试（EXTEST）为例，BSR 的工作流程如下：

加载指令： 通过 TAP 控制器将 EXTEST 指令移入指令寄存器。
捕获数据： 在 Capture-DR 状态下，所有输入 BSC 捕获外部引脚状态，所有输出 BSC 捕获核心逻辑状态。
移位数据： 在 Shift-DR 状态下，将捕获的数据通过 TDO 移出，同时从 TDI 移入新的测试向量。
更新数据： 在 Update-DR 状态下，将新测试向量锁存到输出 BSC 的更新寄存器，驱动到外部引脚。
重复执行： 重复步骤 2-4，完成所有测试向量的施加和响应采集。

  关键指标：
  测试覆盖率： 通过 BSR 链，可以 100% 覆盖所有数字 I/O 引脚的互连故障（如开路、短路、桥接）。
测试时间： 与 BSR 链长度成正比。链越长，移位所需 TCK 周期数越多。
诊断精度： 可精确定位到单个引脚级别的故障，极大简化板级调试。

通过以上结构和工作流程，边界扫描寄存器（BSR）为板级测试提供了一种高效、标准化的解决方案，是现代复杂 PCB 和系统级测试不可或缺的核心组件。