この記事でわかること
・JTAG回路の設計方法がわかる
・複数デバイスのJTAG配線について
・接続機器と基板を絶縁する方法
CPUやFPGA等のデバイスを搭載した基板に対して、
プログラム書込みや、デバック等の目的で、
デバイスにアクセスする手段としてJTAGが用いられます。
JTAGの名称は、規格を制定した団体名
「Joint Test Action Group」からきています。
JTAGの信号は、4つの基本信号と、
オプションのTRST信号から構成されます。
TCK(Test Clock)：クロック
TDI(Test Data In)：データ入力
TDO(Test Data Out)：データ出力
TMS(Test Mode Select)：状態制御
TRST (Test Reset) ：リセット
しかし、コネクタのピン配置や電圧レベルは
規格で定義されていない為、
各デバイスメーカーが独自で定めています。
このため、JTAG回路の設計をする際は、
デバイスのマニュアル等を参照しますが、
詳しく記載されていない事が多いです。
本記事では、JTAG回路の設計方法と、
基板にデバイスを複数搭載する場合、
配線をどのようにすれば良いか解説します。
JTAG回路の設計方法
JTAG回路の基本回路は以下になります。
基板に搭載されるデバイスが1個で、
JTAGコネクタとのパターン長が短い場合です。
接続する外部機器（デバッカ等）からの出力パワーだけでは
電圧レベルが不安定になる場合があるので、
各信号には4.7k～10kΩのプルアップ抵抗を接続します。
但し、TRST信号はデバイスによっては、
プルダウンする必要があるので注意して下さい。
（ルネサス、テキサスインスツルメンツ製マイコンなど）
理由ですが、デバック以外（通常動作特）は
TRSTをLレベルにしないといけない為、
プルダウンによりJTAG未接続時はLレベルに固定します。
通常動作で、ノイズによる誤動作を防ぐため、
プルダウンの抵抗値は小さい方が良いです。
しかし、抵抗値が小さいと、今度はデバック時に
デバッカの出力がＨレベルを維持できなくなり、
僅かなノイズでも通信エラーが起きるので注意して下さい。
＜ノイズに強いJTAG回路＞
外部機器からの信号は配線長やノイズの影響等で
信号波形が歪み、通信エラーが起きやすくなります。
このため、パターン長が長い場合（15cm以上）や、
パワー回路等のノイズが大きくなる事が予想される場合は、
バッファICを経由させます。
バッファICをつけることで、JTAG信号の波形の歪みが低減し、
通信エラーが起きにくくなります。
私の考えですが、
マイコンの入出力を直接基板外に出すのはお勧めしません。
外来ノイズ等によるマイコンの誤動作や故障を避けるため、
JTAG信号に限らず、基板外への入出力信号については、
バッファICをつけるようにしています。
マイコンからの入出力回路の設計については、
下記で解説しています。
複数デバイスのJTAG接続方法
基板上に複数のデバイスを搭載する場合、
下図のように配線します。
＜TDIとTDO＞
・JTAGコネクタからのTDIは1番目のデバイスのみ接続
・1番目のデバイスのTDOを2番目のデバイスのTDIに接続
以降、前段デバイスのTDOを後段のTDIに繋ぐ
・最終段デバイスからのTDOはJTAGコネクタから出力
このように複数のデバイスを数珠繋ぎに接続する方法を
デイジーチェーン（daisy chain ※1）と呼びます。
※1 ：ヒナギクで作った花輪に似ていることからこのように呼ぶ。
＜TCK、TMS、TRST＞
これらは共通信号なので、デイジーチェーン接続せずに、
各デバイスにぞれぞれ接続します。
この3信号については、配線が長くなるため、
信号波形の劣化に注意する必要があります。
対策としては、図のように一筆書きになるように
パターンを配線します。
そして、JTAGコネクタとデバイス間にバッファICを入れます。
また、波形が歪む等の問題があった場合に備え、
以下の対策ができるようにパターンを設けておきます。
・最終段デバイスのTDOの近くにダンピング抵抗を設ける
（目安として22Ω～68Ω程度）
・最終段デバイスのTCKの近くに
終端抵抗とコンデンサを設ける
（目安として68Ω～220Ω、22pF～100pFで波形を見ながら調整）
これらの部品は最初は実装せず、
通信が安定しない場合に信号波形を見ながら定数を決めます。
絶縁型JTAG回路の設計方法
生産現場でのソフト書き込みでは、
基板と接続する外部機器を絶縁したい場合があります。
このような場合、アイソレータを中継させることで、
基板回路とJTAG接続する回路を絶縁することができます。
ここではテキサスインスツルメンツ製
デジタル・アイソレータを使用して、
JTAG接続機器とマイコンを絶縁しています。
このアイソレータの電源電圧は
2.25～5.5Vまで対応できるので、
外部機器の電源電圧に合わせて使用できます。
この時、アイソレータの電源は外部機器からと、
基板の内部電源の両方から供給する必要があります。
JTAGコネクタの信号配置の注意点
コネクタのピン配置については、
基本的にはデバイスやデバッカ等の
マニュアルに記載の通りに行います。
ピン数は10、14、20ピンと様々で、
ピッチも標準の2.54mmだけでなく、
更にピッチの小さいデバッカもあります。
コネクタについては、搭載スペースを小さくしたいところですが、
あまり小さいピッチだと、ピンが細いため、
挿抜を繰り返した際にピンが曲がって
コネクタが入らなくなったりするので、
2.54㎜ピッチが良いです。
ピンの割り当てを独自に設定する場合は、
奇数ピンを信号線、偶数ピンをGNDにします。
こうすることで、フットケーブルでは、
信号とGND線が交互に配置され、
クロストークの影響を低減することができます。
また、GND線を多く設けることで、
デバッカと基板間のGNDを安定化でき、
ノイズに強くなります。
コネクタの極数を減らしたい場合や、
他の信号線を入れる都合上、
1個おきにGNDを割り当てるのが難しい場合は、
偶数ピン側に電源ピンVccや、リセット信号TRSTなどの
通信中に変化する頻度が少ないものを割り当てます。
基板側のコネクタは逆差し防止の為、
ボックスタイプが適切ですが、
ヘッダピンを使う際は誤挿入防止対策を取ります。
具体的には、未使用(NC）ピンを1個割り当て、
ケーブル側のコネクタのメスピンを埋めます。
そして、基板側のヘッダピンを抜きピンにします。
また、コネクタの方向は、デバッカのケーブル接続時に
他の部品と干渉しないようにし、フラットケーブルの場合、
ケーブルが引き出される方向も考慮します。
＜以下の記事で、基板の部品交換や修正で役立つ工具類を紹介しています>
