JTAG-SVF文件完整教程

SVF文件完整教程：从入门到精通

术语表

在开始学习之前，先了解这些重要术语的含义：

基础术语

• SVF - Serial Vector Format，串行向量格式，用于描述JTAG操作的标准文件格式
• JTAG - Joint Test Action Group，联合测试行动组，一种标准的测试和调试接口
• TAP - Test Access Port，测试访问端口，JTAG设备的标准接口

信号线术语

• TCK - Test Clock，测试时钟信号
• TMS - Test Mode Select，测试模式选择信号
• TDI - Test Data In，测试数据输入信号
• TDO - Test Data Out，测试数据输出信号
• TRST - Test Reset，测试复位信号（可选）

寄存器术语

• IR - Instruction Register，指令寄存器，用于接收和存储指令码
• DR - Data Register，数据寄存器，用于数据传输和操作
• HIR - Header Instruction Register，指令寄存器头部数据
• HDR - Header Data Register，数据寄存器头部数据
• TIR - Trailer Instruction Register，指令寄存器尾部数据
• TDR - Trailer Data Register，数据寄存器尾部数据

操作术语

• SIR - Shift Instruction Register，移位指令寄存器操作
• SDR - Shift Data Register，移位数据寄存器操作
• IDCODE - 设备识别码，用于识别JTAG设备的唯一标识
• BYPASS - 旁路模式，让数据直接通过设备而不进行处理

设备相关术语

• FPGA - Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列
• CPLD - Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件
• Flash - 闪存，用于存储配置数据的非易失性存储器
• ISC - In-System Configuration，在系统配置模式

状态和模式术语

• IDLE - 空闲状态，TAP状态机的基本等待状态
• RESET - 复位状态，TAP状态机的初始状态
• DRPAUSE - 数据寄存器暂停状态
• IRPAUSE - 指令寄存器暂停状态
• RUNTEST - 运行测试状态，执行时钟周期

文件格式术语

• TDI() - 指定输入到设备的数据
• TDO() - 指定期望从设备输出的数据
• MASK() - 指定比较掩码，确定哪些位需要验证
• TCK - 时钟周期数
• SEC - 秒，时间单位
• HZ - 赫兹，频率单位

目录

1. 什么是SVF文件
2. JTAG基础知识
3. SVF文件结构
4. SVF命令详解
5. 多设备JTAG链
6. 实际应用示例
7. 常见问题与解决方案
8. 附录

什么是SVF文件

基本概念

SVF（Serial Vector Format）是一种标准化的文件格式，用于描述JTAG（Joint Test Action Group）测试和编程操作。它是IEEE 1149.1标准的一部分，主要用于：

• 设备编程：将固件烧录到FPGA、CPLD、Flash等设备
• 边界扫描测试：检测电路板连接和器件功能
• 调试和验证：在线调试和系统验证

为什么需要SVF

在没有SVF之前，不同的编程器和测试设备使用各自的格式，导致：

• 兼容性问题
• 移植困难
• 维护成本高

SVF提供了统一的标准，使得同一个文件可以在不同的JTAG设备上使用。

JTAG基础知识

JTAG信号线

JTAG接口包含以下基本信号：

TCK  (Test Clock)     - 测试时钟，同步所有JTAG操作
TMS  (Test Mode Select) - 模式选择，控制TAP状态机
TDI  (Test Data In)   - 测试数据输入
TDO  (Test Data Out)  - 测试数据输出
TRST (Test Reset)     - 测试复位（可选）

TAP状态机

JTAG使用TAP（Test Access Port）状态机控制操作流程：

Test-Logic-Reset → Run-Test/Idle → Select-DR-Scan → Capture-DR → Shift-DR → Exit1-DR → Update-DR
                                 → Select-IR-Scan → Capture-IR → Shift-IR → Exit1-IR → Update-IR

JTAG链连接

多个JTAG设备可以串联形成链：

JTAG控制器 → 设备1 → 设备2 → 设备3 → 返回控制器
           TDI→TDO  TDI→TDO  TDI→TDO

SVF文件结构

文件头部

SVF文件通常以注释开始，描述文件信息：

! Lattice Semiconductor Corp.
! Serial Vector Format (.SVF) File.
! User information:
! Source file: melbourne_swb.svf
! CREATED BY: Diamond Deployment Tool 3.14
! CREATION DATE: Mon Jul 14 19:05:55 2025

链描述

描述JTAG链中的设备：

! Chain description.
!	1	LCMXO3LF-6900C	FLASH Erase,Program,Verify
!	2	LCMXO3LF-6900C	FLASH Erase,Program,Verify
! End chain description

初始化部分

设置JTAG链的基本参数：

! Initialize
HDR 1 TDI(0);        ! Header Data Register长度和默认值
HIR 8 TDI(FF);       ! Header Instruction Register长度和默认值
TDR 0;               ! Trailer Data Register长度
TIR 0;               ! Trailer Instruction Register长度
ENDDR DRPAUSE;       ! DR操作结束后的状态
ENDIR IRPAUSE;       ! IR操作结束后的状态
STATE IDLE;          ! 初始状态

SVF命令详解

基本命令类型

1. SIR (Shift Instruction Register)

向指令寄存器移入数据：

SIR 8 TDI(E0);       ! 移入8位指令0xE0

2. SDR (Shift Data Register)

向数据寄存器移入/移出数据：

SDR 32 TDI(00000000)  ! 移入32位数据
       TDO(612BD043)  ! 期望输出数据
       MASK(FFFFFFFF); ! 比较掩码

3. RUNTEST

控制时钟运行：

RUNTEST IDLE 2 TCK 1.00E-003 SEC;  ! 在IDLE状态运行2个时钟周期，最少1ms

4. STATE

设置TAP状态：

STATE IDLE;          ! 设置为IDLE状态

高级命令

FREQUENCY

设置时钟频率：

FREQUENCY 1.00e+006 HZ;  ! 设置为1MHz

HDR/HIR/TDR/TIR

设置头部和尾部数据：

HDR 1 TDI(0);        ! 数据寄存器头部：1位，值为0
HIR 8 TDI(FF);       ! 指令寄存器头部：8位，值为0xFF

多设备JTAG链

链配置原理

当多个设备串联时，数据需要通过整个链传输：

设备1(8位IR) → 设备2(8位IR) → 设备3(8位IR)
总IR长度 = 8 + 8 + 8 = 24位

设备选择

要操作特定设备，需要：

1. 计算目标设备在链中的位置
2. 设置正确的HDR/HIR/TDR/TIR值
3. 发送适当长度的数据

示例：操作链中第2个设备

! 设置链参数（假设3个8位IR设备）
HIR 8 TDI(FF);       ! 设备3的IR（旁路）
HDR 0;               ! 设备3的DR
TIR 8 TDI(FF);       ! 设备1的IR（旁路）
TDR 0;               ! 设备1的DR

! 操作设备2
SIR 8 TDI(3C);       ! 向设备2发送指令0x3C
SDR 32 TDI(00000000) TDO(12345678) MASK(FFFFFFFF);

🤔 常见疑问解答

疑问1：HIR、HDR、TIR、TDR这些指令是什么意思？

这些是JTAG链配置指令，用于设置头部和尾部数据：

位置关系：

TIR → [目标设备] → HIR
TDR → [目标设备] → HDR

指令含义：

• HIR = Header Instruction Register（头部指令寄存器）
• HDR = Header Data Register（头部数据寄存器）
• TIR = Trailer Instruction Register（尾部指令寄存器）
• TDR = Trailer Data Register（尾部数据寄存器）

实际作用：
当执行 SIR 8 TDI(3C) 时，实际发送的数据流是：

[FF] → [3C] → [FF]
 ↓      ↓      ↓
设备3   设备2   设备1
(HIR)  (目标)  (TIR)

可以把这些指令想象成**“包装纸”**：

原始数据：     [3C]
加上包装：  [FF][3C][FF]
           ↑   ↑   ↑
          HIR 目标 TIR

疑问2：JTAG链中如何指定操作哪个设备？

关键理解：JTAG链中无法直接指定某个设备，而是通过数据位置来控制！

数据传输原理：

控制器 → 设备1 → 设备2 → 设备3 → 控制器
  TDI    TDI→TDO  TDI→TDO  TDI→TDO    TDO

数据是串行传输的，每个设备按顺序接收对应位置的数据：

发送的数据：[设备3数据][设备2数据][设备1数据]
           ↓
设备1接收：[设备1数据] ← 最后8位
设备2接收：[设备2数据] ← 中间8位
设备3接收：[设备3数据] ← 最前8位

设备选择策略：

1. 旁路非目标设备：给不需要操作的设备发送0xFF（BYPASS指令）
2. 激活目标设备：给需要操作的设备发送实际指令
3. 数据路由：后续的数据操作只会与激活的设备交互

实际示例：

! 要操作设备2，实际发送24位数据（3个设备×8位IR）
HIR 8 TDI(FF);       ! 这8位发给设备3（旁路指令）
TIR 8 TDI(FF);       ! 这8位发给设备1（旁路指令）
SIR 8 TDI(3C);       ! 这8位发给设备2（实际操作指令）

! 等效于：
SIR 24 TDI(FF3CFF);  ! FF给设备3，3C给设备2，FF给设备1

疑问3：IR（指令寄存器）是什么？

IR的基本概念：
IR是Instruction Register（指令寄存器），是JTAG设备内部的特殊寄存器。

IR的作用：

1. 接收指令 - 告诉设备要执行什么操作
2. 控制设备模式 - 决定设备进入哪种工作状态
3. 选择数据路径 - 确定后续的数据操作针对哪个内部寄存器

工作原理：

JTAG控制器 → [指令码] → 设备的IR → 设备执行相应操作

常见指令示例：

• 发送0xE0到IR → 设备进入"读取ID"模式
• 发送0x3C到IR → 设备进入"读取状态"模式
• 发送0x70到IR → 设备进入"编程"模式
• 发送0xFF到IR → 设备进入"旁路"模式

IR长度的含义：

• 8位IR = 指令寄存器宽度为8位
• 可支持 2^8 = 256 种不同指令
• 每次发送指令需要8位数据

在JTAG链中的影响：

设备1(8位IR) → 设备2(8位IR) → 设备3(8位IR)
总IR长度 = 8 + 8 + 8 = 24位

要向设备2发送指令0x3C，需要发送24位数据：

[设备3的指令8位] + [设备2的指令8位] + [设备1的指令8位]
= [0xFF] + [0x3C] + [0xFF] = 0xFF3CFF

实际应用示例

1. 设备ID检查

验证设备是否正确连接：

! 读取设备ID
SIR 8 TDI(E0);       ! IDCODE指令
SDR 32 TDI(00000000)
       TDO(612BD043)  ! 期望的设备ID
       MASK(FFFFFFFF);

2. Flash擦除

擦除设备内部Flash：

! 使能Flash操作
SIR 8 TDI(C6);       ! ISC_ENABLE指令
SDR 8 TDI(00);
RUNTEST IDLE 2 TCK 1.00E-003 SEC;

! 擦除Flash
SIR 8 TDI(0E);       ! ISC_ERASE指令
SDR 8 TDI(0E);       ! 擦除命令
RUNTEST IDLE 2 TCK 30.0 SEC;  ! 等待擦除完成

💡 实际案例：多设备Flash操作

以melbourne_swb.svf文件为例，该文件包含2个LCMXO3LF-6900C设备的Flash编程。

操作第1个设备：

! 配置JTAG链 - 操作设备1
HDR 1 TDI(0);        ! 头部DR：1位，值为0
HIR 8 TDI(FF);       ! 头部IR：8位，值为FF（设备2进入旁路）
TDR 0;               ! 尾部DR：0位
TIR 0;               ! 尾部IR：0位（设备1后面没有设备）

! 检查设备1的ID
SIR 8 TDI(E0);       ! IDCODE指令
SDR 32 TDI(00000000) TDO(612BD043) MASK(FFFFFFFF);

! 使能设备1的Flash操作
SIR 8 TDI(C6);       ! ISC_ENABLE指令
SDR 8 TDI(00);
RUNTEST IDLE 2 TCK 1.00E-003 SEC;

! 擦除设备1的Flash
SIR 8 TDI(0E);       ! ISC_ERASE指令
SDR 8 TDI(01);
RUNTEST IDLE 2 TCK 1.00E+000 SEC;

! 编程设备1...

切换到第2个设备：

! 重新配置JTAG链 - 操作设备2
HDR 0;               ! 头部DR：0位
HIR 0;               ! 头部IR：0位（设备2后面没有设备）
TDR 1 TDI(0);        ! 尾部DR：1位，值为0
TIR 8 TDI(FF);       ! 尾部IR：8位，值为FF（设备1进入旁路）

! 检查设备2的ID
SIR 8 TDI(E0);       ! IDCODE指令
SDR 32 TDI(00000000) TDO(612BD043) MASK(FFFFFFFF);

! 使能设备2的Flash操作
SIR 8 TDI(C6);       ! ISC_ENABLE指令
SDR 8 TDI(00);
RUNTEST IDLE 2 TCK 1.00E-003 SEC;

! 擦除设备2的Flash
SIR 8 TDI(0E);       ! ISC_ERASE指令
SDR 8 TDI(01);
RUNTEST IDLE 2 TCK 1.00E+000 SEC;

! 编程设备2...

关键理解：

1. 设备切换：通过重新配置HDR/HIR/TDR/TIR参数来切换目标设备
2. 旁路机制：非目标设备接收0xFF指令进入旁路模式
3. 相同操作：对每个设备执行相同的Flash操作序列
4. 独立编程：每个设备有独立的配置数据和验证过程

这就是为什么多设备SVF文件通常很长 - 它包含了每个设备的完整编程序列！

3. 数据编程

向设备写入数据：

! 设置地址
SIR 8 TDI(46);       ! LSC_INIT_ADDRESS指令
SDR 8 TDI(04);       ! 起始地址
RUNTEST IDLE 2 TCK 1.00E-003 SEC;

! 编程数据
SIR 8 TDI(70);       ! LSC_PROG_INCR_NV指令
SDR 128 TDI(036000000040000000DCFFFFCDBDFFFF);  ! 128位数据
RUNTEST IDLE 2 TCK 1.00E-002 SEC;

4. 状态检查

检查操作是否成功：

! 读取状态寄存器
SIR 8 TDI(3C);       ! LSC_READ_STATUS指令
RUNTEST IDLE 2 TCK 1.00E-003 SEC;
SDR 32 TDI(00000000)
       TDO(00000000)  ! 期望状态（无错误）
       MASK(00003000); ! 只检查错误位

常见问题与解决方案

1. 设备ID不匹配

问题：读取的设备ID与期望不符
解决方案：

• 检查JTAG连接
• 确认设备型号
• 检查电源和时钟

2. 编程失败

问题：数据写入失败
解决方案：

• 检查设备是否已解锁
• 确认擦除操作完成
• 验证时序参数

3. 多设备链问题

问题：无法正确操作链中特定设备
解决方案：

• 重新计算链长度
• 检查HDR/HIR/TDR/TIR设置
• 验证设备顺序

4. 时序问题

问题：操作超时或时序错误
解决方案：

• 降低时钟频率
• 增加等待时间
• 检查信号完整性

深入理解：SIR和HIR的区别

SIR (Shift Instruction Register)

SIR是实际的指令操作命令，用于：

• 向目标设备发送具体指令
• 控制设备进入特定操作模式
• 每次SIR操作都会影响设备状态

SIR 8 TDI(E0);       ! 发送IDCODE指令到设备

HIR (Header Instruction Register)

HIR是链配置参数，用于：

• 定义指令寄存器的头部数据
• 在多设备链中正确路由指令
• 不是实际的操作命令，而是配置信息

HIR 8 TDI(FF);       ! 设置8位头部，值为0xFF（通常是旁路指令）

关键区别

1. 功能不同：SIR执行操作，HIR配置链
2. 使用场景：SIR用于单个操作，HIR用于链设置
3. 数据含义：SIR是具体指令，HIR通常是旁路指令(0xFF)

高级主题

1. 边界扫描测试

边界扫描是JTAG的重要应用，用于测试电路板连接：

! 加载边界扫描指令
SIR 8 TDI(1C);       ! PRELOAD指令

! 设置测试向量
SDR 664 TDI(FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF...);  ! 设置所有引脚为高电平

! 执行测试
SIR 8 TDI(1D);       ! SAMPLE指令
SDR 664 TDI(00000000...) TDO(期望值) MASK(掩码);

2. 在线调试

SVF也可用于在线调试：

! 设置断点
SIR 8 TDI(DEBUG_CMD);
SDR 32 TDI(断点地址);

! 读取寄存器
SIR 8 TDI(REG_READ);
SDR 32 TDI(寄存器地址) TDO(期望值);

! 单步执行
SIR 8 TDI(STEP_CMD);
RUNTEST IDLE 10 TCK;

3. 安全特性

现代设备常包含安全特性：

! 检查保护状态
SIR 8 TDI(3C);       ! READ_STATUS
SDR 32 TDI(00000000)
       TDO(00000000)
       MASK(00000020);   ! 检查保护位

! 解锁设备（如果需要）
SIR 8 TDI(UNLOCK_CMD);
SDR 128 TDI(密钥数据);

实用工具和技巧

1. SVF文件验证

验证SVF文件语法的方法：

• 使用专业JTAG工具的语法检查
• 检查指令和数据长度匹配
• 验证时序参数合理性

2. 性能优化

优化SVF执行速度：

! 使用合适的频率
FREQUENCY 10.0E6 HZ;  ! 10MHz，根据设备能力调整

! 减少不必要的等待
RUNTEST IDLE 1 TCK;   ! 最小等待时间

! 批量操作
SIR 8 TDI(70);        ! 编程指令
SDR 128 TDI(数据1);
SDR 128 TDI(数据2);   ! 连续编程，无需重复发送指令
SDR 128 TDI(数据3);

3. 错误处理

添加错误检查机制：

! 操作前检查
SIR 8 TDI(3C);        ! 状态检查
SDR 32 TDI(00000000) TDO(00000000) MASK(错误掩码);

! 操作
SIR 8 TDI(操作指令);
SDR 数据长度 TDI(数据);

! 操作后验证
SIR 8 TDI(3C);        ! 再次状态检查
SDR 32 TDI(00000000) TDO(成功状态) MASK(状态掩码);

设备特定的SVF模式

1. FPGA编程模式

不同FPGA厂商的SVF特点：

Xilinx设备：

! Xilinx特有的配置序列
SIR 6 TDI(09);        ! CFG_IN指令
SDR 配置数据长度 TDI(比特流数据);

Intel/Altera设备：

! Intel特有的配置序列
SIR 10 TDI(002);      ! PROGRAM指令
SDR 1 TDI(1);         ! 开始配置

Lattice设备（如您的文件）：

! Lattice特有的Flash编程
SIR 8 TDI(C6);        ! ISC_ENABLE
SIR 8 TDI(0E);        ! ISC_ERASE
SIR 8 TDI(70);        ! LSC_PROG_INCR_NV

2. 微控制器调试模式

! ARM Cortex调试
SIR 4 TDI(E);         ! DEBUG指令
SDR 35 TDI(调试命令和地址);

! 读取调试寄存器
SDR 35 TDI(00000000000) TDO(期望数据);

故障排除指南

1. 常见错误代码

理解设备返回的错误状态：

! 状态位含义（以Lattice为例）
! Bit 0: BUSY - 设备忙
! Bit 1: FAIL - 操作失败
! Bit 2: FEA  - 特性错误
! Bit 3: ENC  - 加密错误
! Bit 4: PROT - 保护错误

2. 调试步骤

系统化的故障排除方法：

1. 基础连接检查

! 最简单的连接测试
STATE RESET;
STATE IDLE;
SIR 8 TDI(FF);        ! 旁路指令
SDR 1 TDI(1) TDO(1);  ! 应该返回1

2. 设备识别

! 读取设备ID
SIR 8 TDI(E0);
SDR 32 TDI(00000000) TDO(设备ID);

3. 逐步验证

! 分步骤验证每个操作
SIR 8 TDI(指令1);
! 检查状态
SIR 8 TDI(指令2);
! 再次检查状态

总结

SVF文件是JTAG操作的标准化描述格式，掌握其结构和命令对于硬件调试和编程至关重要。通过理解JTAG基础、SVF命令和多设备链操作，您可以：

1. 读懂现有的SVF文件
2. 修改SVF文件以适应不同需求
3. 调试JTAG相关问题
4. 优化编程和测试流程
5. 处理复杂的多设备系统
6. 实现高级调试和测试功能

记住，实践是最好的学习方式。建议从简单的单设备操作开始，逐步掌握复杂的多设备链操作。同时，不同厂商的设备可能有特定的指令和时序要求，需要参考相应的技术文档。

进一步学习资源

• IEEE 1149.1标准文档
• 设备厂商的JTAG编程指南
• 专业JTAG工具的用户手册
• 在线JTAG社区和论坛

附录A：常用SVF指令参考

基础指令

链配置指令

附录B：常见设备指令码

Lattice LCMXO3系列

Xilinx 7系列FPGA

Intel/Altera Cyclone系列

附录C：状态寄存器位定义

Lattice设备状态位

位31-16: 保留
位15: CFG_SPD - 配置速度
位14: CFG_MODE - 配置模式
位13: DONE - 配置完成
位12: ISC_ENABLE - ISC使能
位11: WRITE_ENABLE - 写使能
位10: READ_LOCK - 读锁定
位9: WRITE_LOCK - 写锁定
位8: PWD_ENABLE - 密码使能
位7: ENCRYPT_ENABLE - 加密使能
位6: DONE_EX - 扩展完成
位5: PWD_PROTECT - 密码保护
位4: ENCRYPT_ONLY - 仅加密
位3: BUSY - 忙状态
位2: FAIL - 失败状态
位1: FEA - 特性错误
位0: BSE - 边界扫描错误

附录D：时序参数指南

典型时序值

设备特定时序

! 快速设备
FREQUENCY 25.0E6 HZ;
RUNTEST IDLE 1 TCK 1.0E-6 SEC;

! 标准设备
FREQUENCY 10.0E6 HZ;
RUNTEST IDLE 2 TCK 1.0E-3 SEC;

! 慢速设备
FREQUENCY 1.0E6 HZ;
RUNTEST IDLE 10 TCK 1.0E-2 SEC;

附录E：实用脚本示例

1. 设备检测脚本

! 通用设备检测
STATE RESET;
STATE IDLE;

! 尝试读取ID
SIR 8 TDI(E0);
SDR 32 TDI(00000000);
! 如果成功，设备存在且响应

2. 链长度检测

! 检测链中设备数量
STATE RESET;
STATE IDLE;

! 发送全1到IR
SIR 1000 TDI(FFFFFFFFFFFFFFFF...);
! 发送全0
SIR 1000 TDI(00000000000000000...);
! 计算返回的1的数量确定链长度

3. 快速编程模板

! 快速编程模板
FREQUENCY 20.0E6 HZ;

! 1. 设备识别
SIR 8 TDI(E0);
SDR 32 TDI(00000000) TDO(设备ID) MASK(FFFFFFFF);

! 2. 使能编程
SIR 8 TDI(C6);
SDR 8 TDI(00);

! 3. 擦除
SIR 8 TDI(0E);
SDR 8 TDI(0E);
RUNTEST IDLE 2 TCK 30.0 SEC;

! 4. 编程循环
SIR 8 TDI(46);
SDR 8 TDI(04);
SIR 8 TDI(70);
! 重复SDR命令进行数据编程

! 5. 验证
SIR 8 TDI(3C);
SDR 32 TDI(00000000) TDO(00000000) MASK(00003000);