Motivation

„Das Prüfen der Beschaffenheit der Umwelt ist einer der Naturinstinkte aller höheren Lebewesen und ist eine Voraussetzung für deren Überlebensfähigkeit. Der Mensch als höchstentwickeltes Geschöpf ist von der Natur mit Sinnesorganen ausgestattet, die ihn befähigen, in der natürlichen Umwelt zu überleben. Der Mensch besitzt jedoch keineswegs die besten Sinnesorgane – viele Lebewesen haben Sensoren, die die des Menschen an Empfindlichkeit, Auflösungsvermögen, Bandbreite, Störresistenz usw. übertreffen. Die Überlegenheit des Menschen gegenüber anderen Lebewesen ist also kaum durch die hohe Qualität seiner Meßfühler zu erklären – es ist vielmehr die Kombination von Sinnesorganen und Intelligenz, die ihm den Vorsprung verschafft." [Weyerer & Goldemund, 1988, S. 19]

Die Komplexität elektronischer Bauteile ist in den letzten Jahren gewaltig gestiegen und zeigt weiterhin erhebliche Zuwachsraten. Der Mensch überträgt lebenswichtige Funktionen elektrischen Systemen, so daß die Anforderungen an die Funktionssicherheit als Qualitätsmerkmal steigt. Es ist daher verständlich, daß objektive Maßnahmen für die Qualität einer elektronischen Schaltung gesucht werden – Schaltungen müssen testbar sein.

Es gibt viele Möglichkeiten des Testens [Wojtkowiak, 1988] [Wunderlich, 1990]. Eine testbare Schaltung kann heutzutage jedoch nur dann wirtschaftlich entwickelt werden, wenn bereits auf der höchsten Abstraktionsebene die Testerzeugung und Testdurchführung berücksichtigt werden. Und da es dem Menschen an leistungsfähigen „Meßfühlern" fehlt, muß er „intelligent" seinen Entwurf mit testbarkeitserhöhenden Maßnahmen ausstatten. Doch wie immer diese Maßnahmen aussehen, absolute Fehlerfreiheit kann bei komplexeren Schaltungen nie gewährleistet werden. Während bei einfachen Schaltungen alle möglichen Fehlerzustände getestet werden können, ist dies bei einer Schaltung mit mehreren Millionen Transistoren pro Chip nicht möglich; vielmehr muß der Zustandsraum durch vereinfachte Modellannahmen reduziert werden. Der Test aller Fehlerzustände würde trotz des Einsatzes von Hochleistungsrechnern mehrere „Erdalter" in Anspruch nehmen.

Eines der wichtigsten Verfahren zur Verbesserung der Testbarkeit ist die Prüfpfad-Technik. Alle internen Speicherelemente werden durch einen seriellen Pfad und zusätzlicher Logik miteinander verbunden. Es entsteht ein Schieberegister und mehrere Schaltnetze. Diese können nun unabhängig voneinander getestet werden; der Zustandsraum möglicher Fehlerkombinationen wird verringert; die internen Speicherelemente werden zu erreichbaren Knoten. Im Testbetrieb werden über mehrere Taktzyklen, je nach Anzahl der Speicherelemente, der serielle Pfad in einen bestimmten Zustand versetzt. Dann wird ein Taktzyklus im Normalbetrieb durchlaufen und anschließend wieder im Testbetrieb die Zustände aller Speicherelemente über mehrere Taktzyklen ausgelesen. Im normalen Arbeitsbetrieb übernehmen die einzelnen Flipflops und Register ihre üblichen Funktionen, vollkommen losgelöst vom Test.

Eine Baugruppe kann aus mehreren solchen hochintegrierten Schaltungen bestehen, die auf einer Leiterplatte montiert sind. Der Test der Baugruppe besteht aus der Lösung von drei Teilaufgaben:

a) Überprüfung der Funktion jedes einzelnen Moduls;
b) Überprüfung der Verbindung zwischen den Modulen;
c) Überprüfung der Gesamtfunktion der Schaltung. [Wunderlich, 1990, S. 214]

Der Baugruppentest wird jedoch erschwert, wenn die eingesetzten Schaltungen keine Testhilfen enthalten oder diese nicht aufeinander abgestimmt sind. Da zumeist Chips von unterschiedlichen Herstellern verwendet werden, ist eine Standardisierung der Testhilfen notwendig. Auf Initiative der Firma Philips wurde daraufhin 1985 die Joint Test Action Group (JTAG) gegründet, die aus mehreren Halbleiter-Firmen aus Europa und Nordamerika bestand. Die Vereinigung verfolgte das Ziel, eine gemeinsame, standardisierte Testschnittstelle der Chips zu schaf-fen. Basierend auf den Vorschlägen der JTAG war es schließlich der Ingenieurverband IEEE, der unter der Bezeichnung IEEE Std 1149.1 den Standard Boundary-Scan definierte.

Boundary-Scan wurde so zu einer weit verbreiteten Testhilfe. Sie gehört zur Familie der Prüf-pfad-Techniken. Die Ein- und Ausgänge (Boundary = Grenze) einer Schaltung werden durch zusätzliche Logik zu einem seriellen Pfad aufgebaut, der nur im Testbetrieb aktiv ist. Die Steuerung des Testbetriebes übernimmt ein zusätzlicher Controller, der von außen über vier externe Anschlüsse – dem sogenannten „Test Access Port" (TAP) – zugänglich ist. Unterstützen mehrere Schaltungen einer Baugruppe diese Boundary-Scan Testmethode, so können diese Bausteine seriell zu einem Bus verknüpft werden. Damit wird es ermöglicht, ganze Bauteilgruppen bzw. bestückte Leiterplatten zu testen.

Boundary-Scan hat also einen großen Vorteil gegenüber anderen Hardware-Entwurfsmustern: Es handelt sich um eine standardisierte Entwurfsstrategie. Deshalb ist die Konzeption eines Hardware-Musterbuchs auf der Basis dieses Musters sehr sinnvoll. Demgegenüber erfordert das Identifizieren, Definieren und Standardisieren weiterer Hardware-Entwurfsmuster noch erhebliche Pionierarbeit.