摘要 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)適用于基于EmJTAG的ARM嵌入式系統(tǒng)調(diào)試工具。它首先定義了一個(gè)輕量級(jí)的遠(yuǎn)程調(diào)試協(xié)議EmRDI，用于PC機(jī)與基于EmJTAG的ARM目標(biāo)板之間的交互過(guò)程；然后描述了用意法半導(dǎo)體公司（ST）的ST72651芯片實(shí)現(xiàn)一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器EmJTAG的技術(shù)細(xì)節(jié)。EmJTAG的功能就是將PC機(jī)的調(diào)試命令轉(zhuǎn)換成目標(biāo)板的JTAG時(shí)序信號(hào)，以達(dá)到控制PC機(jī)和調(diào)試目標(biāo)板的目的。

關(guān)鍵詞 EmRDI EmJTAG 邊界掃描 遠(yuǎn)程調(diào)試 協(xié)議轉(zhuǎn)換器

引言

　　ARM嵌入式系統(tǒng)的大致開(kāi)發(fā)流程是：先在PC機(jī)上編寫程序源代碼；由ARM的交叉編譯器編譯、鏈接生成一個(gè)目標(biāo)文件；然后將目標(biāo)文件轉(zhuǎn)化成可以下載到目標(biāo)機(jī)運(yùn)行的二進(jìn)制代碼，在目標(biāo)機(jī)上調(diào)試運(yùn)行；最終將調(diào)試成功的二進(jìn)制文件固化在目標(biāo)機(jī)中。這一系列過(guò)程中，最關(guān)鍵的步驟就是在PC機(jī)上調(diào)試在目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行的程序。這就需要采用遠(yuǎn)程調(diào)試的方式，即在PC機(jī)上運(yùn)行調(diào)試器軟件，被調(diào)試程序在目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行。

　　本文描述了這樣一個(gè)遠(yuǎn)程調(diào)試系統(tǒng)：利用USB批量傳輸?shù)目煽啃?，將遠(yuǎn)程調(diào)試協(xié)議EmRDI的報(bào)文封裝在USB數(shù)據(jù)包中；協(xié)議轉(zhuǎn)換器EmJTAG再根據(jù)接收到的USB數(shù)據(jù)包中的協(xié)議信息，轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)腏TAG信號(hào)來(lái)控制和調(diào)試ARM核。協(xié)議轉(zhuǎn)換器EmJTAG由ST公司的ST72651芯片外加一片接口驅(qū)動(dòng)芯片74LVC244來(lái)實(shí)現(xiàn)。ST72651內(nèi)部集成了USB模塊和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)處理器部件(DTC)，通過(guò)對(duì)DTC的編程來(lái)產(chǎn)生控制ARM核的邊界掃描序列，以產(chǎn)生相應(yīng)的JTAG信號(hào)。

　　文章最終實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)對(duì)ARM核的目標(biāo)機(jī)的調(diào)試功能：PC機(jī)的調(diào)試器軟件可以下載程序至目標(biāo)機(jī)，實(shí)時(shí)控制目標(biāo)機(jī)上代碼的單步/全速運(yùn)行或停止，以及設(shè)置斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)、讀寫寄存器/存儲(chǔ)器等。

1? 系統(tǒng)組成及原理

　　如圖1所示，整個(gè)調(diào)試系統(tǒng)包括三部分： PC機(jī)（調(diào)試器）、協(xié)議轉(zhuǎn)換器（EmJTAG）以及目標(biāo)板（基于ARM核）。調(diào)試的目的是實(shí)現(xiàn)在PC機(jī)上控制目標(biāo)板單步或全速運(yùn)行，并可以實(shí)時(shí)地察看或修改寄存器及存儲(chǔ)器的值。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)遠(yuǎn)程調(diào)試協(xié)議EmRDI，它采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接方式，以請(qǐng)求響應(yīng)的方式進(jìn)行交互。調(diào)試請(qǐng)求由PC機(jī)上的調(diào)試器軟件發(fā)出，經(jīng)由USB總線傳輸至協(xié)議轉(zhuǎn)換器EmJTAG；EmJTAG解讀該協(xié)議請(qǐng)求，在執(zhí)行相應(yīng)的操作之后，以USB數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送回PC機(jī)（即響應(yīng)過(guò)程）。

　　EmRDI協(xié)議定義了如下一些調(diào)試請(qǐng)求： 讀/寫核寄存器、讀/寫存儲(chǔ)器、設(shè)置/清除硬件斷點(diǎn)、設(shè)置/清除軟件斷點(diǎn)、設(shè)置/清除數(shù)據(jù)觀察點(diǎn)、復(fù)位、停止運(yùn)行、全速/單步運(yùn)行和返回處理器狀態(tài)/設(shè)備標(biāo)識(shí)符。經(jīng)驗(yàn)證，這些請(qǐng)求的組合，可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)目標(biāo)機(jī)上ARM核的調(diào)試和控制功能。

　　EmRDI協(xié)議請(qǐng)求格式(16字節(jié))如下：

　　EmRDI協(xié)議響應(yīng)格式(8字節(jié))如下：

　　ARM核的芯片基本上都遵循JTAG規(guī)范，并帶有邊界掃描功能，此類芯片內(nèi)集成了一個(gè)JTAG電路結(jié)構(gòu)。JTAG電路由TAP（測(cè)試訪問(wèn)端口）、TAP控制器、指令寄存器、測(cè)試數(shù)據(jù)寄存器組成。另外，ARM7TDMI核還包含了一個(gè)提供在線調(diào)試支持的EmbeddedICE宏單元。

圖1? 系統(tǒng)框圖

　　EmJTAG和PC機(jī)通過(guò)USB總線連接，與目標(biāo)板則遵循JTAG調(diào)試接口標(biāo)準(zhǔn)。JTAG規(guī)范中，使用稱為“邊界掃描單元”的基本結(jié)構(gòu)。邊界掃描單元將JTAG電路與處理器邏輯電路聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)它可以將一個(gè)輸入信號(hào)加載到處理器邏輯中而不影響邏輯的其他電路，也可以將處理器邏輯的輸出信號(hào)采樣到邊界掃描單元中。若干個(gè)邊界掃描單元構(gòu)成邊界掃描寄存器（BSR），也稱為“邊界掃描鏈”。邊界掃描寄存器的數(shù)據(jù)通過(guò)JTAG接口的TDI引腳和TDO引腳串行移進(jìn)移出。

　　PC機(jī)上需要實(shí)現(xiàn)：EmJTAG的USB驅(qū)動(dòng)程序和調(diào)試器軟件。

　　EmJTAG上需要實(shí)現(xiàn)：USB固件程序和用于產(chǎn)生JTAG信號(hào)的邊界掃描程序。

2? 硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)的硬件部分主要是指協(xié)議轉(zhuǎn)換器EmJTAG的實(shí)現(xiàn)。協(xié)議轉(zhuǎn)換器的功能，就是接收PC機(jī)上調(diào)試器軟件發(fā)送的遠(yuǎn)程調(diào)試協(xié)議信息，將它轉(zhuǎn)換成JTAG時(shí)序信號(hào)發(fā)送到目標(biāo)板，然后把目標(biāo)板的反饋信息或者數(shù)據(jù)返回給PC機(jī)的調(diào)試器軟件。

　　EmJTAG使用意法半導(dǎo)體（ST）公司的ST72651芯片，原理框圖如圖2所示。它集成了1個(gè)全速（12 Mbps）USB接口模塊，1個(gè)時(shí)鐘頻率為24 MHz的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)處理器（DTC），32 KB程序存儲(chǔ)空間，5 KB RAM，硬件I2C和SPI接口，多達(dá)47個(gè)可編程I/O口；工作電壓為2.7~5.5 V，由USB直接供電。

圖2? EmJTAG原理框圖

　　與PC機(jī)通信方面，USB接口部分只需要將DP腳上拉一個(gè)電阻，使PC機(jī)識(shí)別到USB設(shè)備。DTC模塊產(chǎn)生4個(gè)時(shí)鐘信號(hào)作為JTAG時(shí)鐘信號(hào)(TDI、TDO、TMS和TCK)，由I/O口引出，外部再加一個(gè)接口驅(qū)動(dòng)芯片74LVC244，將這4個(gè)信號(hào)連接到標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口上。TAP控制器復(fù)位信號(hào)nTRST和系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)nSRST通過(guò)I/O邏輯直接控制。

　　EmJTAG采用USB供電方式，同時(shí)在TCK引腳上連接一個(gè)指示燈BUSY，顯示系統(tǒng)是否處于忙狀態(tài)。接口驅(qū)動(dòng)芯片74LVC244由內(nèi)部集成的電壓校準(zhǔn)器產(chǎn)生3.3 V來(lái)提供電壓。

3? 軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

　　軟件部分主要包括： PC機(jī)上的調(diào)試器軟件，EmJTAG協(xié)議轉(zhuǎn)換器的PC端驅(qū)動(dòng)程序以及EmJTAG中的固件程序。

3.1? PC機(jī)上的調(diào)試器軟件

　　采用VC++ 6.0 MFC。其主要功能是與EmJTAG的PC端驅(qū)動(dòng)程序通信，將調(diào)試命令通過(guò)USB總線發(fā)送至EmJTAG。

3.2? EmJTAG的PC端驅(qū)動(dòng)程序

　　使用Driverstudio3.1開(kāi)發(fā)Windows下的USB驅(qū)動(dòng)程序，使EmJTAG和PC機(jī)的應(yīng)用程序可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3.3? EmJTAG中的固件程序

　　固件程序使用意法半導(dǎo)體(ST)開(kāi)發(fā)工具STVD7 for InDART STX進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這一部分也是調(diào)試系統(tǒng)最重要的部分，即如何產(chǎn)生JTAG時(shí)序信號(hào)控制ARM核。EmJTAG中的固件分成以下多個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)。

3.3.1? DTC軟件插件程序模塊

圖3? DTC功能框圖

　　DTC功能框圖如圖3所示。DTC是ST72651內(nèi)部集成的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)處理器，也是一個(gè)通用的串行/并行通信接口。通過(guò)改變其內(nèi)運(yùn)行的插件程序，DTC可以方便地完成不同的高速數(shù)據(jù)傳輸操作。插件程序（最大為256字節(jié)）開(kāi)始時(shí)存放在ST72651的Flash中，芯片運(yùn)行的程序會(huì)將插件程序加載到DTC SW RAM中，然后控制DTC運(yùn)行這段插件程序。ST7核也可以讀寫DTC的數(shù)據(jù)傳輸緩沖區(qū)，因此需要有一個(gè)仲裁電路用于防止ST7核和DTC訪問(wèn)該緩沖區(qū)時(shí)發(fā)生沖突。DTC有一套簡(jiǎn)單的指令集。ST7核通過(guò)DTC控制寄存器DTCCR控制DTC的操作，通過(guò)DTC狀態(tài)寄存器DTCSR查詢DTC的狀態(tài)，通過(guò)DTC指針寄存器DTCPR改變DTC的操作指針。

　　DTC有4種操作狀態(tài)： 空閑狀態(tài)（IDLE），加載插件程序狀態(tài)（RAMLOAD），運(yùn)行狀態(tài)（RUNNING）和改變操作指針狀態(tài)（POINTERCHANGE）。通過(guò)改變DTCCR寄存器的RUN、INIT和LOAD位可以實(shí)現(xiàn)4種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。

　　將插件程序加載到DTC SW RAM中的步驟如下：

　　◆ 清除DTCCR寄存器的RUN位，使DTC進(jìn)入IDLE狀態(tài)，停止DTC；
　　◆ 設(shè)置DTCCR寄存器的LOAD位，使DTC進(jìn)入RAMLOAD狀態(tài)，以允許寫DTC RAM；
　　◆ 將插件程序復(fù)制到DTC SW RAM中;
　　◆ 清除DTCCR寄存器的LOAD位，使DTC返回到IDLE狀態(tài)，恢復(fù)DTC RAM寫保護(hù)。

　　使DTC運(yùn)行其RAM(即DTC SW RAM)中的插件程序的步驟如下：

　　◆ 清除DTCCR寄存器的RUN位，使DTC進(jìn)入IDLE狀態(tài)，停止DTC；
　　◆ 將插件程序的起始地址填入DTCPR寄存器中；
　　◆ 設(shè)置DTCCR寄存器的INIT位，使DTC進(jìn)入POINTERCHANGE狀態(tài)，將DTCPR寄存器中的值復(fù)制到DTC中；
　　◆ 清除DTCCR寄存器的INIT位，使DTC返回到IDLE狀態(tài)；
　　◆ 設(shè)置DTCCR寄存器的RUN位，使DTC進(jìn)入RUNNING狀態(tài)，開(kāi)始運(yùn)行。

　　DTC運(yùn)行的插件程序?qū)崿F(xiàn)的功能是： 將數(shù)據(jù)傳輸緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)快速移出I/O口，或者從I/O快速移入數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)傳輸緩沖區(qū)中。DTC操作的I/O口作為4個(gè)JTAG信號(hào)： TCK、TMS、TDI和TDO。TCK作為移入/移出數(shù)據(jù)的觸發(fā)時(shí)鐘；TDI作為移出數(shù)據(jù)出口；TDO作為移入數(shù)據(jù)進(jìn)口；TMS作為輸入信號(hào)，與TCK一起決定TAP控制器狀態(tài)的轉(zhuǎn)移過(guò)程。插件程序用DTC匯編指令編寫，然后通過(guò)ST公司提供的一個(gè)簡(jiǎn)單匯編器將匯編源代碼轉(zhuǎn)化成DTC機(jī)器指令，燒寫到ST72651的Flash存儲(chǔ)器中。

3.3.2? 掃描鏈操作模塊

　　掃描鏈操作模塊調(diào)用DTC軟件插件程序，完成初始化TAP控制器、掃描鏈1操作和掃描鏈2操作。

（1）??初始化TAP控制器

　　TAP控制器的基本功能是產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和控制信號(hào)。它包括一個(gè)帶有16個(gè)狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)： Test-Logic-Reset狀態(tài)、Run-Test/Idle狀態(tài)、Select-DR-Scan狀態(tài)、Select-IR-Scan狀態(tài)、Capture-DR狀態(tài)、Shift-DR狀態(tài)、Exit1-DR狀態(tài)、Pause-DR狀態(tài)、Exit2-DR狀態(tài)、Update-DR狀態(tài)、Capture-IR狀態(tài)、Shift-IR狀態(tài)、Exit1-IR狀態(tài)、Pause-IR狀態(tài)、Exit2-IR狀態(tài)和Update-IR狀態(tài)。

　　初始化TAP控制器的目的是使TAP控制器進(jìn)入Select-DR-Scan狀態(tài)。無(wú)論當(dāng)前TAP控制器處于什么狀態(tài)，只要在TMS為1時(shí)產(chǎn)生5個(gè)TCK信號(hào)，TAP控制器就進(jìn)入Test-Logic-Reset狀態(tài)。因此，使TAP控制器進(jìn)入Select-DR-Scan狀態(tài)的步驟為： 首先使TMS為1，產(chǎn)生5個(gè)TCK信號(hào)，使TAP控制器進(jìn)入Test-Logic-Reset狀態(tài)；然后使TMS為0，產(chǎn)生1個(gè)TCK信號(hào)，使TAP控制器進(jìn)入Run-Test/Idle狀態(tài)；最后使TMS為1，產(chǎn)生1個(gè)TCK信號(hào)，使TAP控制器進(jìn)入Select-DR-Scan狀態(tài)。

（2）? 掃描鏈1操作

　　掃描鏈1是JTAG電路中的一種測(cè)試數(shù)據(jù)寄存器，主要用于內(nèi)核測(cè)試和調(diào)試過(guò)程。

　　掃描鏈1有33位，按掃描先后順序依次為： BREAKPT位（輸入），D31～D0（輸入/輸出）。掃描鏈1操作的目的是移入BREAKPT位，同時(shí)向/從數(shù)據(jù)總線移入/移出 32位數(shù)據(jù)。操作步驟如下：

　　◆ 初始化TAP控制器，使TAP控制器進(jìn)入Select-D-RScan狀態(tài)；
　　◆ 使TMS為1，產(chǎn)生1個(gè)TCK信號(hào)，使TAP控制器進(jìn)入Select-IR-Scan狀態(tài)；
　　◆ 使TMS為0，產(chǎn)生2個(gè)TCK信號(hào)，使TAP控制器進(jìn)入Shift-IR狀態(tài)；
　　◆ 往TAP控制器的指令寄存器移入JTAG指令SCAN_N（b0010）；
　　◆ 使TAP控制器退出Shift-IR狀態(tài)，進(jìn)入ShiftDR狀態(tài)；
　　◆ 往掃描鏈選擇寄存器移入b0001，選擇掃描鏈1；
　　◆ 使TAP控制器退出Shift-DR狀態(tài)，進(jìn)入Shift-IR狀態(tài)；
　　◆ 往TAP控制器的指令寄存器移入JTAG指令I(lǐng)NTEST（b1100）；
　　◆ 使TAP控制器退出Shift-IR狀態(tài)，進(jìn)入Shift-DR狀態(tài)；
　　◆ 移入BREAKPT位，移入數(shù)據(jù)D31～D0（或移出數(shù)據(jù)D31～D0）；
　　◆ 使TAP控制器退出Shift-DR狀態(tài)，進(jìn)入Select-DR-Scan狀態(tài)。

（3）? 掃描鏈2操作

　　掃描鏈2也是一種測(cè)試數(shù)據(jù)寄存器，用于訪問(wèn)EmbeddedICE宏單元的寄存器。

　　掃描鏈2有38位，按掃描先后順序依次為：EmbeddedICE寄存器的D0～D31，EmbeddedICE寄存器的A0～A4，讀/寫位。掃描鏈2操作的目的是讀寫EmbeddedICE宏單元的寄存器。操作步驟如下：

　　◆ 初始化TAP控制器，使TAP控制器進(jìn)入Select-DR-Scan狀態(tài)；
　　◆ 使TMS為1，產(chǎn)生1個(gè)TCK信號(hào)，使TAP控制器進(jìn)入Select-IR-Scan狀態(tài)；
　　◆ 使TMS為0，產(chǎn)生2個(gè)TCK信號(hào)，使TAP控制器進(jìn)入Shift-IR狀態(tài)；
　　◆ 往TAP控制器的指令寄存器移入JTAG指令SCAN_N（b0010）；
　　◆ 使TAP控制器退出Shift-IR狀態(tài)，進(jìn)入Shift-DR狀態(tài)；
　　◆ 往掃描鏈選擇寄存器移入b0010，選擇掃描鏈2；
　　◆ 使TAP控制器退出Shift-DR狀態(tài)，進(jìn)入Shift-IR狀態(tài)；
　　◆ 往TAP控制器的指令寄存器移入JTAG指令I(lǐng)NTEST（b1100）；
　　◆ 使TAP控制器退出Shift-IR狀態(tài)，進(jìn)入Shift-DR狀態(tài)；
　　◆ 移入欲寫的數(shù)據(jù)D0～D31；
　　◆ 移入欲讀寫的EmbeddedICE寄存器的地址；
　　◆ 移入讀/寫位（讀為0，寫為1）；
　　◆ 如果為讀，則移出讀到的EmbeddedICE寄存器的值D0～D31；
　　◆ 使TAP控制器退出Shift-DR狀態(tài)，進(jìn)入Select-DR-Scan狀態(tài)。

3.3.3? EmbeddedICE寄存器操作模塊

　　EmbeddedICE寄存器的讀寫通過(guò)對(duì)掃描鏈2操作實(shí)現(xiàn)。讀時(shí)，將欲讀的EmbeddedICE寄存器地址作為參數(shù)調(diào)用掃描鏈2操作函數(shù)；寫時(shí)，將欲寫的值和EmbeddedICE寄存器地址作為參數(shù)調(diào)用掃描鏈2操作函數(shù)。

3.3.4? 高層調(diào)試命令模塊

　　通過(guò)調(diào)用掃描鏈操作模塊和EmbeddedICE寄存器操作模塊，實(shí)現(xiàn)了讀寫核寄存器、讀寫存儲(chǔ)器、斷點(diǎn)及觀察點(diǎn)操作、單步或全速運(yùn)行程序等高級(jí)調(diào)試控制命令。這些命令供主程序狀態(tài)機(jī)模塊調(diào)用。

3.3.5? USB接口驅(qū)動(dòng)模塊

　　USB接口驅(qū)動(dòng)模塊主要包含5個(gè)函數(shù)： 函數(shù)InitUSB()用于初始化USB模塊；函數(shù)USB_Polling()處理USB主機(jī)發(fā)來(lái)的USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)USB枚舉階段的傳輸過(guò)程，同時(shí)根據(jù)狀態(tài)寄存器的標(biāo)志位調(diào)用相應(yīng)的端點(diǎn)處理函數(shù)；CTR（正確傳輸）中斷服務(wù)程序用于處理端點(diǎn)上發(fā)生的各種中斷；函數(shù)USB_RecvDataEP2(unsigned char *dp, uint8 len)和USB_SendDataEP2(unsigned char *dp, uint8 len)用于從端點(diǎn)2接收和發(fā)送USB包。

3.3.6? 主程序狀態(tài)機(jī)模塊

　　主程序狀態(tài)機(jī)模塊循環(huán)調(diào)用USB接口驅(qū)動(dòng)模塊的USB_RecvDataEP2()函數(shù)，接收調(diào)試器發(fā)來(lái)的命令報(bào)文，根據(jù)命令報(bào)文的主命令號(hào)和次命令號(hào)調(diào)用高層調(diào)試命令模塊的相應(yīng)命令函數(shù)，并將命令函數(shù)返回的數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)用USB_SendDataEP2()函數(shù)返回給調(diào)試器，最終根據(jù)命令函數(shù)返回的狀態(tài)通過(guò)調(diào)用USB_SendDataEP2()函數(shù)發(fā)確認(rèn)報(bào)文給調(diào)試器。

結(jié)語(yǔ)

　　本文構(gòu)造了一個(gè)支持ARM核的嵌入式系統(tǒng)調(diào)試工具。它首先定義了一個(gè)輕量級(jí)的遠(yuǎn)程調(diào)試協(xié)議EmRDI，然后使用ST72651芯片實(shí)現(xiàn)了協(xié)議轉(zhuǎn)換器EmJTAG。目前該調(diào)試工具已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，PC機(jī)上的調(diào)試器軟件可以通過(guò)EmJTAG下載程序到基于ARM核的目標(biāo)機(jī)上，并實(shí)現(xiàn)設(shè)置/清除斷點(diǎn)、設(shè)置/清除觀察點(diǎn)、全速/單步/停止運(yùn)行程序等基本的調(diào)試功能。

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姜立娣（碩士研究生）、沈建華（副教授），主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)結(jié)構(gòu)。

（收稿日期：2007-04-28）