基于GAL的BDM調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計

目前應(yīng)用Motorola微處理器開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時基本上都是使用Motorola公司提供的開發(fā)系統(tǒng)或者CodeWarrior公司的開發(fā)系統(tǒng)等付費(fèi)昂貴的調(diào)試工具。最近由于Flash技術(shù)的發(fā)展，特別是一些CPU(如CPU12/16/32/32＋，PowerPC5xx/8xx，ColdFire等)可以用JTAG口在背景模式下調(diào)試，故仿真器已可以省去。而且隨著BDM調(diào)試模式逐漸標(biāo)準(zhǔn)化，自制BDM調(diào)試工具變得越來越容易，特別是對于支持BDM調(diào)試模式的多種類型的CPU，自己設(shè)計的BDM調(diào)試系統(tǒng)只需少量的改動即可移植使用，而不必重復(fù)購買價格昂貴的調(diào)試開發(fā)系統(tǒng)，這樣做可以節(jié)省大量的成本。

1　BDM調(diào)試模式介紹

Motorola微處理器的調(diào)試模塊針對不同場合的應(yīng)用分別提供了3種調(diào)試支持：實時跟蹤、BDM調(diào)試和實時調(diào)試。實時跟蹤是要求能夠跟蹤應(yīng)用程序的動態(tài)執(zhí)行路徑，這是實時系統(tǒng)的基本要求；在BDM調(diào)試方式下，處理器被停機(jī)，大量的命令可以被發(fā)送到處理器中訪問內(nèi)存和寄存器，外部仿真系統(tǒng)使用一個三腳、串行的雙工通道與處理器通信；實時調(diào)試則可以不需要CPU停止運(yùn)行，調(diào)試中斷允許實時系統(tǒng)執(zhí)行一個惟一的服務(wù)例程，快速保存主要的寄存器和變量等上下文內(nèi)容，并使系統(tǒng)立即返回到正常操作，外部的開發(fā)系統(tǒng)能訪問被保存的數(shù)據(jù)是因為硬件支持處理器和BDM初始化命令的一致性操作。

其中BDM調(diào)試模式為設(shè)計人員提供了一種低層次的調(diào)試手段，讓用戶能夠中斷CPU的運(yùn)行，單步調(diào)試程序，讀取CPU的各個寄存器的內(nèi)容，這些僅僅是通過向CPU發(fā)送幾個簡單的命令就可以實現(xiàn)，顯然，這樣使調(diào)試軟件的設(shè)計很簡單，通常自己就可以編寫。硬件調(diào)試卡的設(shè)計也非常簡單，關(guān)鍵是要滿足好通信時序關(guān)系和電平轉(zhuǎn)換要求。

這幾種調(diào)試方式都共用26腳的BDM調(diào)試引腳信號，這些信號的定義如表1所示，BDM調(diào)試主要使用了DSCLK，DSI，DSO三種信號。


2　BDM調(diào)試系統(tǒng)的運(yùn)行條件及其系統(tǒng)組成

(1)系統(tǒng)運(yùn)行的限制條件

盡管許多BDM命令可以與處理器并行操作，但是要想安全可靠地使用BDM操作，最好的方法就是讓處理器停止運(yùn)行。但是停機(jī)操作對于那些要求實時響應(yīng)的應(yīng)用程序的調(diào)試顯然不理想。但是由于實時跟蹤和實時調(diào)試模塊與BDM調(diào)試模塊引腳共用，所以升級和擴(kuò)展BDM調(diào)試系統(tǒng)，可以很容易支持實時應(yīng)用程序的調(diào)試。

(2)BDM調(diào)試系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由3個部分組成，如圖1所示。　

BDM調(diào)試卡作用是完成從并口到BDM調(diào)試端口(信號定義如表1所示)的操作時序的轉(zhuǎn)換；BDM調(diào)試卡的驅(qū)動程序則是完成開發(fā)系統(tǒng)與待開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)的通信過程處理，如合成一定格式的數(shù)據(jù)包、解釋接收到的應(yīng)答數(shù)據(jù)或者微處理器的狀態(tài)數(shù)據(jù)等；BDM調(diào)試軟件則是功能軟件，完成讀寫指定位置的Flash或者SRAM數(shù)據(jù)、暫停、復(fù)位等功能。

值得注意的是，由于現(xiàn)在BDM調(diào)試模塊的標(biāo)準(zhǔn)化，調(diào)試卡和驅(qū)動程序在不同型號的CPU上將具有通用性，只是BDM調(diào)試軟件需要根據(jù)各種CPU對應(yīng)的指令集來稍加修改即可復(fù)用。下面將以作者開發(fā)的一個針對Motorola公司的32位單片機(jī)MCF5272設(shè)計BDM調(diào)試系統(tǒng)的過程進(jìn)行論述。

3　CodeFire系列處理器MCF5272的BDM調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計

3．1　BDM調(diào)試卡設(shè)計

BDM接口的串行操作時序分析如圖2所示。從圖2中可以看出，在調(diào)試模塊的串行狀態(tài)機(jī)中所有的事件是基于處理器時鐘(PSTCLK)的上升沿的。DSCLK的頻率是PSTCLK的1/5，并且DSCLK的上升沿相對于PSTCLK的上升沿有一定的延時。這里的 DSCLK的作用類似于周期性的使能信號。每一次串行數(shù)據(jù)的傳輸可分為4個階段：C1，C2，C3和C4。在DSCLK的高電平期間，數(shù)據(jù)從DSI輸入，經(jīng)過2個PSTCLK周期的同步(C1和C2)而被采樣，然后在DSCLK的低電平期間PSTCLK的第1個上升沿處(C3)來臨時BDM狀態(tài)機(jī)改變狀態(tài)，隨后在第2個PSTCLK上升沿(C4)，DSI準(zhǔn)備傳送新的數(shù)據(jù)，DSO上則輸出原來數(shù)據(jù)輸入相對應(yīng)的應(yīng)答數(shù)據(jù)。BDM狀態(tài)機(jī)在DSI上數(shù)據(jù)采樣檢測到的時候改變狀態(tài)，當(dāng)所有的數(shù)據(jù)傳輸完畢，BDM狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)也就不會有什么改變。

根據(jù)BDM端口的信號定義，不難看出這些信號都是單向的。其中要注意的是：PSTCLK是調(diào)試模塊從處理器中獲取的，而DSCLK則是外部的開發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的。要實現(xiàn)從并口到BDM口的時序操作轉(zhuǎn)換，最簡單的方式是使并口工作在SPP端口模式下的4位組模式，在該模式下每次通過狀態(tài)端口的4個狀態(tài)位反向傳送半個字節(jié)，兩次傳輸完成向PC機(jī)傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)［1］。他的操作時序如圖3所示。


由于所有的信號都是單向的，時序和邏輯比較簡單，因此，采用GAL器件實現(xiàn)并口操作時序與BDM操作時序的轉(zhuǎn)換。GAL要實現(xiàn)的功能主要是數(shù)據(jù)的串并和并串轉(zhuǎn)換。

GAL器件與并口接口的信號有：

輸入信號：D0～D7，C1(主機(jī)忙狀態(tài)線)，DSCLK(提供串行通信時鐘信號)。
輸出信號：S3，S4，S5，S7(這4個信號做數(shù)據(jù)反向輸出)，S6(給PC機(jī)提供一個中斷信號)。

他與BDM端口接口的信號有：

輸入信號：PSTCLK，DSO。
輸出信號：DSI?！?br />
故需配置12個輸入端和6個輸出端，故選用74GAL16V8的器件即可滿足要求［2］?，F(xiàn)在GAL器件要實現(xiàn)的即是將與并口接口的輸入信號(D0～D7，C1，DSCLK)轉(zhuǎn)換成與BDM接口的輸出信號(DSI)，同理，也要將與BDM端口接口的輸入信號(PSTCLK，DSO)轉(zhuǎn)換成與并口接口的輸出信號(S3，S4，S5，S6，S7)，實現(xiàn)了這2個轉(zhuǎn)換，然后對GAL編程，設(shè)計PCB版圖，可以很快做出BDM調(diào)試卡。

3．2　BDM驅(qū)動程序的設(shè)計

BDM調(diào)試卡已經(jīng)實現(xiàn)了并口到BDM口的時序操作轉(zhuǎn)換，按照一定的數(shù)據(jù)格式傳送和接收數(shù)據(jù)則是BDM調(diào)試卡的驅(qū)動程序要完成的工作，驅(qū)動程序?qū)?shù)據(jù)的處理分為2層：底層完成基本的字節(jié)數(shù)據(jù)的收發(fā)(恢復(fù)和拆分)；上層則完成數(shù)據(jù)包的收發(fā)。底層的數(shù)據(jù)收發(fā)原理在調(diào)試卡的設(shè)計過程中已經(jīng)做了詳細(xì)的介紹，以下主要介紹數(shù)據(jù)包的收發(fā)處理程序設(shè)計應(yīng)注意的事項。

從BDM操作時序圖中可以看出，串行通道數(shù)據(jù)傳輸速度從直流到PSTCLK頻率的1/5頻率之間，該通道使用雙工模式，數(shù)據(jù)可在主控設(shè)備和從控設(shè)備之間同時發(fā)送和接收，每次傳送的數(shù)據(jù)塊由一個17 b的數(shù)據(jù)包組成，該數(shù)據(jù)包由一個狀態(tài)/控制位和一個16 b數(shù)據(jù)字組成。數(shù)據(jù)格式如下所示：

發(fā)送數(shù)據(jù)時最高位為控制標(biāo)志，該位保留，在開發(fā)系統(tǒng)向CPU發(fā)出命令和數(shù)據(jù)時，該位應(yīng)該被清除。

接收數(shù)據(jù)時最高位為狀態(tài)標(biāo)志位，指示從CPU返回的消息類型。他與數(shù)據(jù)域及數(shù)據(jù)表示的消息含義之間的關(guān)系為：

顯然，由于每次只能傳送一個字節(jié)，故發(fā)送一個數(shù)據(jù)包需要執(zhí)行3次傳送操作。應(yīng)注意由于并口工作在4位組模式，每次只能接收4 b數(shù)據(jù)［1］，而并口操作是以字節(jié)為單位進(jìn)行的，因此，實際上接收一個數(shù)據(jù)包最少應(yīng)該執(zhí)行6次接收操作，而不是5次。也即是說最后剩下一位數(shù)據(jù)也要當(dāng)一個字節(jié)傳送，這在驅(qū)動程序的設(shè)計當(dāng)中很容易弄錯。

BDM調(diào)試模塊為外部開發(fā)系統(tǒng)提供了12個基本類型的命令(用助記符表示)：RAREG/RDREG(讀A/D寄存器)，WAREG/WDREG(寫A/D寄存器)，READ(從存儲器讀數(shù)據(jù))，WRITE(向存儲器寫數(shù)據(jù))，DUMP(與READ命令結(jié)合使用轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)塊)，F(xiàn)ILL(與WRITE命令結(jié)合使用填充數(shù)據(jù)塊)，GO(繼續(xù)執(zhí)行程序)，NOP(不做任何操作，可以被用做一個空指令)，RCREG(讀系統(tǒng)控制寄存器)，WCREG(向系統(tǒng)控制寄存器寫入數(shù)據(jù))，RDMREG(讀調(diào)試模塊寄存器)，WDMREG(寫向調(diào)試模塊寄存器寫入數(shù)據(jù))；各種命令和他對應(yīng)的應(yīng)答數(shù)據(jù)的格式可以從MCF5272芯片資料上查到。上層驅(qū)動程序最終的任務(wù)就是實現(xiàn)這12種基本命令數(shù)據(jù)和應(yīng)答數(shù)據(jù)的收發(fā)，并為調(diào)試軟件提供相應(yīng)的函數(shù)調(diào)用接口，具體的驅(qū)動程序設(shè)計比較簡單，關(guān)鍵是要注意對從調(diào)試模塊返回的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行出錯處理。特別是應(yīng)該區(qū)別CPU還沒準(zhǔn)備好和總線操作被中止2種消息。前者出現(xiàn)的比較多，一般是在CPU正在執(zhí)行一個任務(wù)，不能及時響應(yīng)BDM命令時返回的消息，而后者則往往是CPU執(zhí)行了2條有沖突的指令(也即是非法訪問資源)。這個在驅(qū)動程序中看不出有很大的區(qū)別，但是在調(diào)試應(yīng)用程序時經(jīng)常報告“BUSError”信息。

3．3　BDM調(diào)試軟件的設(shè)計

該軟件應(yīng)該具有如下基本的功能：系統(tǒng)初始化，重啟系統(tǒng)，檢查CPU外圍期間工作是否正常，讀寫Flash中的數(shù)據(jù)，讀寫SRAM中的數(shù)據(jù)，單步執(zhí)行程序。

調(diào)試軟件主要是調(diào)用驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)的12種BDM調(diào)試命令接口函數(shù)來實現(xiàn)各種功能的。其中需要傳遞參數(shù)給驅(qū)動程序的有：

①檢查外部設(shè)備接口是否工作正常：如RS232串口、USB口、并口、網(wǎng)口等。這類操作需要接口地址和中斷號等參數(shù)，并且需要返回操作結(jié)果。

②讀寫SRAM和Flash中的數(shù)據(jù)：這些操作需要提供存儲器的地址范圍。

調(diào)試軟件的設(shè)計因開發(fā)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)不同，在實現(xiàn)上有比較大的區(qū)別，但處理過程基本相同，因此，軟件的設(shè)計也比較簡單，沒有必要贅述。

3．4　系統(tǒng)運(yùn)行及其測試

應(yīng)用MCF5272做嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時，開發(fā)平臺的操作系統(tǒng)是RedHatLinux，因此，驅(qū)動程序和調(diào)試軟件都是針對Linux設(shè)計的。驅(qū)動程序?qū)DM調(diào)試卡作為一個字符設(shè)備看待，BDM卡的初始化是在/usr/src/linux/driverschar/mem．c中添加BDM卡初始化代碼［3］，該設(shè)備的基本入口點(diǎn)在驅(qū)動程序的file＿operation結(jié)構(gòu)中，對BDM卡的操作命令均在此實現(xiàn)，具體代碼不再詳述。

調(diào)試系統(tǒng)做整體測試時，首先要在Linux下創(chuàng)建一個字符型的BDM設(shè)備，然后執(zhí)行insmod命令將驅(qū)動程序模塊打入操作系統(tǒng)內(nèi)核中［3］，在成功地創(chuàng)建了BDM設(shè)備文件和安裝好BDM調(diào)試卡的驅(qū)動程序之后，就可以調(diào)試和執(zhí)行該調(diào)試軟件了。

4　結(jié)語

BDM調(diào)試系統(tǒng)具有成本低、操作方便、移植簡單等特點(diǎn)。在Linux環(huán)境下針對MCF5272成功開發(fā)了BDM調(diào)試系統(tǒng)后，又先后將該系統(tǒng)軟件稍加改動，就輕易地移植到與MCF5272同屬ColdFire系列的MCF5249和Power PC系列的MPC555等CPU上，并且在Window下重新編寫了驅(qū)動程序和調(diào)試軟件，使用圖形界面操作，基本上達(dá)到了CodeWarrior相應(yīng)軟件的功能，為產(chǎn)品的快速低成本開發(fā)做出了貢獻(xiàn)。