基于EmJTAG的ARM嵌入式系統(tǒng)調(diào)試工具
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ARM嵌入式系統(tǒng)的大致開發(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信號來控制和調(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)動芯片74LVC244來實(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)，通過對DTC的編程來產(chǎn)生控制ARM核的邊界掃描序列，以產(chǎn)生相應(yīng)的JTAG信號。
文章最終實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)對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/存儲器等。
1 系統(tǒng)組成及原理
如圖1所示，整個調(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)時地察看或修改寄存器及存儲器的值。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個遠(yuǎn)程調(diào)試協(xié)議EmRDI，它采用點(diǎn)對點(diǎn)的連接方式，以請求響應(yīng)的方式進(jìn)行交互。調(diào)試請求由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)過程）。
EmRDI協(xié)議定義了如下一些調(diào)試請求：讀/寫核寄存器、讀/寫存儲器、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)識符。經(jīng)驗(yàn)證，這些請求的組合，可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對目標(biāo)機(jī)上ARM核的調(diào)試和控制功能。
EmRDI協(xié)議請求格式(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JTAG電路結(jié)構(gòu)。JTAG電路由TAP（測試訪問端口）、TAP控制器、指令寄存器、測試數(shù)據(jù)寄存器組成。另外，ARM7TDMI核還包含了一個提供在線調(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，通過它可以將一個輸入信號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采樣到邊界掃描單元中。若干個邊界掃描單元構(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時序信號發(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個全速（12 Mbps）USB接口模塊，1個時鐘頻率為24 MHz的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)處理器（DTC），32 KB程序存儲空間，5 KB RAM，硬件I2C和SPI接口，多達(dá)47個可編程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腳上拉一個電阻，使PC機(jī)識別到USB設(shè)備。DTC模塊產(chǎn)生4個時鐘信號作為JTAG時鐘信號(TDI、TDO、TMS和TCK)，由I/O口引出，外部再加一個接口驅(qū)動芯片74LVC244，將這4個信號連接到標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口上。TAP控制器復(fù)位信號nTRST和系統(tǒng)復(fù)位信號nSRST通過I/O邏輯直接控制。
EmJTAG采用USB供電方式，同時在TCK引腳上連接一個指示燈BUSY，顯示系統(tǒng)是否處于忙狀態(tài)。接口驅(qū)動芯片74LVC244由內(nèi)部集成的電壓校準(zhǔn)器產(chǎn)生3.3 V來提供電壓。
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)動程序通信，將調(diào)試命令通過USB總線發(fā)送至EmJTAG。
3.2 EmJTAG的PC端驅(qū)動程序
使用Driverstudio3.1開發(fā)Windows下的USB驅(qū)動程序，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)開發(fā)工具STVD7 for InDART STX進(jìn)行開發(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時序信號控制ARM核。EmJTAG中的固件分成以下多個模塊實(shí)現(xiàn)。
3.3.1 DTC軟件插件程序模塊
圖3 DTC功能框圖
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