嵌入式微控制器MC68HC912B32背景調(diào)試模式設(shè)計

隨著Flash技術(shù)在微處理器上的廣泛應(yīng)用，使單片機在開發(fā)和應(yīng)用手段上有了革命性的變化，從傳統(tǒng)的仿真器（ICE）到目前流行的JTAG，設(shè)計人員在不斷尋找一種移植性更高、更易操作、費用更低的開發(fā)手段。使用傳統(tǒng)的仿真器進(jìn)行嵌入式開發(fā)時，通常調(diào)試工具會受價格和煩瑣的操作所限制，但是隨著微處理器制造工藝的提高及Flash技術(shù)的發(fā)展，一些高端微處理器（如CPU12/16/32、PowerPC、ColdFire等）內(nèi)部已經(jīng)包含了用于調(diào)試的微代碼，并可以通過背景調(diào)試模式BDM（Background Debug Mode）進(jìn)行調(diào)試，由于這種方法省去了仿真器，因此避免了高頻操作、交直流電不匹配等問題，隨著BDM標(biāo)準(zhǔn)的不斷規(guī)范和普及，用BDM調(diào)試模式進(jìn)行嵌入式開發(fā)已經(jīng)成為一種首選。

MC68HC912B32（以下簡稱B32）是由Freescale公司推出的一款基于CPU12核心的16位嵌入式MCU。它具有體積小、功耗小、功能多等優(yōu)點，主要用于汽車電子、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，它是Freescale公司較早提供的一款背景調(diào)試模式的16位MCU。背景調(diào)試模式是 Freescale公司自定義的片上調(diào)試規(guī)范。

1 背景調(diào)試模式介紹

BDM是由Freescale半導(dǎo)體公司推出的一種單線（Single Wire）調(diào)試方式，是目前單片機普通采用的調(diào)試方式之一。其他公司的嵌入式處理器也有類似的調(diào)試方式，如AMD公司的X86μP系列微處理器提供的AMDebug調(diào)試方式等。

BDM調(diào)試方式為開發(fā)人員提供了底層的調(diào)試手段，開發(fā)人員可以通過它初次向目標(biāo)板下載程序，同時也可以通過BDM調(diào)試器對目標(biāo)板MCU的Flash進(jìn)行寫入、擦除等操作，用戶也可以通過它進(jìn)行應(yīng)用程序的下載和在線更新、在線動態(tài)調(diào)試和編程、讀取CPU各個寄存器的內(nèi)容、單片機內(nèi)部資源的配置與修復(fù)、程序的加密處理等操作，而這些僅需要向CPU發(fā)送幾個簡單的指令就可以實現(xiàn)，從而使調(diào)試軟件的便攜變得非常簡單，通常自己就可以編寫，BDM硬件調(diào)試插頭的設(shè)計也非常簡單，關(guān)鍵是要滿足通信時序關(guān)系和電平轉(zhuǎn)換要求。

目前常用的標(biāo)準(zhǔn)BDM調(diào)試插頭如圖1所示，各個引腳信號的定義如表1所示。

2.1 總體概述

以CPU12為內(nèi)核的MCU的運行模式有單片方式（Single chip）和擴展方式（Expanded Mode）兩種。運行模式主要由BKGD、MODB和MODA引腳的狀態(tài)決定，各個模式與引腳狀態(tài)間的關(guān)系見表2。單片模式又分普通單片模式（Normal Single Chip）和特殊單片模式（Special Single Chip）兩種，而只有在特殊模式下BDM才能被激活，因此特殊單片模式又稱BDM模式。圖2為PC機通過BDM插頭與目標(biāo)機相連。

2.2 BDM指令介紹

BDM有兩類指令。一類是在一般運行模式下可以直接執(zhí)行的，被稱為硬件指令（Hardware Command）；另一類則是只能在BDM模式下執(zhí)行的程序，這些程序在進(jìn)入BDM模式后被固化在地址為﹩FF00－﹩FFFF的ROM中，被稱為固件指令（Firmware Command）。

因為BDM控制模塊不在CPU中，所以BDM硬件指令可以在CPU正常運行時被并行執(zhí)行，其他BDM指令是基于固件的，必須在CPU處于BDM模式下才能執(zhí)行。硬件指令允許讀寫目標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)（包括片內(nèi)RAM、EEPROM、I/O控制寄存器等）的所有內(nèi)存。硬件指令可以不在BDM模式下執(zhí)行，表3列出了 BDM模塊常用的硬件指令。

固件指令必須在HC12單片機的BDM ROM中執(zhí)行，且CPU必須在BDM模式下才能執(zhí)行，通常使用硬件指令BACKGROUND使CPU進(jìn)入BDM模式，當(dāng)BDM被激活時，BDM ROM就被分配到地址空間：﹩FF20－﹩FFFF，同時7個BDM寄存器被分配到地址空間：﹩FF00－﹩FF06，此時CPU就可以通過執(zhí)行ROM中的代碼完成相應(yīng)的固件指令操作。表4列出了BDM的7個寄存器，表5介紹了常用的3個固件指令。

2.3進(jìn)入BDM模式

下面介紹使目標(biāo)機進(jìn)入BDM模式的兩種常用方法。

方法1：將目標(biāo)機的BKGD引腳拉低，然后給目標(biāo)機的RESET引腳加低電平，即給目標(biāo)機復(fù)位，復(fù)位脈沖要足夠?qū)?，至少要大于目?biāo)機的512個時鐘周期。本文采用Freescale公司的8位微處理器MC68HC908JB8（簡稱JB8）制作BDM調(diào)試頭，用其PTA0和PTA1口控制目標(biāo)機的 RESET和BKGD引腳，此方法通過軟件編程的方式進(jìn)入BDM模式。

方法2：通過硬件跳線的方式將BKGD置低電平，在目標(biāo)機復(fù)位后再將BKGD置高電平，以進(jìn)入目標(biāo)機的BDM模式。進(jìn)入BDM模式后，帶有BDM程序的片內(nèi)專用ROM將Flash的﹩FF00－﹩FFFF替換，此空間在普通單片方式下存放中斷向量。該方法僅通過硬件跳線的方式進(jìn)入BDM模式。

3 B32的BDM調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計

3.1 BDM調(diào)試其系統(tǒng)硬件設(shè)計

該BDM調(diào)試器的BKGD和RESET信號分別由JB8單片機的I/O口PTA1、PTA0提供。雙方通信引腳使用漏極開路驅(qū)動（或稱線或）的方式，平時靠上拉電阻維持高電平。Flash編程電源VFP由MAX662提供，MAX662是一款專門提供12V Flash編程電壓的芯片。MAX662外圍電路原理圖如圖3，BDM調(diào)試插頭電路原理圖如圖4。

3.2 BDM調(diào)試器系統(tǒng)軟件設(shè)計

CPU12的BDM通信協(xié)議也稱為單線通信協(xié)議。下面按照該協(xié)議，以JB8作為主控制芯片詳細(xì)介紹B32的BDM調(diào)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計。在程序開始前，需要宏定義一些常量以方便下面程序的調(diào)用。具體的宏定義有：

3.2.1 調(diào)用讀寫匯編子程序

通過調(diào)用讀寫匯編子程序，可以讀取和發(fā)送一個字節(jié)，具體函數(shù)如下：

調(diào)用寫子程序的輸入?yún)?shù)是需要被寫的一個字節(jié)，調(diào)用讀子程序的返回參數(shù)是讀取到的一個字節(jié)。

3.2.2 讀寫匯編子程序

主機方以下降沿通知目標(biāo)機方的BKGD端，位通信開始，每一位傳輸至少需要16個時鐘周期。具體過程如下：

主機首先拉低BKGD引腳，并時低電平維持時間不短于512個時鐘周期，目標(biāo)機探測到下降沿信號后清命令寄存器，同時等待接收主機的BDM命令。

主機寫位0到目標(biāo)機BKGD端的操作為：主機拉低目標(biāo)機的BKGD端不少于12個時鐘周期，目標(biāo)機在探測到低電平以后的第10個周期對BKGD采樣，讀入該位的0。

主機寫位1到目標(biāo)機BKGD端的操作為：主機拉低目標(biāo)機的BKGD端2－4個時鐘周期后釋放BKGD端，使之為高電平，目標(biāo)機在探測到低電平以后的第10個周期對BKGD采樣，讀入該位的1。

下面是寫一個字節(jié)的匯編代碼：


主機讀目標(biāo)機BKGD端的信息時，主機拉低目標(biāo)機BKGD端2－4個周期后釋放BKGD端，然后定義該引腳為輸入狀態(tài)，讀取BKGD端的電平，如果目標(biāo)機輸出為0電平，則繼續(xù)拉低BKGD端，從探測到主機拉低BKGD端起持續(xù)13個時鐘周期，所以主機的讀操作應(yīng)在從拉低BKGD線算起的13個時鐘周期內(nèi)完成，對于目標(biāo)機輸出為1的情況，無需目標(biāo)機輸出高電平，因為BKGD端已用電阻上拉，只需定義該引腳為輸入，則自然會使之為1。

下面是讀取一個字節(jié)的匯編代碼：

對于硬件命令，命令之間間隔要大于150個時鐘周期，對于固件命令，送出讀命令到讀取數(shù)據(jù)之間要延遲32個時鐘周期，寫命令后面可緊跟需要寫的數(shù)據(jù)，但與下一條命令之間要間隔32個時鐘周期。

3.2.3 測試程序

為了測試以上程序的正確性，特用VC6.0編寫了一個計算機端的測試程序。該程序通過串口與JB8通信，以完成對B32 Flash的讀寫和擦除。由于源代碼較長，限于篇幅不在此列出。