基于SOPC的通用型JTAG調試器的設計

　　ARM7TDMI JTAG IPcore，仿真調試IPcore，需要自主開發(fā)。其內部邏輯用Verilog語言實現(xiàn)，然后按照Altera IPcore的標準編寫IPcore描述文件，最后掛在三態(tài)總線上，完成全部調試功能。

　　TCK發(fā)生器，TCK脈沖產(chǎn)生邏輯，需要自主開發(fā)。它利用Nios的時鐘生成TCK信號，作為時鐘來驅動ARM7TDMI JTAG IPcore。它被做成一個小的功能模塊，通過PIO與三態(tài)總線通信。

　　上述所介紹的IPcore使用Altera公司的開發(fā)工具Quartus II編譯，最后下載到Altera FPGA中。本系統(tǒng)使用的CPGA芯片是Cyclone系列的EPlCl2。該芯片包含12 060個邏輯單元，具有239 616位RAM，片上集成2個鎖相環(huán)，最大用戶I/O引腳達到249個。

　　該硬件結構很好地體現(xiàn)了SOPC的概念，所有的IPcore(包括Altera公司發(fā)布和自主開發(fā)的)集成在一片FPGA上。一個片上系統(tǒng)就基本包含了在線仿真器的絕大部分功能，任何硬件結構設計的變化都在該片FPGA上，這使得通用在線仿真器這個概念得以實現(xiàn)。對其他芯片在線仿真，只需更改ARM7TDMI JTAG IPcore模塊，重新下載到FPGA中，便可以對另一種處理器芯片進行在線仿真。該IPcore用Verilog語言實現(xiàn)，保存為armjtag.v文件。通過Quartus II里的SOPC Builder可以將該文件生成組件，再將其加入Nios系統(tǒng)中。器件引腳分配好后，就在Quartus II里全編譯，最后生成ice.pof文件。將該文件通過編程器燒寫到配置芯片EPCS4里面。這樣硬件系統(tǒng)就完成了。

　　2.2 軟件設計與實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)的軟件部分包括2個模塊：一是PC端的開發(fā)調試界面，二是調試器里面的控制程序。2個模塊通過TCP/IP協(xié)議通信。

　　PC端開發(fā)調試界面的主要功能是接收用戶的調試命令，并顯示調試結果。這是系統(tǒng)與用戶進行交互的唯一方式。開發(fā)調試界面對上給用戶提供統(tǒng)一的調試功能接口，對下給調試器提供統(tǒng)一的調試命令。本系統(tǒng)使用VisualC++開發(fā)。

　　調試器里的控制程序主要功能是將上層用戶調試命令轉換成特定的JTAG指令序列，并控制IPcore將其發(fā)送出去，同時接收JTAG反饋信息并發(fā)送回用戶界面。本系統(tǒng)使用Nios IDE來開發(fā)。在Nios IDE的工程屬性中加入LwIP和μC/OS組件。主程序首先初始化μC/0S，初始化LwIP協(xié)議棧，再啟動μC/OS。所有程序控制放在μC/OS的OSStart()任務里。該任務首先建立一個套接字，然后在死循環(huán)中等待數(shù)據(jù)到來。當收到來自PC端的調試命令后，從數(shù)據(jù)包中分離出命令字和參數(shù)，將命令字轉換成IPcore需要的調試命令，通過Avalon總線將其發(fā)送到IPcore，并等待IPcore工作完成。最后將IPcore傳回的數(shù)據(jù)打包發(fā)回PC端。

　　目前提供的通用調試命令如表1所列。

　　在TCP/IP數(shù)據(jù)包中，有效數(shù)據(jù)為12字節(jié)。第1至4字節(jié)是命令代碼，第5至8字節(jié)為命令參數(shù)1，第9到12字節(jié)為命令參數(shù)2。命令參數(shù)1和命令參數(shù)2是否有效取決于命令代碼。主控制程序收到數(shù)據(jù)包后，將命令代碼發(fā)往JTAG IPcore的指令端口地址，并根據(jù)命令代碼向參數(shù)端口地址發(fā)送命令參數(shù)1。如果該命令代碼需要命令參數(shù)2，則在下一個周期發(fā)送。

　　在SOPC的硬件系統(tǒng)設計中，所有的外設都是統(tǒng)一編址。將JTAG IPcore的指令端口地址和參數(shù)端口地址分別設置成0x00910850和0x00910860，端口位寬為32位。因此在程序里，往IPcore發(fā)送指令只需要往地址0x00910850寫32位數(shù)據(jù);往IPcore發(fā)送參數(shù)只需要往地址Ox00910860寫32位數(shù)據(jù)。反饋數(shù)據(jù)端口地址設置成Ox00910870，端口位寬為32位。因此在程序里，讀取JTAG反饋數(shù)據(jù)只需讀取地址0x00910870的32位數(shù)據(jù)。

　　2.3 JTAG IPcore的實現(xiàn)

　　JTAG IPcore是本調試器的核心，下面簡單介紹一下該部分的實現(xiàn)。

　　IPcore的接口如圖3所示。

　　該IPcore的對外接口由兩部分組成：一是與Avalon總線通信的接口部分，即圖中的左邊部分;二是與被調試CPU通信的接口部分，即圖中的右邊部分。另外，在整個實現(xiàn)中，定義了一些重要的寄存器。

　　“reg[3000：O]tms，tdo"分別用來存放完成當前操作的tms序列和tdo序列。像訪問存儲器這樣的操作需要很長的tms序列和tdo序列，因此用了3001位。IPcore每次從這2個寄存器讀取1位后，就向對應的引腳發(fā)送數(shù)據(jù)。tdi寄存器只用了134位，因為不是每個tdi輸入對JTAG調試都有用。parmreg寄存器用來存放總線上傳來的參數(shù)。tdidata寄存器用來存放從tdi引腳讀取的有效數(shù)據(jù)，將被發(fā)送到Avalon總線。tdicolJnter寄存器用來對tdi輸入數(shù)據(jù)計數(shù)。

　　Avalon總線上來的指令發(fā)送到ins[31：0]端口。在調試器主程序里判斷指令，做出相應的動作。當IPcore讀取到某個指令后，根據(jù)命令代碼查找對應的TMS命令序列，找到以后將命令序列送到tms寄存器。同時，通過parm[31：O]端口讀取命令參數(shù)，根據(jù)命令參數(shù)生成對應的TDO序列，將其送到tdo寄存器。當兩個寄存器的內容準備好后，在TCK時鐘的控制下，通過TMS引腳和TD0引腳分別串行輸出。在TDO引腳輸出的同時檢測TDI引腳，并在適當時機將TDI引腳上的數(shù)據(jù)讀入IPcore，經(jīng)過處理后發(fā)送回總線。

　　由于TMS序列長度較長且其對應于各個調試命令是固定不變的，因此在本設計中，將TMS序列作成一個表，存放在IPcore里，而不是通過總線發(fā)送。需要時，根據(jù)不同的命令代碼來讀取。這樣可以節(jié)約時間，提高調試速度。

　　結 語

　　本文介紹了一個基于SOPC的通用調試器的設計方案與實現(xiàn)過程。在開發(fā)過程中，IP復用、軟硬件協(xié)同設計等先進的嵌入式設計思想對縮短開發(fā)時間、降低開發(fā)風險起到了很好的作用。同時，自主開發(fā)的ARM7TDMIJTAG IPcore和C8051 JTAG IPcore體現(xiàn)了該調試器的通用性。接下來還將推出基于ARM其他系列和PowerPC系列的IPcore，本調試器的應用價值將得到進一步提高。