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、鏈接生成一個目標文件；然后將目標文件轉(zhuǎn)化成可以下載到目標機運行的二進制代碼，在目標機上調(diào)試運行；最終將調(diào)試成功的二進制文件固化在目標機中。這一系列過程中，最關(guān)鍵的步驟就是在PC機上調(diào)試在目標機上運行的程序。這就需要采用遠程調(diào)試的方式，即在PC機上運行調(diào)試器軟件，被調(diào)試程序在目標機上運行。
本文描述了這樣一個遠程調(diào)試系統(tǒng)：利用USB批量傳輸?shù)目煽啃?，將遠程調(diào)試協(xié)議EmRDI的報文封裝在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?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)生相應的JTAG信號。
文章最終實現(xiàn)了PC機對ARM核的目標機的調(diào)試功能：PC機的調(diào)試器軟件可以下載程序至目標機，實時控制目標機上代碼的單步/全速運行或停止，以及設(shè)置斷點和觀察點、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（調(diào)試器）、協(xié)議轉(zhuǎn)換器（EmJTAG）以及目標板（基于ARM核）。調(diào)試的目的是實現(xiàn)在PC機上控制目標板單步或全速運行，并可以實時地察看或修改寄存器及存儲器的值。
系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了一個遠程調(diào)試協(xié)議EmRDI，它采用點對點的連接方式，以請求響應的方式進行交互。調(diào)試請求由PC機上的調(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)行相應的操作之后，以USB數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送回PC機（即響應過程）。
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、設(shè)置/清除軟件斷點、設(shè)置/清除數(shù)據(jù)觀察點、復位、停止運行、全速/單步運行和返回處理器狀態(tài)/設(shè)備標識符。經(jīng)驗證，這些請求的組合，可以實現(xiàn)PC機對目標機上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機通過USB總線連接，與目標板則遵循JTAG調(diào)試接口標準。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引腳串行移進移出。
PC機上需要實現(xiàn)：EmJTAG的USB驅(qū)動程序和調(diào)試器軟件。
EmJTAG上需要實現(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)計和實現(xiàn)
系統(tǒng)的硬件部分主要是指協(xié)議轉(zhuǎn)換器EmJTAG的實現(xiàn)。協(xié)議轉(zhuǎn)換器的功能，就是接收PC機上調(diào)試器軟件發(fā)送的遠程調(diào)試協(xié)議信息，將它轉(zhuǎn)換成JTAG時序信號發(fā)送到目標板，然后把目標板的反饋信息或者數(shù)據(jù)返回給PC機的調(diào)試器軟件。
EmJTAG使用意法半導體（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機通信方面，USB接口部分只需要將DP腳上拉一個電阻，使PC機識別到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個信號連接到標準的JTAG接口上。TAP控制器復位信號nTRST和系統(tǒng)復位信號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)部集成的電壓校準器產(chǎn)生3.3 V來提供電壓。
3 軟件設(shè)計和實現(xiàn)
軟件部分主要包括： PC機上的調(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機的應用程序可以進行數(shù)據(jù)交互。
3.3 EmJTAG中的固件程序
固件程序使用意法半導體(ST)開發(fā)工具STVD7 for InDART STX進行開發(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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