基于ARM開發的JTAG仿真器的調試設計

基于JTAG仿真器的調試是目前ARM開發中采用最多的一種方式。大多數ARM設計采用了片上JTAG接口，并將其作為測試、調試方法的重要組成。

JTAG仿真器通過ARM芯片的JTAG邊界掃描口與ARM CPU核通信，實現了完全非插入式調試，不使用片上資源，不需要目標存儲器，不占用目標系統的任何端口。由于JTAG調試的目標程序是在目標板上執行，使得仿真更加接近于目標硬件[1]。
目前針對嵌入式系統開發的調試工具品種繁多，如ARM公司的AXD debugger軟件與Mutil-ICE仿真器等。但是大部分嵌入式調試工具價格過高，因此設計實現一種速度快、性能穩定、價格低廉、易于實現的ARM調試工具是十分必要的。
1 ARM JTAG調試原理
ARM典型的調試系統結構如圖1所示。調試系統包括調試主機、仿真器和調試目標。

調試主機是一臺運行調試軟件(例如ADS)的計算機。調試主機可以發出高層的調試命令，例如設置斷點、訪問內存等[2]。
仿真器用來將調試主機發出的高層調試命令轉換為底層的ARM JTAG調試命令。因為目標機無法識別調試主機發送來的高級命令，因此就需要仿真器將調試主機發出的高層調試命令轉換為底層的ARM JTAG調試命令[3]。在整個調試系統中起到重要的作用，其性能也決定了整個調試系統性能。
2 方案設計
本文提出了一種采用PHILIPS公司的ARM7芯片LPC2148設計，具有USB2.0通信方式、高速穩定的ARM仿真器實現方案，如圖2所示。

守護進程接收從IDE集成開發環境發送來的調試命令，將其通過USB總線轉發到ARM仿真器，ARM仿真器再將調試命令轉換成JTAG格式的信號并發送到I/O口，從而控制調試目標執行特定的操作，達到調試的目的。同理，從調試目標返回的數據，先經過ARM仿真器的譯碼，再經過守護進程返回到IDE開發環境，從而形成一個完整的調試系統。
3 硬件電路設計
本設計的最大特點是采用了LPC2148作為主控芯片。該芯片內部集成了ARM7TDMI-S微控制器和完全兼容USB2.0的設備控制器，支持32個物理(16個邏輯)端點；支持控制、批量、中斷和同步端點；所有端點都有一個雙向的DMA通道。因為芯片內部集成了USB控制器，大大降低了電路板的設計難度和開發成本。其硬件電路框圖如圖3所示。

(1)本機JTAG調試電路
為了便于調試和燒寫程序，將芯片LPC2148的JTAG接口接到一個20引腳的標準JTAG插口。本設計中使用引腳P0.8、P0.9、P0.10、P0.12、P0.14作為外部JTAG接口，盡量不用有其他接口功能的引腳，如P0.11、P0.14接口與I2C接口SCL1、SDA1功能復用，以便于將來的硬件升級。為了增強帶負載能力，使用一片74HC244芯片，同時為了盡量兼容大部分ARM開發板上的不同JTAG插口，本設計提供了一個20引腳的JTAG插口和一個14引腳的JTAG插口。

(2)USB電路(包括供電電路)
USB接口電路如圖4所示。為了使LPC2148的軟件可以更靈活地控制USB設備與主機之間的連接，本接口電路使用P0.31(只能使用該引腳)來實現SoftConnect特性。當P0.31輸出低電平時，D+線通過電阻上拉到VDD3.3，通知USB主機：USB設備與其建立連接；當P0.31輸出高電平時，D+線斷開與VDD3.3的連接，通知USB主機：USB設備已經斷開與USB主機的連接。

Q1選用的是P溝道MOS管，而不選用普通的PNP三極管，因為MOS管是電壓驅動型，驅動電流幾乎為0；而普通的PNP三極管是電流驅動，需要一定的驅動電流。導通時，P0.31_P17有可能被拉低，LPC2148要求該引腳在復位引腳為低電平期間不能被拉低，否則JTAG口將被禁止，因此必須選用P溝道的MOS管。LPC2148的P0.23引腳為USB設備控制器，用于檢測USB總線是否插入檢測引腳[4]。
4 仿真器固件程序設計
仿真器LPC2148芯片中的固件程序實現的功能包括：通過USB與上位機軟件進行通信，并將上位機發送過來的、經過封裝的USB數據流轉換為JTAG信號，并最終送到相應的引腳或者將相應引腳的數據經過封裝后，通過USB傳送到PC機中。圖5為應用程序的流程圖。

主函數首先將作為JTAG接口使用的5個引腳設置成相應屬性，并完成USB設備初始化，配置中斷向量、開中斷，然后進入無限循環函數。
無限循環函數首先處理USB事件，如USB控制傳輸、USB總線復位等。然后判斷標志位是否收到數據，如果未收到則繼續執行無限循環；如果收到了數據，則將數據從端點緩沖區讀出，再交給數據處理函數處理。數據處理函數按照上位機程序對數據封裝方式進行解析，根據解析的命令(讀取TDI、寫TMS或TDO等)，通過分支處理跳到相應的處理函數。在這個過程中如果上位機要讀取調試目標數據，可將相應的值按同樣格式進行封裝，然后通過USB發送到上位機。數據封裝格式如圖6所示。

C語言定義的命令碼如下：
#define UNKOWN_COMMAND 0x00//未知指令
#define PORT_DIRECTION 0x01?? //設置端口方向為輸入或輸出
#define PORT_SET 0x02? //將JTAG端口的引腳都設為高電平
#define PORT_GET 0x03 //讀JTAG端口的引腳數據
#define PORT_SETBIT? 0x04? //設置JTAG端口的某一位為1，由DATA[0]中數據決定設置的具體位數
#define PORT_GETBIT? 0x05//讀取JTAG端口的某一位為1，由DATA[0]中數據決定讀取的具體位數
#define WRITE_TDI 0x06//寫TDI信號命令
#define READ_TDO 0x07?? //讀TDO信號命令
#define WRITE_AND_READ 0x08//讀寫指令，對TDI寫一位，對TDO一位
#define WRITE_TMS 0x09? //寫TMS信號命令
#define WRITE_TMS_CHAIN 0x0A? //寫TMS掃描鏈命令
本仿真器經實際測試下載速度穩定在30 KB/s左右，具有單步、全速、設置斷點(兩個硬斷點和無數軟斷點)等功能。本文提出了一種具有硬件電路設計簡單、價格低廉、調試速度快的ARM仿真器設計方案，是取代傳統并口方式ARM仿真器的一種確實可行的方案。
參考文獻
[1] 田澤．嵌入式系統開發與應用[M]．北京:北京航空航天大學出版社，2004.
[2] 鄧春梅.嵌入式系統軟件仿真技術的研究與實現[D].成都：電子科技大學，2004.
[3] 楊晶箐．USB接口的邊界掃描測試控制器的設計與實現[D].成都:成都電子科技大學，2006.
[4] 周立功，張華．深入淺出ARM7-LPC213x/214x[M]．北京:北京航空航天大學出版社，2005.