目前應用Motorola微處理器開發嵌入式系統時基本上都是使用Motorola公司提供的開發系統或者CodeWarrior公司的開發系統等付費昂貴的調試工具。最近由于Flash技術的發展，特別是一些CPU(如CPU12/16/32/32＋，PowerPC5xx/8xx，ColdFire等)可以用JTAG口在背景模式下調試，故仿真器已可以省去。而且隨著BDM調試模式逐漸標準化，自制BDM調試工具變得越來越容易，特別是對于支持BDM調試模式的多種類型的CPU，自己設計的BDM調試系統只需少量的改動即可移植使用，而不必重復購買價格昂貴的調試開發系統，這樣做可以節省大量的成本。

1　BDM調試模式介紹

Motorola微處理器的調試模塊針對不同場合的應用分別提供了3種調試支持：實時跟蹤、BDM調試和實時調試。實時跟蹤是要求能夠跟蹤應用程序的動態執行路徑，這是實時系統的基本要求；在BDM調試方式下，處理器被停機，大量的命令可以被發送到處理器中訪問內存和寄存器，外部仿真系統使用一個三腳、串行的雙工通道與處理器通信；實時調試則可以不需要CPU停止運行，調試中斷允許實時系統執行一個惟一的服務例程，快速保存主要的寄存器和變量等上下文內容，并使系統立即返回到正常操作，外部的開發系統能訪問被保存的數據是因為硬件支持處理器和BDM初始化命令的一致性操作。

其中BDM調試模式為設計人員提供了一種低層次的調試手段，讓用戶能夠中斷CPU的運行，單步調試程序，讀取CPU的各個寄存器的內容，這些僅僅是通過向CPU發送幾個簡單的命令就可以實現，顯然，這樣使調試軟件的設計很簡單，通常自己就可以編寫。硬件調試卡的設計也非常簡單，關鍵是要滿足好通信時序關系和電平轉換要求。

這幾種調試方式都共用26腳的BDM調試引腳信號，這些信號的定義如表1所示，BDM調試主要使用了DSCLK，DSI，DSO三種信號。


2　BDM調試系統的運行條件及其系統組成

(1)系統運行的限制條件

盡管許多BDM命令可以與處理器并行操作，但是要想安全可靠地使用BDM操作，最好的方法就是讓處理器停止運行。但是停機操作對于那些要求實時響應的應用程序的調試顯然不理想。但是由于實時跟蹤和實時調試模塊與BDM調試模塊引腳共用，所以升級和擴展BDM調試系統，可以很容易支持實時應用程序的調試。

(2)BDM調試系統組成

該系統主要由3個部分組成，如圖1所示?！?br />
BDM調試卡作用是完成從并口到BDM調試端口(信號定義如表1所示)的操作時序的轉換；BDM調試卡的驅動程序則是完成開發系統與待開發的嵌入式系統的通信過程處理，如合成一定格式的數據包、解釋接收到的應答數據或者微處理器的狀態數據等；BDM調試軟件則是功能軟件，完成讀寫指定位置的Flash或者SRAM數據、暫停、復位等功能。

值得注意的是，由于現在BDM調試模塊的標準化，調試卡和驅動程序在不同型號的CPU上將具有通用性，只是BDM調試軟件需要根據各種CPU對應的指令集來稍加修改即可復用。下面將以作者開發的一個針對Motorola公司的32位單片機MCF5272設計BDM調試系統的過程進行論述。

3　CodeFire系列處理器MCF5272的BDM調試系統的設計

3．1　BDM調試卡設計

BDM接口的串行操作時序分析如圖2所示。從圖2中可以看出，在調試模塊的串行狀態機中所有的事件是基于處理器時鐘(PSTCLK)的上升沿的。DSCLK的頻率是PSTCLK的1/5，并且DSCLK的上升沿相對于PSTCLK的上升沿有一定的延時。這里的 DSCLK的作用類似于周期性的使能信號。每一次串行數據的傳輸可分為4個階段：C1，C2，C3和C4。在DSCLK的高電平期間，數據從DSI輸入，經過2個PSTCLK周期的同步(C1和C2)而被采樣，然后在DSCLK的低電平期間PSTCLK的第1個上升沿處(C3)來臨時BDM狀態機改變狀態，隨后在第2個PSTCLK上升沿(C4)，DSI準備傳送新的數據，DSO上則輸出原來數據輸入相對應的應答數據。BDM狀態機在DSI上數據采樣檢測到的時候改變狀態，當所有的數據傳輸完畢，BDM狀態機的狀態也就不會有什么改變。

根據BDM端口的信號定義，不難看出這些信號都是單向的。其中要注意的是：PSTCLK是調試模塊從處理器中獲取的，而DSCLK則是外部的開發系統產生的。要實現從并口到BDM口的時序操作轉換，最簡單的方式是使并口工作在SPP端口模式下的4位組模式，在該模式下每次通過狀態端口的4個狀態位反向傳送半個字節，兩次傳輸完成向PC機傳送一個字節數據［1］。他的操作時序如圖3所示。


由于所有的信號都是單向的，時序和邏輯比較簡單，因此，采用GAL器件實現并口操作時序與BDM操作時序的轉換。GAL要實現的功能主要是數據的串并和并串轉換。

GAL器件與并口接口的信號有：

輸入信號：D0～D7，C1(主機忙狀態線)，DSCLK(提供串行通信時鐘信號)。
輸出信號：S3，S4，S5，S7(這4個信號做數據反向輸出)，S6(給PC機提供一個中斷信號)。

他與BDM端口接口的信號有：

輸入信號：PSTCLK，DSO。
輸出信號：DSI。　

故需配置12個輸入端和6個輸出端，故選用74GAL16V8的器件即可滿足要求［2］?，F在GAL器件要實現的即是將與并口接口的輸入信號(D0～D7，C1，DSCLK)轉換成與BDM接口的輸出信號(DSI)，同理，也要將與BDM端口接口的輸入信號(PSTCLK，DSO)轉換成與并口接口的輸出信號(S3，S4，S5，S6，S7)，實現了這2個轉換，然后對GAL編程，設計PCB版圖，可以很快做出BDM調試卡。

3．2　BDM驅動程序的設計

BDM調試卡已經實現了并口到BDM口的時序操作轉換，按照一定的數據格式傳送和接收數據則是BDM調試卡的驅動程序要完成的工作，驅動程序對數據的處理分為2層：底層完成基本的字節數據的收發(恢復和拆分)；上層則完成數據包的收發。底層的數據收發原理在調試卡的設計過程中已經做了詳細的介紹，以下主要介紹數據包的收發處理程序設計應注意的事項。

從BDM操作時序圖中可以看出，串行通道數據傳輸速度從直流到PSTCLK頻率的1/5頻率之間，該通道使用雙工模式，數據可在主控設備和從控設備之間同時發送和接收，每次傳送的數據塊由一個17 b的數據包組成，該數據包由一個狀態/控制位和一個16 b數據字組成。數據格式如下所示：

發送數據時最高位為控制標志，該位保留，在開發系統向CPU發出命令和數據時，該位應該被清除。

接收數據時最高位為狀態標志位，指示從CPU返回的消息類型。他與數據域及數據表示的消息含義之間的關系為：

顯然，由于每次只能傳送一個字節，故發送一個數據包需要執行3次傳送操作。應注意由于并口工作在4位組模式，每次只能接收4 b數據［1］，而并口操作是以字節為單位進行的，因此，實際上接收一個數據包最少應該執行6次接收操作，而不是5次。也即是說最后剩下一位數據也要當一個字節傳送，這在驅動程序的設計當中很容易弄錯。

BDM調試模塊為外部開發系統提供了12個基本類型的命令(用助記符表示)：RAREG/RDREG(讀A/D寄存器)，WAREG/WDREG(寫A/D寄存器)，READ(從存儲器讀數據)，WRITE(向存儲器寫數據)，DUMP(與READ命令結合使用轉儲數據塊)，FILL(與WRITE命令結合使用填充數據塊)，GO(繼續執行程序)，NOP(不做任何操作，可以被用做一個空指令)，RCREG(讀系統控制寄存器)，WCREG(向系統控制寄存器寫入數據)，RDMREG(讀調試模塊寄存器)，WDMREG(寫向調試模塊寄存器寫入數據)；各種命令和他對應的應答數據的格式可以從MCF5272芯片資料上查到。上層驅動程序最終的任務就是實現這12種基本命令數據和應答數據的收發，并為調試軟件提供相應的函數調用接口，具體的驅動程序設計比較簡單，關鍵是要注意對從調試模塊返回的狀態數據進行出錯處理。特別是應該區別CPU還沒準備好和總線操作被中止2種消息。前者出現的比較多，一般是在CPU正在執行一個任務，不能及時響應BDM命令時返回的消息，而后者則往往是CPU執行了2條有沖突的指令(也即是非法訪問資源)。這個在驅動程序中看不出有很大的區別，但是在調試應用程序時經常報告“BUSError”信息。

3．3　BDM調試軟件的設計

該軟件應該具有如下基本的功能：系統初始化，重啟系統，檢查CPU外圍期間工作是否正常，讀寫Flash中的數據，讀寫SRAM中的數據，單步執行程序。

調試軟件主要是調用驅動程序實現的12種BDM調試命令接口函數來實現各種功能的。其中需要傳遞參數給驅動程序的有：

①檢查外部設備接口是否工作正常：如RS232串口、USB口、并口、網口等。這類操作需要接口地址和中斷號等參數，并且需要返回操作結果。

②讀寫SRAM和Flash中的數據：這些操作需要提供存儲器的地址范圍。

調試軟件的設計因開發系統的操作系統不同，在實現上有比較大的區別，但處理過程基本相同，因此，軟件的設計也比較簡單，沒有必要贅述。

3．4　系統運行及其測試

應用MCF5272做嵌入式系統開發時，開發平臺的操作系統是RedHatLinux，因此，驅動程序和調試軟件都是針對Linux設計的。驅動程序將BDM調試卡作為一個字符設備看待，BDM卡的初始化是在/usr/src/linux/driverschar/mem．c中添加BDM卡初始化代碼［3］，該設備的基本入口點在驅動程序的file＿operation結構中，對BDM卡的操作命令均在此實現，具體代碼不再詳述。

調試系統做整體測試時，首先要在Linux下創建一個字符型的BDM設備，然后執行insmod命令將驅動程序模塊打入操作系統內核中［3］，在成功地創建了BDM設備文件和安裝好BDM調試卡的驅動程序之后，就可以調試和執行該調試軟件了。

4　結語

BDM調試系統具有成本低、操作方便、移植簡單等特點。在Linux環境下針對MCF5272成功開發了BDM調試系統后，又先后將該系統軟件稍加改動，就輕易地移植到與MCF5272同屬ColdFire系列的MCF5249和Power PC系列的MPC555等CPU上，并且在Window下重新編寫了驅動程序和調試軟件，使用圖形界面操作，基本上達到了CodeWarrior相應軟件的功能，為產品的快速低成本開發做出了貢獻。