基于EmJTAG的ARM嵌入式系統調試工具
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ARM嵌入式系統的大致開發流程是：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；然后將目標文件轉化成可以下載到目標機運行的二進制代碼，在目標機上調試運行；最終將調試成功的二進制文件固化在目標機中。這一系列過程中，最關鍵的步驟就是在PC機上調試在目標機上運行的程序。這就需要采用遠程調試的方式，即在PC機上運行調試器軟件，被調試程序在目標機上運行。
本文描述了這樣一個遠程調試系統：利用USB批量傳輸的可靠性，將遠程調試協議EmRDI的報文封裝在USB數據包中；協議轉換器EmJTAG再根據接收到的USB數據包中的協議信息，轉換成適當的JTAG信號來控制和調試ARM核。協議轉換器EmJTAG由ST公司的ST72651芯片外加一片接口驅動芯片74LVC244來實現。ST72651內部集成了USB模塊和數據傳輸協處理器部件(DTC)，通過對DTC的編程來產生控制ARM核的邊界掃描序列，以產生相應的JTAG信號。
文章最終實現了PC機對ARM核的目標機的調試功能：PC機的調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，以及設置斷點和觀察點、讀寫寄存器/存儲器等。
1 系統組成及原理
如圖1所示，整個調試系統包括三部分： PC機（調試器）、協議轉換器（EmJTAG）以及目標板（基于ARM核）。調試的目的是實現在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。
系統設計實現了一個遠程調試協議EmRDI，它采用點對點的連接方式，以請求響應的方式進行交互。調試請求由PC機上的調試器軟件發出，經由USB總線傳輸至協議轉換器EmJTAG；EmJTAG解讀該協議請求，在執行相應的操作之后，以USB數據包的形式發送回PC機（即響應過程）。
EmRDI協議定義了如下一些調試請求：讀/寫核寄存器、讀/寫存儲器、設置/清除硬件斷點、設置/清除軟件斷點、設置/清除數據觀察點、復位、停止運行、全速/單步運行和返回處理器狀態/設備標識符。經驗證，這些請求的組合，可以實現PC機對目標機上ARM核的調試和控制功能。
EmRDI協議請求格式(16字節)如下：
EmRDI協議響應格式(8字節)如下：
ARM核的芯片基本上都遵循JTAG規范，并帶有邊界掃描功能，此類芯片內集成了一個JTAG電路結構。JTAG電路由TAP（測試訪問端口）、TAP控制器、指令寄存器、測試數據寄存器組成。另外，ARM7TDMI核還包含了一個提供在線調試支持的EmbeddedICE宏單元。
圖1 系統框圖
EmJTAG和PC機通過USB總線連接，與目標板則遵循JTAG調試接口標準。JTAG規范中，使用稱為“邊界掃描單元”的基本結構。邊界掃描單元將JTAG電路與處理器邏輯電路聯系起來，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據通過JTAG接口的TDI引腳和TDO引腳串行移進移出。
PC機上需要實現：EmJTAG的USB驅動程序和調試器軟件。
EmJTAG上需要實現：USB固件程序和用于產生JTAG信號的邊界掃描程序。
2 硬件設計和實現
系統的硬件部分主要是指協議轉換器EmJTAG的實現。協議轉換器的功能，就是接收PC機上調試器軟件發送的遠程調試協議信息，將它轉換成JTAG時序信號發送到目標板，然后把目標板的反饋信息或者數據返回給PC機的調試器軟件。
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的數據傳輸協處理器（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設備。DTC模塊產生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，顯示系統是否處于忙狀態。接口驅動芯片74LVC244由內部集成的電壓校準器產生3.3 V來提供電壓。
3 軟件設計和實現
軟件部分主要包括： PC機上的調試器軟件，EmJTAG協議轉換器的PC端驅動程序以及EmJTAG中的固件程序。
3.1 PC機上的調試器軟件
采用VC++ 6.0 MFC。其主要功能是與EmJTAG的PC端驅動程序通信，將調試命令通過USB總線發送至EmJTAG。
3.2 EmJTAG的PC端驅動程序
使用Driverstudio3.1開發Windows下的USB驅動程序，使EmJTAG和PC機的應用程序可以進行數據交互。
3.3 EmJTAG中的固件程序
固件程序使用意法半導體(ST)開發工具STVD7 for InDART STX進行開發。這一部分也是調試系統最重要的部分，即如何產生JTAG時序信號控制ARM核。EmJTAG中的固件分成以下多個模塊實現。
3.3.1 DTC軟件插件程序模塊
圖3 DTC功能框圖
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