基于SOPC的M8051嵌入式调试器设计

引言
在嵌入式系统开发过程中，上位机通过调试器完成对目标机软件的开发、下载、调试。早期的调试器与上位机之间通过串口或并口通信，存在速度慢、通用性差等缺陷。相比之下，USB接口优势明显，具备速度快、易插拔、支持多个调试器同时工作等优势。但目前的USB接口调试器一般采用USB芯片和可编程器件结合的实现方式，成本和复杂度较高。
M8051是Mentor公司的嵌入式8051处理器，凭借良好的性能和功耗控制，占据了大量的SoC(System on a Chip)市场。该处理器集成了OCI(On-Chip Instrumentation，片上调试单元)来完成程序的调试。FS2公司设计的System Navigator是一款针对M8051的调试器，但该产品价格过于昂贵。本文通过研究M8051的调试结构，设计一款基于SOPC(System on a Programmable Chip)的M8051调试器，实现对M8051核心的高效、低成本的开发。

1 M8051片上调试技术的研究
1．1 典型的OCD调试系统
目前，嵌入式调试领域的趋势是在MCU上集成一个专门用于调试的功能模块，并且提供一个专用接口开放给用户。用户通过该调试控制模块来实现停止／继续CPU的运行，并访问目标机上的各种资源，这就是OCD(On-Chip Debug，片上调试)技术。同时，JTAG作为应用最广泛的系统级测试技术，控制逻辑简单、实现方便，常作为片上调试模块的测试接口。
一个完整的OCD调试系统通常包括调试主机、调试协议转换器(或调试器)、目标机三个部分。调试主机运行调试软件，并通过调试器与目标机相连；调试器将主机发出的调试命令和数据转换为基于目标机OCD模块和JTAG接口的调试数据；目标机的OCD模块接收到调试器发来的JTA G数据，完成对CPU的逻辑控制。典型的OCD调试系统如图1所示。

1．2 M8051的片上调试结构
M8051核心的调试功能由其片上的OCI模块完成。OCI模块通过JTAG口与外部通信，其实现完全符合IEEE-1149．1。具体来说，TAP控制器接收一系列的JTAG边界扫描链读写时序，完成对扫描链上的IR和DR的读写。OCI模块内部的Tracc模块、Trigger模块和Dcbug模块根据IR和DR的内容，产生相应的控制信号给处理器，达到控制M8051处理器的运行或者读取处理器信息的目的。以上就是OCI模块的基本调试原理。M805 1OCI模块的体系结构如图2所示。

2 基于SOPC的M8051调试器的设计
2．1 调试系统的总体设计
在研究了OCD测试技术和M8051片上调试结构OCI的基础上，本文提出了M8051调试系统的总体设计方案。该方案通过USB接口与上位机通信，调试器主体由一个FPGA芯片实现。其总体结构图如图3所示。

上位机运行调试软件，将编译器的各种调试操作，通过调试接口函数转化为各种调试协议数据；再将这些调试协议数据通过底层通信模块发送给M8051调试器。本设计的底层通信接口是USB接口。编译器选择应用最为广泛的且具备开放调试接口函数AGDI的Keil C51编译器。
M8051调试器本身主要由USB控制器模块、8051处理器和JTAG控制器模块组成。USH控制器在8051处理器的控制下接收来自上位机的调试协议数据；JTAG控制器模块负责将这些调试协议数据转化为基于OCI结构的底层调试命令集，并以JTAG边界扫描链读写时序发送出来。
M8051目标机通过OCI模块的JTAG接口，接收M8051调试器发送的底层调试命令，完成对M8051目标机的调试，并将返回值通过JTAG接口送回M8051调试器。
2．2 调试器的硬件设计
目前，市场上流行的基于USB接口的调试器，硬件一般以一个USB2．0控制芯片为核心，完成数据通信和调试协议数据解析，同时配置一个可编程器件实现JTAG边界扫描链读写时序。本文出于成本和系统复杂度的考虑，并结合FPGA的优势，创新地使用单独的FPGA芯片实现调试器的全部功能，简化电路板和系统设计，降低系统成本。硬件结构如图4所示。

调试器的主要硬件包括：Xilinx公司高性价比的Spartan-6 FPGA，Flash配置芯片XCF04S，缓冲器芯片74LCX245作为JTAG接口的电气隔离及电源转换芯片。USB控制器、8051处理器、片内SRAM和JTAG控制器等功能模块均以IP核的彤式在FPGA上实现。USB控制器采用Mentor公司的MUSB全速(12 Mhps)控制器IP核，8051处理器采用Mcntor公司的M8051EW IP核。系统上电后，配置芯片自动完成对FPGA的配置，保证系统的非易失性。
JTAG控制器模块是本系统硬件部分的核心模块。本文中JTAG控制器是基于M8051的OCI模块实现的，主要任务接收调试固件发送过来的调试协议数据，转化为OCI模块可识别的底层调试命令集，具体说就是一系列对于OCI模块的IR和DR的读写操作；再使用JTAG边界扫描链读写时序将这些底层命令发送给目标机。所以JTAG控制器模块分为两个部分：调试命令解析模块和JTAG边界扫描时序生成模块。JTAG控制器的结构如图5所示。