一种嵌入式系统实现的JTAG调试器

JTAG调试器硬件是以基于ARM7芯片的嵌入式系统实现的。该系统以带以太网接口的ARM芯片S3C4510B为核心处理器, 以μClinux为嵌入式操作系统。JTAG调试器软件主要包括两部分: JTAG调试器与目标机的接口模块和与调试主机的接口模块。具体结构框图如图2 所示。

嵌入式系统设计

　　设计并制作标准的S3C4510B应用系统, 主要配置为2MBFLASH、16MBSDRAM、10/100Mbps 自适应以太网口、终端接口、并行I/O 接口等。利用S3C4510B 的通用I/O口中的P[4]、P[5]、P[6]、P[8]分别模拟JTAG标准中TAP的4个信号接口, 即TCK、TMS、TDI、TDO。

　　从软件上看, 需要将μClinux 操作系统移植到设计制作的基于S3C4510B的JTAG调试器硬件平台上, 以便开发基于网络的调试器软件。μCLinux是为没有内存管理单元(MMU)的处理器设计的一种嵌入式操作系统,它继承了桌面Linux的强大网络功能,其内核采用模块化的组织结构,通过增减内核模块的方式来增减系统的功能。

　　通常, 在PC机上通过并口模拟JTAG时序,也可以按照标准仿真器设计JTAG调试器。与上述方案不同,本设计采用开放源代码软件设计JTAG调试器应用软件,主要参考了Open- JTAG小组开发的通过PC机并口实现JTAG操作的软件jtager - 1.0.0,将其中对PC 机并口的操作改为对S3C4510B口线的操作,通过设置S3C4510B的通用I/O口模式寄存器IOPMOD 的值可将P[4]、P[5]、P[6]设置为输出模式,将P[8]设置为输入模式,然后通过编程设置I/O口数据寄存器IOPDATA的值,控制P[4]、P[5]、P[6]、P[8]的状态实现JTAG标准要求的时序。随后,根据ARM7TDMI调试特性,修改操作代码,增加通过网络的远程调试功能。

　　ARM7TDMI 的JTAG 指令实现

　　ARM7TDMI 的指令寄存器长度是4位, 通过TAP和JTAG接口, 可以把指令装载到指令寄存器中。在CAPTURE-IR状态下, 固定值B0001总是被装载到指令寄存器中。在SHIFT- IR状态下, 可以把ARM7TDMI支持的新指令从TDI串行输入,同时固定值B0001会从TDO 串行输出。通过输出的这个固定值,可以判断当前的操作是否正确。在UPDATE- IR状态下, 新输入的指令被装载到指令寄存器中。在回到RUN- TEST/IDLE状态后,新指令立即生效。

　　IDCODE和SCAN_N是ARM7TDMI调试中经常用到的JTAG命令。IDCODE命令的二进制代码是1110。IDCODE命令将Device Identification Code寄存器连接到TDI和TDO之间。Device Identification Code寄存器的长度是32 位,通过TAP可以读到ARM7TDMI的ID。SCAN_N命令的二进制代码是0010。ARM7TDMI提供了4 条扫描链,通过SCAN_N指令可以选择需要访问的扫描链。选择扫描链的过程是:先把SCAN_N指令装载到指令寄存器中,该指令会将长度为4位的扫描链选择寄存器连接到TDI和TDO之间;通过TAP状态的转移便可使选择的扫描链连接到TDI和TDO之间。

　　另外BYPASS、INTEST、RESTART等JTAG指令的实现方法与上面两条指令的实现方法类似。

　　嵌入式ICE- RT 逻辑实现

　　嵌入式ICE- RT是ARM处理器内部集成的在线仿真功能模块,通过JTAG调试接口与外界交互,其中包含的常用寄存器如表1所示。

　　要访问嵌入式ICE- RT内部的寄存器,可通过扫描链2对Debug Control Register进行访问。实现过程:通过TAP将SCAN_N指令写入JTAG指令寄存器中,通过TDI将数值2写到扫描链选择寄存器中,即选择了扫描链2,在通过扫描链2访问任何嵌入式ICE- RT内部寄存器之前,还需要用INTEST指令将当前通过SCAN_N指令选择的扫描链置为内部测试状态。写入INTEST指令的过程和写入SCAN_N指令的过程类似。接下来就可以通过扫描链2访问嵌入式ICE- RT内部寄存器,实现对ARM7TDMI的基本调试功能。

　　ARM7TDMI 寄存器和内存访问的实现

　　边界扫描链分布在ARM7TDMI的32位数据总线的周围, ARM7TDMI每次取指令或者进行数据存储时都要通过32位数据总线进行。这样, 通过边界扫描链1, 就可以插入新指令或者新数据, 同时也可以捕获出现在数据总线上的数据。通过这种方式, 可以检查和修改ARM7TDMI的通用寄存器和系统内存。

　　以读取寄存器R0 的值为例, 介绍边界扫描链1 的操作过程, 如图3 所示。

读取寄存器R0的值可以用指令STR R0, [R0] ( 机器码为0xE5800000) 来实现。该指令可将寄存器R0 的值存储到内存单元R0中去。因为在ARM7TDMI处于调试状态时, ARM7TDMI和外部是隔离开的, 所以该指令实际上不能访问内存单元, 也不会对内存单元产生任何影响。使用指令STR R0, [R0]可使得寄存器R0的值出现在数据总线上, 这样就可以通过扫描链1将其捕获, 然后从TDO输出。指令STR R0, [R0]的执行需要两个指令执行周期。在第一个指令执行周期, 执行地址计算; 在第二