基于JTAG的ARM芯片系统调试

        1 引言

　　随着嵌入式处理器性能的逐步提高，运算速度越来越快、处理的数据量越来越大，传统的调试方法如ROM驻留监控程序以及串口调试工具已经不能满足要求。ARM处理器采用一种基于JTAG的ARM的内核调试通道，它具有典型的ICE功能，基于ARM的包含有Embedded ICE(嵌入式在线仿真器)模块的系统芯片通过JTAG端口与主计算机连接。通过配置支持正常的断点、观察点以及处理器和系统状态访问，完成调试。为了对代码进行实时跟踪，ARM的提供了嵌入式跟踪单元(Embedded Trace Macrocell)，对应用程序的调试将更加全面。

　　2 JTAG边界扫描原理

　　“JTAG边界扫描”或IEEE1149标准[1]是由“测试联合行动组”(Joint Test Action Group，简称JTAG)开发的针对PCB的“标准测试访问接口和边界扫描结构”的标准。这个标准是ARM处理器调试的基础。

　　2.1 硬件电路

　　JTAG边界扫描测试接口的一般结构[2]如图1所示。

　　

 

　　JTAG边界扫描硬件电路主要由三部分构成：

　　1) TAP控制器。测试访问端口(TAP)控制器，是由TMS控制状态转换的状态机。

　　2) 指令寄存器。用于存储JTAG边界扫描指令，通过它可以串行的输入并执行各种操作指令。

　　3) 数据寄存器。特定芯片的行为由测试指令寄存器的内容决定。测试指令寄存器可用来选择各种不同的数据寄存器。

　　2.2 边界扫描测试信号

　　支持这个测试标准的芯片必须提供5个专用信号接口：

　　? TRST：测试复位输入信号，低电平有效，为TAP控制器提供异步初始化信号。

　　? TCK：JTAG测试时钟，独立于任何系统时钟，为TAP控制器和寄存器提供测试参考。

　　? TMS：TAP控制器的测试模式选择信号，控制测试接口状态机的操作。

　　? TDI：JTAG指令和数据寄存器的串行输入端，给边界扫描链或指令寄存器提供数据。

　　? TDO：TAG指令和数据寄存器的串行输出。

　　2.3 指令

　　JTAG测试系统是通过向指令寄存器送入指令，然后使用数据寄存器进行测试。测试指令说明要进行的测试种类及测试要使用的数据寄存器。测试指令分为公开指令和私有指令。公开指令已经定义且用于通用测试。私用指令用于片上的专用测试，测试标准没有规定如何使用私有指令。测试标准支持的最小集的公开指令有：

　　? BYPASS：器件将TDI经一个时钟延时连接到TDO，用于同一个测试环中其它器件的测试。

　　? EXTEST：将边界扫描寄存器连接到TDI和TDO之间，用于支持板级连接测试。

　　? IDCODE：将ID寄存器连接到TDI和TDO之间。通过它可以读出器件ID(厂家赋与的固定标识，包括产品编号及版本码)。

　　? INTEST：将边界扫描寄存器连接到TDI和TDO之间。

　　3 EmbeddedICE

　　ARM的EmbeddedICE调试结构[3]是一种基于JTAG的ARM的内核调试通道，它是基于JTAG测试端口的扩展，引入了附加的断点和观测点寄存器，这些数据寄存器可以通过专用JTAG指令来访问，一个跟踪缓冲器也可用相似的方法访问。ARM核周围的扫描路径可以将指令加入ARM流水线并且不会干扰系统的其它部分。这些指令可以访问及修改ARM和系统的状态。由于EmbeddedICE条件断点，单步运行等功能的实现是基于片上JTAG测试访问端口进行调试，芯片不需要增加额外的引脚，避免使用笨重的、不可靠的探针接插设备完成调试。芯片中的调试模块与外部的系统时序分开，可以直接运行在芯片内部的独立时钟速度。

　　3.1 硬件结构

　　EmbeddedICE模块包括两个观察点寄存器和控制与状态寄存器，还包括一个Debug comms端口。当地址、数据和控制信号与观察点寄存器的编程数据相匹配时，也就是触发条件满足时，观察点寄存器可以中止处理器。由于比较是在屏蔽控制下进行的，因此当ROM或RAM中的一条指令执行时，任何一个观察点寄存器可配置为能够中止处理器的断点寄存器。

　　1) 观察点

　　每个观察点皆可以观察ARM地址总线、数据总线、和

等信号的特定组合值。任何一个组合值与观察点寄存器值匹配则中止处理器。另外一种方式是把两个观察点链接起来，只有第一个观察点先匹配了，当第二个观察点再匹配时将使处理器中止。

　　2) 寄存器

　　EmbeddedICE寄存器通过JTAG测试端口使用专用扫描链编程。扫描链38位长，包括32个数据位，5个地址位和一个控制寄存器是读还是写的 位。地址位指定特定的寄存器，地址和寄存器一一对应。

　　3) Debug comms端口

　　debug comms端口运行在目标系统上的软件可以通过这个端口与主机通信。运行在目标系统上的软件将comms端口视为一个6位控制寄存器和32位可读写寄存器，可以使用对协处理器14的MRC和MCR指令访问。主机将这些寄存器视为EmbeddedICE寄存器。

　　3.2 实现原理

　　1) 访问状态

　　EmbeddedICE模块允许程序在指定点中止，但不允许直接观测、修改处理器或系统状态。这可以通过属于JTAG端口访问的扫描路径实现。访问处理器状态的方法是中止处理器，再在处理器指令序列中强制插入一条多寄存器存取指令。然后通过扫描链向处理器加入时钟，使处理器将寄存器内容送到数据端口。每个寄存器的值都可以被扫描链采样并移出。

　　2) 调试

　　基于ARM的包括EmbeddedICE模块的系统芯片通过JTAG端口和协议转换器与主计算机连接。这种配置支持正常的断点、观察点以及处理器和系统状态访问，(除上面介绍的comms端口以外)这是程序设计人员在本地或基于ICE的调试中习惯采用的方式。采用适当的主机调试软件，以较少的硬件代价得到完全的源代码级调试功能。