一種通用型JTAG調(diào)試器的設(shè)計

System-ON-a-Programmable-Chip，即可編程片上系統(tǒng)。 用可編程邏輯技術(shù)把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱作SOPC?？删幊唐舷到y(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。SOPC它是用可編程邏輯技術(shù)把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上，來用于嵌入式系統(tǒng)的研究和電子信息處理。 SOPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能但它不是簡單的SOC,它也是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。

SOPC設(shè)計技術(shù)涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的全部內(nèi)容，除了以處理器和實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）為中心的軟件設(shè)計技術(shù)、以PCB和信號完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計技術(shù)以外，SOPC還涉及目前以引起普遍關(guān)注的軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)。由于SOPC的主要邏輯設(shè)計是在可編程邏輯器件內(nèi)部進(jìn)行，而BGA封裝已被廣泛應(yīng)用在微封裝領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的調(diào)試設(shè)備，如：邏輯分析儀和數(shù)字示波器，已很難進(jìn)行直接測試分析，因此，必將對以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)提出更高的要求。同時，新的調(diào)試技術(shù)也已不斷涌現(xiàn)出來，如Xilinx公司的片內(nèi)邏輯分析儀Chip Scope ILA就是一種價廉物美的片內(nèi)實時調(diào)試工具。

本文利用SOPC技術(shù)的特點，設(shè)計一種通用型調(diào)試器。根據(jù)待調(diào)試目標(biāo)板的CPU型號，將相應(yīng)的調(diào)試IPcore和其他通用IPcore一起編譯生成一個嵌入式調(diào)試系統(tǒng)，下載到FPGA上，實現(xiàn)一個通用型調(diào)試器。在使用同一個硬件系統(tǒng)的情況下，可以選擇不同的調(diào)試IPcore來調(diào)試不同的CPU，而不同的IPcore可以方便的互相替換。

1 JTAG調(diào)試原理

JTAG是英文“Joint Test Action Group（聯(lián)合測試行為組織）”的詞頭字母的簡寫，該組織成立于1985 年，是由幾家主要的電子制造商發(fā)起制訂的PCB 和IC 測試標(biāo)準(zhǔn)。JTAG 建議于1990 年被IEEE 批準(zhǔn)為IEEE1149.1-1990 測試訪問端口和邊界掃描結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了進(jìn)行邊界掃描所需要的硬件和軟件。自從1990 年批準(zhǔn)后，IEEE 分別于1993 年和1995 年對該標(biāo)準(zhǔn)作了補充，形成了現(xiàn)在使用的IEEE1149.1a-1993 和IEEE1149.1b-1994。JTAG 主要應(yīng)用于：電路的邊界掃描測試和可編程芯片的在線系統(tǒng)編程。

目前在線仿真調(diào)試器中使用最多的調(diào)試方法都是基于JTAG標(biāo)準(zhǔn)。1986年，聯(lián)合測試行動組發(fā)表了最早的邊界掃描測試規(guī)范（Boundary Scan Testing），經(jīng)不斷改進(jìn)，1990年被批準(zhǔn)為IEEE Std 1149.1a標(biāo)準(zhǔn)，簡稱JTAG標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在大多數(shù)復(fù)雜的IC芯片都帶有JTAG調(diào)試接口。

JTAG調(diào)試原理的基礎(chǔ)是邊界掃描測試。它通過在芯片的每個I／0腳附加一個邊界掃描單元（BoundaryScan Cell，BSC）以及一些附加的測試控制邏輯來實現(xiàn)。每個BSC有兩個數(shù)據(jù)通道：一個是測試數(shù)據(jù)通道——測試數(shù)據(jù)輸入TDI（Test Data Input）、測試數(shù)據(jù)輸出TD0（Test Data 0utput）；另一個是正常數(shù)據(jù)通道——正常數(shù)據(jù)輸入NDI（Normal Data Input）、正常數(shù)據(jù)輸出ND0（Normal Data Output）。在正常工作狀態(tài)，輸入和輸出數(shù)據(jù)可以自由通過每個BSC，正常工作數(shù)據(jù)從NDI進(jìn)，從NDO出。在測試狀態(tài)，可以選擇數(shù)據(jù)流動的通道：對于輸入引腳，可以選擇從NDI或從TDI輸入數(shù)據(jù)；對于輸出引腳，可以選擇從BSC輸出數(shù)據(jù)至NDO或至TDO。

JTAG控制器主要由3部分組成：測試端口控制器（Test Access Port，TAP）、指令寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。其中，TAP控制器是JTAG的核心控制器，需要以下5個控制信號：TCK（邊界掃描時鐘）、TMS（JTAG測試模式選擇）、TDI（串行邊界掃描輸入數(shù)據(jù)）、TDO（串行邊界掃描輸出數(shù)據(jù)）和TRST（JTAG測試邏輯復(fù)位）。TAP控制器的狀態(tài)機(jī)如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

本文采用A1tera的FPGA器件實現(xiàn)了圖2所示的硬件結(jié)構(gòu)。

上圖列出了所需要的各類IPcore，其中大部分在Altera的開發(fā)包中可以找到，主要包括：

Nios II／f CPU，50 MHz，Altera提供的免費軟核CPU。

Avalon總線，用于數(shù)據(jù)通信。

Flash控制器，用于控制和操作Flash芯片。Flash芯片中靜態(tài)存放操作系統(tǒng)、1wIP協(xié)議棧及其他調(diào)試代碼。本系統(tǒng)中使用的Flash芯片為Am29LVl60D，容量為2MB。

SDRAM控制器，用于控制和操作SDRAM芯片。SDRAM芯片用于動態(tài)執(zhí)行調(diào)試程序。本系統(tǒng)中使用的SDRAM芯片為三星公司的K4S640432，容量為8 MB。

Ethernet控制器，用于控制和操作網(wǎng)卡芯片。仿真器使用這個以太網(wǎng)口與PC部分的集成開發(fā)環(huán)境通信。本系統(tǒng)中使用的網(wǎng)卡芯片為LAN91C111。

ARM7TDMI JTAG IPcore，仿真調(diào)試IPcore，需要自主開發(fā)。其內(nèi)部邏輯用Verilog語言實現(xiàn)，然后按照Altera IPcore的標(biāo)準(zhǔn)編寫IPcore描述文件，最后掛在三態(tài)總線上，完成全部調(diào)試功能。

TCK發(fā)生器，TCK脈沖產(chǎn)生邏輯，需要自主開發(fā)。它利用Nios的時鐘生成TCK信號，作為時鐘來驅(qū)動ARM7TDMI JTAG IPcore。它被做成一個小的功能模塊，通過PIO與三態(tài)總線通信。

上述所介紹的IPcore使用Altera公司的開發(fā)工具Quartus II編譯，最后下載到Altera FPGA中。本系統(tǒng)使用的CPGA芯片是Cyclone系列的EPlCl2。該芯片包含12 060個邏輯單元，具有239 616位RAM，片上集成2個鎖相環(huán)，最大用戶I／O引腳達(dá)到249個。

該硬件結(jié)構(gòu)很好地體現(xiàn)了SOPC的概念，所有的IPcore（包括Altera公司發(fā)布和自主開發(fā)的）集成在一片F(xiàn)PGA上。一個片上系統(tǒng)就基本包含了在線仿真器的絕大部分功能，任何硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計的變化都在該片F(xiàn)PGA上，這使得通用在線仿真器這個概念得以實現(xiàn)。對其他芯片在線仿真，只需更改ARM7TDMI JTAG IPcore模塊，重新下載到FPGA中，便可以對另一種處理器芯片進(jìn)行在線仿真。該IPcore用Verilog語言實現(xiàn)，保存為armjtag.v文件。通過Quartus II里的SOPC Builder可以將該文件生成組件，再將其加入Nios系統(tǒng)中。

2.2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)的軟件部分包括2個模塊：一是PC端的開發(fā)調(diào)試界面，二是調(diào)試器里面的控制程序。2個模塊通過TCP／IP協(xié)議通信。

PC端開發(fā)調(diào)試界面的主要功能是接收用戶的調(diào)試命令，并顯示調(diào)試結(jié)果。這是系統(tǒng)與用戶進(jìn)行交互的唯一方式。開發(fā)調(diào)試界面對上給用戶提供統(tǒng)一的調(diào)試功能接口，對下給調(diào)試器提供統(tǒng)一的調(diào)試命令。本系統(tǒng)使用VisualC++開發(fā)。

調(diào)試器是自從計算機(jī)誕生伊始就始終伴隨著程序員的一個摯友，起初的調(diào)試器都是基于硬件直接實現(xiàn)的。直到計算機(jī)行業(yè)有了比較突出的發(fā)展之后，商業(yè)化的軟件調(diào)試器才與計算機(jī)程序編寫工作人員們見面。作為軟件維護(hù)與錯誤修正的一個最重要、最直接，也是必不可少的一種機(jī)制，中央處理器制造商也在不厭其煩地在CPU物理結(jié)構(gòu)上支持著調(diào)試這種行為。調(diào)試器里的控制程序主要功能是將上層用戶調(diào)試命令轉(zhuǎn)換成特定的JTAG指令序列，并控制IPcore將其發(fā)送出去，同時接收J(rèn)TAG反饋信息并發(fā)送回用戶界面。本系統(tǒng)使用Nios IDE來開發(fā)。在Nios IDE的工程屬性中加入LwIP和μC／OS組件。主程序首先初始化μC／0S，初始化LwIP協(xié)議棧，再啟動μC／OS。所有程序控制放在μC／OS的OSStart（）任務(wù)里。該任務(wù)首先建立一個套接字，然后在死循環(huán)中等待數(shù)據(jù)到來。當(dāng)收到來自PC端的調(diào)試命令后，從數(shù)據(jù)包中分離出命令字和參數(shù)，將命令字轉(zhuǎn)換成IPcore需要的調(diào)試命令，通過Avalon總線將其發(fā)送到IPcore，并等待IPcore工作完成。最后將IPcore傳回的數(shù)據(jù)打包發(fā)回PC端。

目前提供的通用調(diào)試命令如表1所列。

在TCP／IP數(shù)據(jù)包中，有效數(shù)據(jù)為12字節(jié)。第1至4字節(jié)是命令代碼，第5至8字節(jié)為命令參數(shù)1，第9到12字節(jié)為命令參數(shù)2。命令參數(shù)1和命令參數(shù)2是否有效取決于命令代碼。主控制程序收到數(shù)據(jù)包后，將命令代碼發(fā)往JTAG IPcore的指令端口地址，并根據(jù)命令代碼向參數(shù)端口地址發(fā)送命令參數(shù)1。

在SOPC的硬件系統(tǒng)設(shè)計中，所有的外設(shè)都是統(tǒng)一編址。將JTAG IPcore的指令端口地址和參數(shù)端口地址分別設(shè)置成0x00910850和0x00910860，端口位寬為32位。因此在程序里，往IPcore發(fā)送指令只需要往地址0x00910850寫32位數(shù)據(jù)；往IPcore發(fā)送參數(shù)只需要往地址Ox00910860寫32位數(shù)據(jù)。反饋數(shù)據(jù)端口地址設(shè)置成Ox00910870，端口位寬為32位。

2.3 JTAG IPcore的實現(xiàn)

JTAG IPcore是本調(diào)試器的核心，下面簡單介紹一下該部分的實現(xiàn)。

IPcore的接口如圖3所示。

該IPcore的對外接口由兩部分組成：一是與Avalon總線通信的接口部分，即圖中的左邊部分；二是與被調(diào)試CPU通信的接口部分，即圖中的右邊部分。另外，在整個實現(xiàn)中，定義了一些重要的寄存器。

“reg[3000：O]tms，tdo分別用來存放完成當(dāng)前操作的tms序列和tdo序列。像訪問存儲器這樣的操作需要很長的tms序列和tdo序列，因此用了3001位。IPcore每次從這2個寄存器讀取1位后，就向?qū)?yīng)的引腳發(fā)送數(shù)據(jù)。tdi寄存器只用了134位，因為不是每個tdi輸入對JTAG調(diào)試都有用。parmreg寄存器用來存放總線上傳來的參數(shù)。tdidata寄存器用來存放從tdi引腳讀取的有效數(shù)據(jù)，將被發(fā)送到Avalon總線。

Avalon總線上來的指令發(fā)送到ins[31：0]端口。在調(diào)試器主程序里判斷指令，做出相應(yīng)的動作。當(dāng)IPcore讀取到某個指令后，根據(jù)命令代碼查找對應(yīng)的TMS命令序列，找到以后將命令序列送到tms寄存器。同時，通過parm[31：O]端口讀取命令參數(shù)，根據(jù)命令參數(shù)生成對應(yīng)的TDO序列，將其送到tdo寄存器。當(dāng)兩個寄存器的內(nèi)容準(zhǔn)備好后，在TCK時鐘的控制下，通過TMS引腳和TD0引腳分別串行輸出。在TDO引腳輸出的同時檢測TDI引腳，并在適當(dāng)時機(jī)將TDI引腳上的數(shù)據(jù)讀入IPcore，經(jīng)過處理后發(fā)送回總線。

由于TMS序列長度較長且其對應(yīng)于各個調(diào)試命令是固定不變的，因此在本設(shè)計中，將TMS序列作成一個表，存放在IPcore里，而不是通過總線發(fā)送。需要時，根據(jù)不同的命令代碼來讀取。

結(jié) 語

本文介紹了一個基于SOPC的通用調(diào)試器的設(shè)計方案與實現(xiàn)過程。在開發(fā)過程中，IP復(fù)用、軟硬件協(xié)同設(shè)計等先進(jìn)的嵌入式設(shè)計思想對縮短開發(fā)時間、降低開發(fā)風(fēng)險起到了很好的作用。同時，自主開發(fā)的ARM7TDMIJTAG IPcore和C8051 JTAG IPcore體現(xiàn)了該調(diào)試器的通用性。