基于SOPC的M8051嵌入式調(diào)試器設(shè)計(jì)

引言
在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中，上位機(jī)通過調(diào)試器完成對(duì)目標(biāo)機(jī)軟件的開發(fā)、下載、調(diào)試。早期的調(diào)試器與上位機(jī)之間通過串口或并口通信，存在速度慢、通用性差等缺陷。相比之下，USB接口優(yōu)勢(shì)明顯，具備速度快、易插拔、支持多個(gè)調(diào)試器同時(shí)工作等優(yōu)勢(shì)。但目前的USB接口調(diào)試器一般采用USB芯片和可編程器件結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方式，成本和復(fù)雜度較高。
M8051是Mentor公司的嵌入式8051處理器，憑借良好的性能和功耗控制，占據(jù)了大量的SoC(System on a Chip)市場(chǎng)。該處理器集成了OCI(On-Chip Instrumentation，片上調(diào)試單元)來完成程序的調(diào)試。FS2公司設(shè)計(jì)的System Navigator是一款針對(duì)M8051的調(diào)試器，但該產(chǎn)品價(jià)格過于昂貴。本文通過研究M8051的調(diào)試結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一款基于SOPC(System on a Programmable Chip)的M8051調(diào)試器，實(shí)現(xiàn)對(duì)M8051核心的高效、低成本的開發(fā)。

1 M8051片上調(diào)試技術(shù)的研究
1．1 典型的OCD調(diào)試系統(tǒng)
目前，嵌入式調(diào)試領(lǐng)域的趨勢(shì)是在MCU上集成一個(gè)專門用于調(diào)試的功能模塊，并且提供一個(gè)專用接口開放給用戶。用戶通過該調(diào)試控制模塊來實(shí)現(xiàn)停止／繼續(xù)CPU的運(yùn)行，并訪問目標(biāo)機(jī)上的各種資源，這就是OCD(On-Chip Debug，片上調(diào)試)技術(shù)。同時(shí)，JTAG作為應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試技術(shù)，控制邏輯簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便，常作為片上調(diào)試模塊的測(cè)試接口。
一個(gè)完整的OCD調(diào)試系統(tǒng)通常包括調(diào)試主機(jī)、調(diào)試協(xié)議轉(zhuǎn)換器(或調(diào)試器)、目標(biāo)機(jī)三個(gè)部分。調(diào)試主機(jī)運(yùn)行調(diào)試軟件，并通過調(diào)試器與目標(biāo)機(jī)相連；調(diào)試器將主機(jī)發(fā)出的調(diào)試命令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為基于目標(biāo)機(jī)OCD模塊和JTAG接口的調(diào)試數(shù)據(jù)；目標(biāo)機(jī)的OCD模塊接收到調(diào)試器發(fā)來的JTA G數(shù)據(jù)，完成對(duì)CPU的邏輯控制。典型的OCD調(diào)試系統(tǒng)如圖1所示。

1．2 M8051的片上調(diào)試結(jié)構(gòu)
M8051核心的調(diào)試功能由其片上的OCI模塊完成。OCI模塊通過JTAG口與外部通信，其實(shí)現(xiàn)完全符合IEEE-1149．1。具體來說，TAP控制器接收一系列的JTAG邊界掃描鏈讀寫時(shí)序，完成對(duì)掃描鏈上的IR和DR的讀寫。OCI模塊內(nèi)部的Tracc模塊、Trigger模塊和Dcbug模塊根據(jù)IR和DR的內(nèi)容，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)給處理器，達(dá)到控制M8051處理器的運(yùn)行或者讀取處理器信息的目的。以上就是OCI模塊的基本調(diào)試原理。M805 1OCI模塊的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 基于SOPC的M8051調(diào)試器的設(shè)計(jì)
2．1 調(diào)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
在研究了OCD測(cè)試技術(shù)和M8051片上調(diào)試結(jié)構(gòu)OCI的基礎(chǔ)上，本文提出了M8051調(diào)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。該方案通過USB接口與上位機(jī)通信，調(diào)試器主體由一個(gè)FPGA芯片實(shí)現(xiàn)。其總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

上位機(jī)運(yùn)行調(diào)試軟件，將編譯器的各種調(diào)試操作，通過調(diào)試接口函數(shù)轉(zhuǎn)化為各種調(diào)試協(xié)議數(shù)據(jù)；再將這些調(diào)試協(xié)議數(shù)據(jù)通過底層通信模塊發(fā)送給M8051調(diào)試器。本設(shè)計(jì)的底層通信接口是USB接口。編譯器選擇應(yīng)用最為廣泛的且具備開放調(diào)試接口函數(shù)AGDI的Keil C51編譯器。
M8051調(diào)試器本身主要由USB控制器模塊、8051處理器和JTAG控制器模塊組成。USH控制器在8051處理器的控制下接收來自上位機(jī)的調(diào)試協(xié)議數(shù)據(jù)；JTAG控制器模塊負(fù)責(zé)將這些調(diào)試協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為基于OCI結(jié)構(gòu)的底層調(diào)試命令集，并以JTAG邊界掃描鏈讀寫時(shí)序發(fā)送出來。
M8051目標(biāo)機(jī)通過OCI模塊的JTAG接口，接收M8051調(diào)試器發(fā)送的底層調(diào)試命令，完成對(duì)M8051目標(biāo)機(jī)的調(diào)試，并將返回值通過JTAG接口送回M8051調(diào)試器。