嵌入式微控制器MC68HC912B32背景调试模式设计

      随着Flash技术在微处理器上的广泛应用，使单片机在开发和应用手段上有了革命性的变化，从传统的仿真器（ICE）到目前流行的JTAG，设计人员在不断寻找一种移植性更高、更易操作、费用更低的开发手段。使用传统的仿真器进行嵌入式开发时，通常调试工具会受价格和烦琐的操作所限制，但是随着微处理器制造工艺的提高及Flash技术的发展，一些高端微处理器（如CPU12/16/32、PowerPC、ColdFire等）内部已经包含了用于调试的微代码，并可以通过背景调试模式BDM（Background Debug Mode）进行调试，由于这种方法省去了仿真器，因此避免了高频操作、交直流电不匹配等问题，随着BDM标准的不断规范和普及，用BDM调试模式进行嵌入式开发已经成为一种。
      MC68HC912B32（以下简称B32）是由Freescale公司推出的一款基于CPU12的16位嵌入式MCU。它具有体积小、功耗小、功能多等优点，主要用于汽车电子、工业控制、医疗设备等领域，它是Freescale公司较早提供的一款背景调试模式的16位MCU。背景调试模式是Freescale公司自定义的片上调试规范。
1 背景调试模式介绍

      BDM是由Freescale半导体公司推出的一种单线（Single Wire）调试方式，是目前单片机普通采用的调试方式之一。其他公司的嵌入式处理器也有类似的调试方式，如AMD公司的X86μP系列微处理器提供的AMDebug调试方式等。
      BDM调试方式为开发人员提供了底层的调试手段，开发人员可以通过它初次向目标板程序，同时也可以通过BDM调试器对目标板MCU的Flash进行写入、擦除等操作，用户也可以通过它进行应用程序的和在线更新、在线动态调试和编程、读取CPU各个寄存器的内容、单片机内部资源的配置与修复、程序的加密处理等操作，而这些仅需要向CPU发送几个简单的指令就可以实现，从而使调试软件的便携变得非常简单，通常自己就可以编写，BDM硬件调试插头的设计也非常简单，关键是要满足通信时序关系和电平转换要求。
      目前常用的标准BDM调试插头如所示，各个引脚信号的定义如表1所示。

2.1 总体概述
      以CPU12为内核的MCU的运行模式有单片方式（Single chip）和扩展方式（Expanded Mode）两种。运行模式主要由BKGD、MODB和MODA引脚的状态决定，各个模式与引脚状态间的关系见表2。单片模式又分普通单片模式（Normal Single Chip）和特殊单片模式（Special Single Chip）两种，而只有在特殊模式下BDM才能被激活，因此特殊单片模式又称BDM模式。为PC机通过BDM插头与目标机相连。

2.2 BDM指令介绍

      BDM有两类指令。一类是在一般运行模式下可以直接执行的，被称为硬件指令（Hardware Command）；另一类则是只能在BDM模式下执行的程序，这些程序在进入BDM模式后被固化在地址为﹩FF00－﹩FFFF的ROM中，被称为固件指令（Firmware Command）。
      因为BDM控制模块不在CPU中，所以BDM硬件指令可以在CPU正常运行时被并行执行，其他BDM指令是基于固件的，必须在CPU处于BDM模式下才能执行。硬件指令允许读写目标系统内（包括片内RAM、EEPROM、I/O控制寄存器等）的所有内存。硬件指令可以不在BDM模式下执行，表3列出了BDM模块常用的硬件指令。

      固件指令必须在HC12单片机的BDM ROM中执行，且CPU必须在BDM模式下才能执行，通常使用硬件指令BACKGROUND使CPU进入BDM模式，当BDM被激活时，BDM ROM就被分配到地址空间：﹩FF20－﹩FFFF，同时7个BDM寄存器被分配到地址空间：﹩FF00－﹩FF06，此时CPU就可以通过执行ROM中的代码完成相应的固件指令操作。表4列出了BDM的7个寄存器，表5介绍了常用的3个固件指令。

2.3进入BDM模式

      下面介绍使目标机进入BDM模式的两种常用方法。
      方法1：将目标机的BKGD引脚拉低，然后给目标机的RESET引脚加低电平，即给目标机复位，复位脉冲要足够宽，至少要大于目标机的512个时钟周期。本文采用Freescale公司的8位微处理器MC68HC908JB8（简称JB8）制作BDM调试头，用其PTA0和PTA1口控制目标机的RESET和BKGD引脚，此方法通过软件编程的方式进入BDM模式。
      方法2：通过硬件跳线的方式将BKGD置低电平，在目标机复位后再将BKGD置高电平，以进入目标机的BDM模式。进入BDM模式后，带有BDM程序的片内专用ROM将Flash的﹩FF00－﹩FFFF替换，此空间在普通单片方式下存放中断向量。该方法仅通过硬件跳线的方式进入BDM模式。
3 B32的BDM调试系统设计

3.1 BDM调试其系统硬件设计

      该BDM调试器的BKGD和RESET信号分别由JB8单片机的I/O口PTA1、PTA0提供。双方通信引脚使用漏极开路驱动（或称线或）的方式，平时靠上拉电阻维持高电平。Flash编程电源VFP由MAX662提供，MAX662是一款专门提供12V Flash编程电压的芯片。MAX662外围电路原理图如，BDM调试插头电路原理图如。

3.2 BDM调试器系统软件设计 

      CPU12的BDM通信协议也称为单线通信协议。下面按照该协议，以JB8作为主控制芯片详细介绍B32的BDM调试系统的软件设计。在程序开始前，需要宏定义一些常量以方便下面程序的调用。具体的宏定义有：

3.2.1 调用读写汇编子程序

      通过调用读写汇编子程序，可以读取和发送一个字节，具体函数如下：
 
       调用写子程序的输入参数是需要被写的一个字节，调用读子程序的返回参数是读取到的一个字节。
3.2.2 读写汇编子程序

    主机方以下降沿通知目标机方的BKGD端，位通信开始，每一位传输至少需要16个时钟周期。具体过程如下：
      主机首先拉低BKGD引脚，并时低电平维持时间不短于512个时钟周期，目标机探测到下降沿信号后清命令寄存器，同时等待接收主机的BDM命令。
      主机写位0到目标机BKGD端的操作为：主机拉低目标机的BKGD端不少于12个时钟周期，目标机在探测到低电平以后的第10个周期对BKGD采样，读入该位的0。
      主机写位1到目标机BKGD端的操作为：主机拉低目标机的BKGD端2－4个时钟周期后释放BKGD端，使之为高电平，目标机在探测到低电平以后的第10个周期对BKGD采样，读入该位的1。
      下面是写一个字节的汇编代码：
 
      主机读目标机BKGD端的信息时，主机拉低目标机BKGD端2－4个周期后释放BKGD端，然后定义该引脚为输入状态，读取BKGD端的电平，如果目标机输出为0电平，则继续拉低BKGD端，从探测到主机拉低BKGD端起持续13个时钟周期，所以主机的读操作应在从拉低BKGD线算起的13个时钟周期内完成，对于目标机输出为1的情况，无需目标机输出高电平，因为BKGD端已用电阻上拉，只需定义该引脚为输入，则自然会使之为1。
      下面是读取一个字节的汇编代码：
      对于硬件命令，命令之间间隔要大于150个时钟周期，对于固件命令，送出读命令到读取数据之间要延迟32个时钟周期，写命令后面可紧跟需要写的数据，但与下一条命令之间要间隔32个时钟周期。
3.2.3 测试程序

      为了测试以上程序的正确性，特用VC6.0编写了一个计算机端的测试程序。该程序通过串口与JB8通信，以完成对B32 Flash的读写和擦除。由于源代码较长，限于篇幅不在此列出。