基于JTAG的ARM芯片系统调试

1 引言
    32位ARM处理器是英国先进RISC机器公司（Advanced RISC Machines，ARM）的产品。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。

4 ARM的嵌入式跟踪
    EmbeddedICE提供的断点及观察点将使处理器偏离正常执行序列，破坏了软件的实时行为，它不能完成实时操作调试功能。ARM结构的处理器采用嵌入式跟踪宏单元ETM很好的解决了系统实时调试的问题。
4.1 硬件电路
    EmbeddedICE单元支持断点和观察点功能并提供主机和目标软件的通信通道。ETM单元[5]压缩处理器接口信息并通过跟踪端口送到片外。这两个单元都由JTAG端口控制。SoC外部的EmbeddedICE控制器用于将主机系统连接到JTAG端口，跟踪端口分析器使主机系统与跟踪端口对接。主机通过一个网络可以与跟踪端口分析器和EmbeddedICE二者连接。
4.2 实现原理
    由调试软件配置并通过标准JTAG接口传输到ETM上。在程序执行时ETM可以通过产生对处理器地址、数据及控制总线活动的追踪（Trace）来获得处理器的全速操作情况。在实时仿真时外设和中断程序依然能够继续运行。用户控制断点和观察点的设置并可以配置各种跟踪功能。跟踪触发条件可以指定，跟踪采集可以在触发之前、之后或以触发为中心可以选择跟踪是否包括数据访问。跟踪采集可以是数据访问的地址、数据本身，也可以是两者兼有。
    ETM是使用软件通过JTAG端口进行配置的，所使用的软件是ARM软件开发工具的一个扩展。跟踪数据从跟踪端口分析仪并解压，终反链接到源代码。

5 应用实例
    下面以S3CEV40开发板[4]为例，介绍ARM调试结构应用。S3CEV40采用的CPU为Samsung公司的S3C44B0X，是国内应用广泛的基于ARM7TDMI内核的SoC。其调试系统的硬件结构如：

    计算机的并行口和Embest PowerICE for ARM仿真器的DB25接口通过标准的DB25公、母转换电缆连接。Embest PowerICE for ARM仿真器通过一个的IDC头的直通电缆（1-1， 2-2，… 20-20）与目标板的JTAG接口相连接。20芯的Embest PowerICE for ARM仿真器接口的定义如所示：
    S3CEV40所用到的调试软件为EmbestIDE集成开发环境，它提供源码级调试，提供了图形和命令行两种调试方式，可进行断点设置、单步执行、异常处理，可查看修改内存、寄存器、变量等，可查看函数栈，可进行反汇编等。它为用户提供2种调试方法：

 脱机调试：Embest IDE for ARM带ARM指令集模拟器，用户能在PC上调试ARM应用软件。
 调试：Embest IDE将程序通过仿真器到开发板，直接进行调试。
    Embest IDE的调试功能包括：断点功能；程序的单步执行；变量监视功能，随程序运行同步更新变量，变量值即时修改；寄存器即时查看与修改；存储器查看与修改，存储器内容显示格式定制；堆栈显示；同时提供图形界面操作和命令行操作方式；支持被调试代码的多种显示模式，能以源码、汇编、混合等形式来显示程序；具有与MS Visual Studio类似的调试菜单功能：Go，Stop，Reset，Step into，Run to Cursor等；程序的上载和。

6 结束语
    本文介绍了32位ARM嵌入式处理器的调试技术。在JTAG边界扫描技术的基础上介绍了ARM的EmbeddedICE及嵌入式跟踪并在此基础上介绍了一个系统调试实例。嵌入式调试技术是嵌入式软硬件开发中必要的一环，掌握了它能在开发中起到事半功倍的作用。
    嵌入式技术正在日新月异的发展着，嵌入式调试技术也不是一成不变的，它必将随着高速、低功耗Soc的发展而进步。

参考文献:

[1]. RISC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RISC_1189725.html.
[2]. ROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html.
[3]. PCB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.
[4]. S3C44B0X datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/S3C44B0X_589522.html.
[5]. ARM7TDMI datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ARM7TDMI_139812.html.
[6]. DB25 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/DB25_2528709.html.