ARM开发在JTAG仿真器调试的应用

时间：2011-09-01

　　JTAG仿真器也称为JTAG调试器，是通过ARM芯片的JTAG边界扫描口进行调试的设备。JTAG仿真器比较便宜，连接比较方便，通过现有的JTAG边界扫描口与ARMCPU核通信，属于完全非插入式（即不使用片上资源）调试，它无需目标存储器，不占用目标系统的任何端口，而这些是驻留监控软件所必需的。另外，由于JTAG调试的目标程序是在目标板上执行，仿真更接近于目标硬件，因此，许多接口问题，如高频操作限制、AC和DC参数不匹配，电线长度的限制等被化了。使用集成开发环境配合JTAG仿真器进行开发是目前采用多的一种调试方式。

　　目前针对嵌入式系统开发的调试工具品种繁多，如ARM公司的AXD debugger软件与Mutil-ICE仿真器等。但是大部分嵌入式调试工具价格过高，因此设计实现一种速度快、性能稳定、价格低廉、易于实现的ARM调试工具是十分必要的。

　　1 ARM JTAG调试原理

　　ARM（AdvancedRISCMachines）处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的款RISC微处理器。更早称作AcornRISCMachine）。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。一般来讲比等价32位代码节省达35%,却能保留32位系统的所有优势。ARM的Jazelle技术使Java加速得到比基于软件的Java虚拟机（JVM）高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗降低80%.CPU功能上增加DSP指令集提供增强的16位和32位算术运算能力，提高了性能和灵活性。

　　ARM典型的调试系统结构如图1所示。调试系统包括调试主机、仿真器和调试目标。

　　调试主机是一台运行调试软件（例如ADS）的计算机。调试主机可以发出高层的调试命令，例如设置断点、访问内存等。

　　仿真器用来将调试主机发出的高层调试命令转换为底层的ARM JTAG调试命令。因为目标机无法识别调试主机发送来的命令，因此就需要仿真器将调试主机发出的高层调试命令转换为底层的ARM JTAG调试命令。在整个调试系统中起到重要的作用，其性能也决定了整个调试系统性能。

　　2 方案设计

　　本文提出了一种采用PHILIPS公司的ARM7芯片LPC2148设计，具有USB2.0通信方式、高速稳定的ARM仿真器实现方案，如图2所示。

　　守护进程接收从IDE集成开发环境发送来的调试命令，将其通过USB总线转发到ARM仿真器，ARM仿真器再将调试命令转换成JTAG格式的信号并发送到I/O口，从而控制调试目标执行特定的操作，达到调试的目的。同理，从调试目标返回的数据，先经过ARM仿真器的译码，再经过守护进程返回到IDE开发环境，从而形成一个完整的调试系统。

　　3 硬件电路设计

　　本设计的特点是采用了LPC2148作为主控芯片。该芯片内部集成了ARM7TDMI-S微控制器和完全兼容USB2.0的设备控制器，支持32个物理（16个逻辑）端点；支持控制、批量、中断和同步端点；所有端点都有一个双向的DMA通道。因为芯片内部集成了USB控制器，大大降低了电路板的设计难度和开发成本。其硬件电路框图如图3所示。

　　（1）本机JTAG调试电路

　　为了便于调试和烧写程序，将芯片LPC2148的JTAG接口接到一个20引脚的标准JTAG插口。本设计中使用引脚P0.8、P0.9、P0.10、P0.12、P0.14作为外部JTAG接口，尽量不用有其他接口功能的引脚，如P0.11、P0.14接口与I2C接口SCL1、SDA1功能复用，以便于将来的硬件升级。为了增强带负载能力，使用一片74HC244芯片，同时为了尽量兼容大部分ARM开发板上的不同JTAG插口，本设计提供了一个20引脚的JTAG插口和一个14引脚的JTAG插口。

　　（2）USB电路（包括供电电路）

　　USB接口电路如图4所示。为了使LPC2148的软件可以更灵活地控制USB设备与主机之间的连接，本接口电路使用P0.31（只能使用该引脚）来实现SoftConnect特性。当P0.31输出低电平时，D+线通过电阻上拉到VDD3.3,通知USB主机：USB设备与其建立连接；当P0.31输出高电平时，D+线断开与VDD3.3的连接，通知USB主机：USB设备已经断开与USB主机的连接。

　　Q1选用的是P沟道MOS管，而不选用普通的PNP三极管，因为MOS管是电压驱动型，驱动电流几乎为0;而普通的PNP三极管是电流驱动，需要一定的驱动电流。导通时，P0.31_P17有可能被拉低，LPC2148要求该引脚在复位引脚为低电平期间不能被拉低，否则JTAG口将被禁止，因此必须选用P沟道的MOS管。LPC2148的P0.23引脚为USB设备控制器，用于检测USB总线是否插入检测引脚。

　　PNP型三极管发射极电位，集电极电位。按结构分，可分为NPN型三极管和PNP型三极管。 PNP是共阴极，即两个PN结的N结相连做为基极，另两个P结分别做集电极和发射极；电路图里标示为箭头朝内的三极管。对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，而集电区与基区形成的PN结称为集电结，三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c.

　　4 仿真器固件程序设计

　　仿真器LPC2148芯片中的固件程序实现的功能包括：通过USB与上位机软件进行通信，并将上位机发送过来的、经过封装的USB数据流转换为JTAG信号，并终送到相应的引脚或者将相应引脚的数据经过封装后，通过USB传送到PC机中。图5为应用程序的流程图。

　　主函数首先将作为JTAG接口使用的5个引脚设置成相应属性，并完成USB设备初始化，配置中断向量、开中断，然后进入无限循环函数。

　　无限循环函数首先处理USB事件，如USB控制传输、USB总线复位等。然后判断标志位是否收到数据，如果未收到则继续执行无限循环；如果收到了数据，则将数据从端点缓冲区读出，再交给数据处理函数处理。数据处理函数按照上位机程序对数据封装方式进行解析，根据解析的命令（读取TDI、写TMS或TDO等），通过分支处理跳到相应的处理函数。在这个过程中如果上位机要读取调试目标数据，可将相应的值按同样格式进行封装，然后通过USB发送到上位机。数据封装格式如图6所示。