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1 引言9 u* D+ ?1 m" ~: m. p
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。* u# _; Y; r- z6 J: P3 R+ _" M
2 JTAG边界扫描原理$ \2 v* T7 i( L* I6 g# ]3 q
“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。
! X+ J$ U9 Q1 `2.1 硬件电路
" V. C6 g% E% Z/ C) y8 M JTAG边界扫描测试接口的一般结构 + h! ~* U d& S7 ~: l2 D
JTAG边界扫描硬件电路主要由三部分构成： - Q& M( `, S' `8 ]
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。 4 O: j \; I: z
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。 ( A4 ]6 @" S3 M2 p9 s' I7 X# ?
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。
" f n m* L$ S! x' M4 k2.2 边界扫描测试信号
" {5 ?7 z3 N7 J; _ o3 U 支持这个测试标准的芯片必须提供5个专用信号接口： : A) Y$ [. j1 f
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。
2 Y0 z" P, d( R0 L' F 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。 # {0 j- x9 x0 T9 e
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。 @1 a/ K9 I- v9 c
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。
7 @( V8 _6 g) T$ CTDO：TAG指令和数据寄存器的串行输出。
$ l; }: \' G# Y: L, S2.3 指令
0 X1 A* }3 ^4 g 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：
/ C# r: s1 X1 O B 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。
# d$ z+ h( ~; k 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。
( d3 `- V/ P1 R8 M: N 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）。 ! E$ I& t* v5 t
INTEST：将边界扫描寄存器连接到TDI和TDO之间。 R" _9 j) {' d8 u0 e/ P4 {
3 EmbeddedICE
# B6 ~; r* c0 e/ E u 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 |, \5 h) \/ v0 x* \3.1 硬件结构 ! I: y* ~/ O% k1 r# P( T
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。 - ?- b' B, z" F6 M- C3 O, r. H/ D0 o
1) 观察点
! @. b$ l, @4 A 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 + ?' ]+ y) {8 Q1 b! q. X
器中止。 + s# @. C+ N" e0 t% X$ J6 E* Y
2) 寄存器 - R: ~3 h$ L! A+ g A
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。 0 o5 _8 z' K4 `! c- V* Y
3) Debug comms端口
' p% G. M: v2 ^2 e P" s: b 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。
# U4 x; g5 U0 c" i- O3.2 实现原理 0 t6 {+ W+ ~# q8 Z! r$ \, A; E
1) 访问状态
1 G9 \8 X X2 c2 [' K 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。
1 g9 W: K) g' o3 q7 M& o 2) 调试 4 o; h: T: h4 E
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。
/ d: X" Z. M; u; q1 y" T4 ARM的嵌入式跟踪8 v. p6 U) _0 n! i W. F. a! B4 u
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。
3 U8 p9 l; d! d/ R1 J% A4.1 硬件电路3 X& S, p$ O- D k3 n
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。
# A) Y: X* U! F9 `7 i7 } p4.2 实现原理; W& ]* D) G. z3 S$ \+ ^
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。
3 O+ i# t" o) Q: P 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% y P' B, v) E9 }1 W, s8 O2 n- F
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图2：
; }6 X) c' }9 C 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图3所示：
8 B9 X9 f; p9 \7 k0 Y8 U2 O 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：
: z9 G' w, C. v( P1 C
& c$ u- F. o3 A$ B' t$ T+ `2 @/ [0 I( B9 f8 L% }4 d" j
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。 : L' |' V! M( Y- }' ]8 {. u
调试：Embest IDE将程序通过仿真器到开发板，直接进行调试。 + |% P* Z) S9 ]# n1 A, Q" i3 [1 F' j+ S
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。
1 A0 V4 C2 Y K& Q6 结束语
& h9 u; |2 N/ r! j) d7 l& J 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。
) k7 H! a, h$ x3 a 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。 , s7 W0 m$ e5 b& ]7 w
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发表于 2020-9-9 11:21
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