摘要：針對(duì)32位ARM處理器開發(fā)過(guò)程中調(diào)試技術(shù)的研究，分析了目前比較流行的基于JTAG的實(shí)時(shí)調(diào)試技術(shù)，介紹了正在發(fā)展的嵌入式調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)，并展望期趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：嵌入式 調(diào)試 處理器 JTAG Nexus ARM

隨著對(duì)高處理能力、實(shí)時(shí)多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)通信、超低功耗需求的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)8位機(jī)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了新產(chǎn)品的要求，高端嵌入式處理器已經(jīng)進(jìn)入了國(guó)內(nèi)開發(fā)人員的視野，并在國(guó)內(nèi)得到了普遍的重視和應(yīng)用。ARM內(nèi)核系列處理器是由英國(guó)ARM公司開發(fā)授權(quán)給其他芯片生產(chǎn)商進(jìn)行生產(chǎn)的系統(tǒng)級(jí)芯片。目前在嵌入式32位處理器市場(chǎng)中已經(jīng)達(dá)到70%的份額。筆者在對(duì)三星公司的ARM7芯片技術(shù)調(diào)試的過(guò)程中，對(duì)這些高端嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。

傳統(tǒng)的調(diào)試工具及方法存在過(guò)分依賴芯片引腳、不能在處理器高速運(yùn)行下正常工作、占用系統(tǒng)資源且不能實(shí)時(shí)跟蹤和硬件斷點(diǎn)、價(jià)格過(guò)于昂貴等弊端。目前嵌入式高端處理器的使用漸趨普及。這些處理器常常運(yùn)行在100MHz，并且一些內(nèi)部控制以及內(nèi)部存儲(chǔ)器的總線信號(hào)并不體現(xiàn)在外部引腳上。這種片上系統(tǒng)（System on Chip）、深度嵌入、軟件復(fù)雜的發(fā)展趨勢(shì)給傳統(tǒng)的調(diào)試工具帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，也給嵌入式處理器開發(fā)工程師的工作帶來(lái)了不便，這就需要更先進(jìn)的調(diào)試技術(shù)和工具進(jìn)行配套。本文將詳細(xì)介紹在ARM處理器中采用的幾種片上調(diào)試技術(shù)（on-chip debugger）。這些片上調(diào)試技術(shù)通過(guò)在芯片的硬件邏輯中加入調(diào)試模塊，從而能夠降低成本，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的在線仿真器和邏輯分析儀器的功能，并在一定的條件下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤和分析，進(jìn)行軟件代碼的優(yōu)化。

1 邊界掃描技術(shù)（JTAG）

邊界掃描技術(shù)是為了滿足當(dāng)今深度嵌入式系統(tǒng)調(diào)試的需要而被IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)所采納，全稱是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試訪問(wèn)接口與邊界掃描結(jié)構(gòu)（Standard Test Access Portand Boundary Scan Architecture）。JTAG遵循1149.1標(biāo)準(zhǔn)，是面向用戶的測(cè)試接口，是ARM處理器調(diào)試的基礎(chǔ)。本文提到的ARM的E-TRACE調(diào)試模式實(shí)際上是JTAG的增強(qiáng)版本，其它一些32位嵌入式處理器的調(diào)試方式也基本上遵循這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)用戶接口一般由4個(gè)引腳組成：測(cè)試數(shù)據(jù)輸入（TDI）、測(cè)試數(shù)據(jù)輸出（TDO）、測(cè)試時(shí)鐘（TCK）、測(cè)試模式選擇引腳（TMS），有的還加了一個(gè)異步測(cè)試復(fù)位引腳（TRST）。其體系結(jié)構(gòu)如圖1。

所謂邊界掃描就是將芯片內(nèi)部?jī)?nèi)科所有的引腳通過(guò)邊界掃描單元（BSC）串接起來(lái)，從JTAG的TDI引入，TDO引出。芯片內(nèi)的邊界掃描鏈由許多的BSC組成，通過(guò)這些掃描單元，可以實(shí)現(xiàn)許多在線仿真器的功能。根據(jù)1149.1的規(guī)定，芯片內(nèi)的片上調(diào)試邏輯通常包括一個(gè)測(cè)試訪問(wèn)接口控制器（TAP）。它是一個(gè)16狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)以及測(cè)試指令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、旁路寄存器和芯片標(biāo)識(shí)寄存器等。在正常模式下，這些測(cè)試單元（BSC）是不可見(jiàn)的。一旦進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，調(diào)試指令和數(shù)據(jù)從TDI進(jìn)入，沿著測(cè)試鏈通過(guò)測(cè)試單元送到芯片的各個(gè)引腳和測(cè)試寄存器中，通過(guò)不同的測(cè)試指令來(lái)完成不同的測(cè)試功能。包括用于測(cè)試外部電氣連接和外圍芯片功能的外部模式以及用于芯片內(nèi)部功能測(cè)試（對(duì)芯片生產(chǎn)商）的內(nèi)部模式，還可以訪問(wèn)和修改CPU寄存器和存儲(chǔ)器，設(shè)置軟件斷點(diǎn)，單步執(zhí)行，下載程序等。其優(yōu)點(diǎn)如下：

1）可以通過(guò)邊界掃描操作測(cè)試整個(gè)板的電氣連接，特點(diǎn)為表面貼元件提供方便；

2）各個(gè)引腳信號(hào)的采樣，并可強(qiáng)制引腳輸出用以測(cè)試外圍芯片；

3）可以軟件下載、執(zhí)行、調(diào)試和控制，為復(fù)雜的實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)試提供路徑；

4）可以進(jìn)行多內(nèi)核和多處理器的板級(jí)和芯片級(jí)的調(diào)試，通過(guò)串接（如圖2），為芯片制造商提供芯片生產(chǎn)、測(cè)試的途徑。

雖然JTAG調(diào)試不占用系統(tǒng)資源，能夠調(diào)試沒(méi)有外部總線的芯片，代價(jià)也非常小；但是由于JTAG是通過(guò)串口依次傳遞數(shù)據(jù)，速度比較慢，只能進(jìn)行軟件斷點(diǎn)級(jí)別的調(diào)試，自身還不能完成實(shí)時(shí)跟蹤和多種事件觸發(fā)等復(fù)雜調(diào)試功能。因此便有了幾種功能更為完善的增強(qiáng)版本。

2 ARM芯片的實(shí)時(shí)調(diào)試方案（E-TRACE）

ARM公司的內(nèi)核芯片采用E-TRACE片上調(diào)試模式。它實(shí)際上是JTAG的升級(jí)版本，通過(guò)增強(qiáng)的輔助片上調(diào)試硬件來(lái)完成實(shí)時(shí)調(diào)試，解決了許多傳統(tǒng)調(diào)試器難以解決的問(wèn)題。

它的實(shí)時(shí)調(diào)試方案通過(guò)三種途徑解決：

·EmbeddedICE硬邏輯；

·實(shí)時(shí)監(jiān)控；

·實(shí)時(shí)跟蹤。