基于JTAG的ARM芯片系統調試

JTAG邊界掃描硬件電路主要由三部分構成：
1) TAP控制器。測試訪問端口（TAP）控制器，是由TMS控制狀態轉換的狀態機。
2) 指令寄存器。用于存儲JTAG邊界掃描指令，通過它可以串行的輸入并執行各種操作指令。
3) 數據寄存器。特定芯片的行為由測試指令寄存器的內容決定。測試指令寄存器可用來選擇各種不同的數據寄存器。
2.2 邊界掃描測試信號
支持這個測試標準的芯片必須提供5個專用信號接口：
 TRST：測試復位輸入信號，低電平有效，為TAP控制器提供異步初始化信號。
 TCK：JTAG測試時鐘，獨立于任何系統時鐘，為TAP控制器和寄存器提供測試參考。
 TMS：TAP控制器的測試模式選擇信號，控制測試接口狀態機的操作。
 TDI：JTAG指令和數據寄存器的串行輸入端，給邊界掃描鏈或指令寄存器提供數據。
 TDO：TAG指令和數據寄存器的串行輸出。
2.3 指令
JTAG測試系統是通過向指令寄存器送入指令，然后使用數據寄存器進行測試。測試指令說明要進行的測試種類及測試要使用的數據寄存器。測試指令分為公開指令和私有指令。公開指令已經定義且用于通用測試。私用指令用于片上的專用測試，測試標準沒有規定如何使用私有指令。測試標準支持的最小集的公開指令有：
 BYPASS：器件將TDI經一個時鐘延時連接到TDO，用于同一個測試環中其它器件的測試。
 EXTEST：將邊界掃描寄存器連接到TDI和TDO之間，用于支持板級連接測試。
 IDCODE：將ID寄存器連接到TDI和TDO之間。通過它可以讀出器件ID（廠家賦與的固定標識，包括產品編號及版本碼）。
 INTEST：將邊界掃描寄存器連接到TDI和TDO之間。
3 EmbeddedICE
ARM的EmbeddedICE調試結構[3]是一種基于JTAG的ARM的內核調試通道，它是基于JTAG測試端口的擴展，引入了附加的斷點和觀測點寄存器，這些數據寄存器可以通過專用JTAG指令來訪問，一個跟蹤緩沖器也可用相似的方法訪問。ARM核周圍的掃描路徑可以將指令加入ARM流水線并且不會干擾系統的其它部分。這些指令可以訪問及修改ARM和系統的狀態。由于EmbeddedICE條件斷點，單步運行等功能的實現是基于片上JTAG測試訪問端口進行調試，芯片不需要增加額外的引腳，避免使用笨重的、不可靠的探針接插設備完成調試。芯片中的調試模塊與外部的系統時序分開，可以直接運行在芯片內部的獨立時鐘速度。
3.1 硬件結構
EmbeddedICE模塊包括兩個觀察點寄存器和控制與狀態寄存器，還包括一個Debug comms端口。當地址、數據和控制信號與觀察點寄存器的編程數據相匹配時，也就是觸發條件滿足時，觀察點寄存器可以中止處理器。由于比較是在屏蔽控制下進行的，因此當ROM或RAM中的一條指令執行時，任何一個觀察點寄存器可配置為能夠中止處理器的斷點寄存器。
1) 觀察點
每個觀察點皆可以觀察ARM地址總線、數據總線、和等信號的特定組合值。任何一個組合值與觀察點寄存器值匹配則中止處理器。另外一種方式是把兩個觀察點鏈接起來，只有第一個觀察點先匹配了，當第二個觀察點再匹配時將使處理
器中止。
2) 寄存器
EmbeddedICE寄存器通過JTAG測試端口使用專用掃描鏈編程。掃描鏈38位長，包括32個數據位，5個地址位和一個控制寄存器是讀還是寫的 位。地址位指定特定的寄存器，地址和寄存器一一對應。
3) Debug comms端口
debug comms端口運行在目標系統上的軟件可以通過這個端口與主機通信。運行在目標系統上的軟件將comms端口視為一個6位控制寄存器和32位可讀寫寄存器，可以使用對協處理器14的MRC和MCR指令訪問。主機將這些寄存器視為EmbeddedICE寄存器。
3.2 實現原理
1) 訪問狀態
EmbeddedICE模塊允許程序在指定點中止，但不允許直接觀測、修改處理器或系統狀態。這可以通過屬于JTAG端口訪問的掃描路徑實現。訪問處理器狀態的方法是中止處理器，再在處理器指令序列中強制插入一條多寄存器存取指令。然后通過掃描鏈向處理器加入時鐘，使處理器將寄存器內容送到數據端口。每個寄存器的值都可以被掃描鏈采樣并移出。
2) 調試
基于ARM的包括EmbeddedICE模塊的系統芯片通過JTAG端口和協議轉換器與主計算機連接。這種配置支持正常的斷點、觀察點以及處理器和系統狀態訪問，（除上面介紹的comms端口以外）這是程序設計人員在本地或基于ICE的調試中習慣采用的方式。采用適當的主機調試軟件，以較少的硬件代價得到完全的源代碼級調試功能。
4 ARM的嵌入式跟蹤
EmbeddedICE提供的斷點及觀察點將使處理器偏離正常執行序列，破壞了軟件的實時行為，它不能完成實時操作調試功能。ARM結構的處理器采用嵌入式跟蹤宏單元ETM很好的解決了系統實時調試的問題。
4.1 硬件電路
EmbeddedICE單元支持斷點和觀察點功能并提供主機和目標軟件的通信通道。ETM單元[5]壓縮處理器接口信息并通過跟蹤端口送到片外。這兩個單元都由JTAG端口控制。SoC外部的EmbeddedICE控制器用于將主機系統連接到JTAG端口，跟蹤端口分析器使主機系統與跟蹤端口對接。主機通過一個網絡可以與跟蹤端口分析器和EmbeddedICE二者連接。
4.2 實現原理
由調試軟件配置并通過標準JTAG接口傳輸到ETM上。在程序執行時ETM可以通過產生對處理器地址、數據及控制總線活動的追蹤（Trace）來獲得處理器的全速操作情況。在實時仿真時外設和中斷程序依然能夠繼續運行。用戶控制斷點和觀察點的設置并可以配置各種跟蹤功能。跟蹤觸發條件可以指定，跟蹤采集可以在觸發之前、之后或以觸發為中心可以選擇跟蹤是否包括數據訪問。跟蹤采集可以是數據訪問的地址、數據本身，也可以是兩者兼有。
ETM是使用軟件通過JTAG端口進行配置的，所使用的軟件是ARM軟件開發工具的一個擴展。跟蹤數據從跟蹤端口分析儀下載并解壓，最終反鏈接到源代碼。
5 應用實例
下面以S3CEV40開發板[4]為例，介紹ARM調試結構應用。S3CEV40采用的CPU為Samsung公司的S3C44B0X，是國內應用廣泛的基于ARM7TDMI內核的SoC。
計算機的并行口和Embest PowerICE for ARM仿真器的DB25接口通過標準的DB25公、母轉換電纜連接。Embest PowerICE for ARM仿真器通過一個的IDC頭的直通電纜（1-1， 2-2，… 20-20）與目標板的JTAG接口相連接。20芯的Embest PowerICE for ARM仿真器接口的定義如圖3所示：
S3CEV40所用到的調試軟件為EmbestIDE集成開發環境，它提供源碼級調試，提供了圖形和命令行兩種調試方式，可進行斷點設置、單步執行、異常處理，可查看修改內存、寄存器、變量等，可查看函數棧，可進行反匯編等。它為用戶提供2種調試方法：

 脫機調試：Embest IDE for ARM帶ARM指令集模擬器，用戶能在PC上調試ARM應用軟件。
 下載調試：Embest IDE將程序通過仿真器下載到開發板，直接進行調試。
Embest IDE的調試功能包括：斷點功能；程序的單步執行；變量監視功能，隨程序運行同步更新變量，變量值即時修改；寄存器即時查看與修改；存儲器查看與修改，存儲器內容顯示格式定制；堆棧顯示；同時提供圖形界面操作和命令行操作方式；支持被調試代碼的多種顯示模式，能以源碼、匯編、混合等形式來顯示程序；具有與MS Visual Studio類似的調試菜單功能：Go，Stop，Reset，Step into，Run to Cursor等；程序的上載和下載。
6 結束語
本文介紹了32位ARM嵌入式處理器的調試技術。在JTAG邊界掃描技術的基礎上介紹了ARM的EmbeddedICE及嵌入式跟蹤并在此基礎上介紹了一個系統調試實例。嵌入式調試技術是嵌入式軟硬件開發中必要的一環，掌握了它能在開發中起到事半功倍的作用。
嵌入式技術正在日新月異的發展著，嵌入式調試技術也不是一成不變的，它必將隨著高速、低功耗Soc的發展而進步。