EmJTAG 協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

<STRONG>摘要：協(xié)議轉(zhuǎn)換器是ARM嵌入式系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)的關(guān)鍵所在。本文介紹了一種基于USB接口的協(xié)議轉(zhuǎn)換器（EmJTAG）設(shè)計(jì)思想，并給出了硬件設(shè)計(jì)和固件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：協(xié)議轉(zhuǎn)換器；硬件設(shè)計(jì)；固件設(shè)計(jì)

1  引言

協(xié)議轉(zhuǎn)換器的主要功能是接收調(diào)試服務(wù)器發(fā)來(lái)的各種調(diào)試協(xié)議信息，將它們轉(zhuǎn)換成JTAG 時(shí)序信號(hào)，控制ARM 核以及EmbeddedICE 宏單元，并返回一些數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息給調(diào)試器。所以協(xié)議轉(zhuǎn)換器主要由兩部分組成：與調(diào)試器的通信接口部分，用于準(zhǔn)確接收調(diào)試器發(fā)來(lái)的各種調(diào)試協(xié)議信息；與目標(biāo)板的JTAG 接口部分，用于產(chǎn)生快速穩(wěn)定的JTAG 時(shí)序信號(hào)。

各調(diào)試工具生產(chǎn)商所設(shè)計(jì)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器各不相同，但歸納起來(lái)主要有3種實(shí)現(xiàn)模型：

1．利用PC 的并口，外部加上簡(jiǎn)單的接口驅(qū)動(dòng)電路或單片機(jī)引出JTAG 接口。這種實(shí)現(xiàn)模型的特點(diǎn)是價(jià)格便宜，沒(méi)有固件程序或只有簡(jiǎn)單的固件程序，與調(diào)試器的接口單一，JTAG 時(shí)鐘頻率低，程序下載速度慢。網(wǎng)上流行的Wiggler 協(xié)議轉(zhuǎn)換器和EasyJTAG 協(xié)議轉(zhuǎn)換器就是基于這種實(shí)現(xiàn)模型。

2．利用單片復(fù)雜FPGA，實(shí)現(xiàn)與調(diào)試器的接口部分和產(chǎn)生快速JTAG 時(shí)序信號(hào)。這種實(shí)現(xiàn)模式的特點(diǎn)是價(jià)格昂貴，固件程序復(fù)雜，JTAG 時(shí)鐘頻率高，下載速度快。ARM 公司生產(chǎn)的Multi-ICE 協(xié)議轉(zhuǎn)換器就是基于這種實(shí)現(xiàn)模型。

3．利用通用微處理器實(shí)現(xiàn)與調(diào)試器的接口部分，利用簡(jiǎn)單FPGA 或CPLD 產(chǎn)生快速JTAG 信號(hào)。這種實(shí)現(xiàn)模型是前兩種實(shí)現(xiàn)模型的折中，價(jià)格適中，固件程序升級(jí)容易，與調(diào)試器的接口豐富，JTAG 時(shí)鐘頻率快，程序下載速度快。

本文介紹了使用ST72651設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換器。利用ST72651 內(nèi)部集成的USB模塊和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)處理器（DTC）分別實(shí)現(xiàn)與調(diào)試器的接口和JTAG 信號(hào)的穩(wěn)定高速產(chǎn)生。這種實(shí)現(xiàn)方法屬于第3 種模型，但微處理器模塊和DTC 模塊是封裝在同一個(gè)芯片里面，這保證了微處理器模塊和DTC 模塊之間數(shù)據(jù)的快速傳輸。

2  硬件設(shè)計(jì)

2.1  ST72651 的概述

ST72651 是專(zhuān)門(mén)為解決USB 接口的大量數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一款芯片。它基于ST7標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核，內(nèi)部集成了一個(gè)全速的USB接口，以及一個(gè)時(shí)鐘頻率為24M 的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)處理器（DTC），32KB 的程序存儲(chǔ)空間，5KB 的RAM，支持I2C 和SPI 接口， 2.7V-5.5V 的工作電壓范圍，可用USB 接口直接供電，是一款功能強(qiáng)大的8 位機(jī)。

2.2  硬件原理框圖

基于ST72651的協(xié)議轉(zhuǎn)換器原理框圖如圖1所示。

圖 1   協(xié)議轉(zhuǎn)換器硬件原理框圖

USB 接口部分的電路比較簡(jiǎn)單，只需在USB 的DP 腳上拉一個(gè)電阻，以使得USB 主機(jī)識(shí)別到該USB 設(shè)備。DTC 模塊產(chǎn)生的4 個(gè)JTAG 時(shí)鐘通過(guò)I/O 口引出，外部加一個(gè)接口驅(qū)動(dòng)芯片，然后連到標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口上。TAP 控制器復(fù)位信號(hào)nTRST 和系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)nSRST 通過(guò)I/O 邏輯直接控制。系統(tǒng)采用USB 供電模式，POWER 燈指示系統(tǒng)的供電狀態(tài)。BUSY 燈連到TCK 引腳上，指示系統(tǒng)是否處于忙狀態(tài)。內(nèi)部集成的電壓校準(zhǔn)器產(chǎn)生3.3V 的電壓供給接口驅(qū)動(dòng)芯片。

3  固件設(shè)計(jì)

采用分模塊設(shè)計(jì)固件程序，包括下列六個(gè)模塊：DTC軟件插件程序模塊，掃描鏈操作模塊，EmbeddedICE 寄存器操作模塊，高層調(diào)試命令模塊，USB接口驅(qū)動(dòng)模塊，主程序狀態(tài)機(jī)模塊。各模塊的調(diào)用關(guān)系如圖2所示。

圖 2   固件各模塊調(diào)用關(guān)系

3.1  DTC插件程序模塊

ST72651內(nèi)部集成的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)處理器（DTC）是一個(gè)通用的串行/并行通信接口。ST7 核也可以讀寫(xiě)DTC 的數(shù)據(jù)傳輸緩沖區(qū)，因此需要一個(gè)仲裁電路用于防止ST7核和DTC沖突訪問(wèn)該緩沖區(qū)。如果其中有一個(gè)在訪問(wèn)數(shù)據(jù)傳輸緩沖區(qū)，則另一個(gè)的請(qǐng)求將在數(shù)據(jù)傳輸緩沖區(qū)空閑時(shí)才得到響應(yīng)；如果兩個(gè)同時(shí)請(qǐng)求，則按優(yōu)先級(jí)響應(yīng)，ST7核的優(yōu)先級(jí)高于DTC。ST7 核通過(guò)DTC 控制寄存器DTCCR 控制DTC的操作，通過(guò)DTC 狀態(tài)寄存器DTCSR 查詢(xún)DTC 的狀態(tài)，通過(guò)DTC 指針寄存器DTCPR 改變DTC的操作指針。DTC功能框圖如圖3所示。

圖 3   DTC功能框圖

DTC運(yùn)行的插件程序非常簡(jiǎn)單：將數(shù)據(jù)傳輸緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)快速移出到I/O口，或?qū)/O口數(shù)據(jù)快速移入到數(shù)據(jù)傳輸緩沖區(qū)。由DTC操作的I/O口為4個(gè)JTAG信號(hào)：TCK、TMS、TDI和TDO。TCK作為移入/移出數(shù)據(jù)的觸發(fā)時(shí)鐘，TDI作為移出數(shù)據(jù)出口，TDO作為移入數(shù)據(jù)進(jìn)口，TMS作為輸入信號(hào)，與TCK 一起決定TAP 控制器狀態(tài)的轉(zhuǎn)移過(guò)程。執(zhí)行插件程序前必須使TAP 控制器處Select-DR-Scan 狀態(tài)，執(zhí)行完插件程序后TAP 控制器返回到Select-DR-Scan狀態(tài)。

3.2  掃描鏈操作模塊

掃描鏈操作模塊調(diào)用DTC 軟件插件程序，完成初始化TAP 控制器、掃描鏈1操作和掃描鏈2操作。掃描鏈1有33位，按掃描先后順序依次為：BREAKPT位（輸入），D31-D0（輸入/輸出）。掃描鏈1 操作的目的是移入BREAKPT 位和向/從數(shù)據(jù)總線移入/移出 32位數(shù)據(jù)。掃描鏈2有38位，按掃描先后順序依次為：EmbeddedICE 寄存器的D0-D31，EmbeddedICE 寄存器的A0-A4，讀/寫(xiě)位。掃描鏈2 操作的目的是讀寫(xiě)EmbeddedICE 宏單元的寄存器。

3.3  EmbeddedICE寄存器操作模塊

    EmbeddedICE 寄存器的讀寫(xiě)通過(guò)對(duì)掃描鏈2 操作實(shí)現(xiàn)。讀時(shí)將欲讀的EmbeddedICE 寄存器地址作為參數(shù)調(diào)用掃描鏈2 操作函數(shù)，寫(xiě)時(shí)將欲寫(xiě)的值和EmbeddedICE 寄存器地址作為參數(shù)調(diào)用掃描鏈2操作函數(shù)。

3.4  高層調(diào)試命令模塊

高層調(diào)試命令模塊完成的功能是：調(diào)用掃描鏈操作模塊和EmbeddedICE 寄存器操作模塊，實(shí)現(xiàn)各種調(diào)試控制命令，這些命令供主程序狀態(tài)機(jī)模塊調(diào)用。包括下列調(diào)試控制命令：讀寫(xiě)核寄存器，讀寫(xiě)存儲(chǔ)器，設(shè)置與清除硬件斷點(diǎn)，設(shè)置與清除軟件斷點(diǎn)，設(shè)置與清除觀察點(diǎn)，復(fù)位，停止運(yùn)行，全速運(yùn)行，單步運(yùn)行，返回處理器狀態(tài)，返回設(shè)備標(biāo)志位。

3.5       USB接口驅(qū)動(dòng)模塊

USB接口驅(qū)動(dòng)模塊主要包含五個(gè)函數(shù)：函數(shù)InitUSB( )用于初始化USB；函數(shù)USB_Polling( )用于處理USB 主機(jī)發(fā)來(lái)的USB 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)USB 枚舉階段的傳輸過(guò)程，同時(shí)根據(jù)狀態(tài)寄存器的標(biāo)志位調(diào)用相應(yīng)的端點(diǎn)處理函數(shù)；CTR中斷服務(wù)程序用于處理端點(diǎn)上發(fā)生的各種中斷；函數(shù)USB_RecvDataEP2(unsigned char  *dp, uint8  len)和USB_SendDataEP2(unsigned char  *dp, uint8  len)分別用于從端點(diǎn)2接收和發(fā)送USB包。

ST72651內(nèi)部集成的USB模塊實(shí)現(xiàn)兼容USB2.0規(guī)范的全速（12Mb/s）USB協(xié)議。它包括：模擬收發(fā)器、3.3V 電壓校準(zhǔn)器、串行接口引擎（SIE）、USB 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)接口、端點(diǎn)相關(guān)寄存器和各種控制狀態(tài)寄存器，如圖4所示。

圖 4   USB功能模塊

3.6  主程序狀態(tài)機(jī)模塊

主程序狀態(tài)機(jī)模塊循環(huán)調(diào)用USB 接口驅(qū)動(dòng)模塊的USB_RecvDataEP2( )函數(shù)接收調(diào)試器發(fā)來(lái)的命令報(bào)文，根據(jù)命令報(bào)文的主命令號(hào)和次命令號(hào)調(diào)用高層調(diào)試命令模塊的相應(yīng)命令函數(shù)， 并將命令函數(shù)返回的數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)用USB_SendDataEP2( )函數(shù)返回給調(diào)試器，最終根據(jù)命令函數(shù)返回的狀態(tài)通過(guò)調(diào)用USB_SendDataEP2( )函數(shù)發(fā)確認(rèn)報(bào)文給調(diào)試器。

4  結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的EmJTAG協(xié)議轉(zhuǎn)換器代碼下載速度、單步執(zhí)行能力等各方面性能都接近ARM公司生產(chǎn)的Multi-ICE協(xié)議轉(zhuǎn)換器的性能。而EmJTAG支持USB接口協(xié)議與主機(jī)通信，在PC外圍接口簡(jiǎn)化的今天，USB接口就大大方便了嵌入式軟件設(shè)計(jì)者的使用，同時(shí)價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)不言而喻的。該協(xié)議轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)成調(diào)試器AXD的連接，而ARM公司擁有調(diào)試器AXD的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。為實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的自主產(chǎn)權(quán)ARM嵌入式軟件開(kāi)發(fā)工具鏈，還須完成的工作包括：自主產(chǎn)權(quán)編譯系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，自主產(chǎn)權(quán)主機(jī)調(diào)試器的實(shí)現(xiàn)。筆者希望本文對(duì)ARM調(diào)試系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的研究和推廣有所貢獻(xiàn)。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本設(shè)計(jì)選取內(nèi)部集成USB模塊和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)處理器（DTC）模塊的微處理芯片。USB模塊實(shí)現(xiàn)與調(diào)試器的通信，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)處理器（DTC）模塊產(chǎn)生穩(wěn)定高速的JTAG 時(shí)序信號(hào)。微處理器模塊和DTC 模塊封裝在同一個(gè)芯片里，這保證了微處理器模塊和DTC 模塊之間數(shù)據(jù)的快速傳輸。用封裝在一塊芯片上USB模塊、微處理器模塊和DTC 模塊實(shí)現(xiàn)EmJTAG 協(xié)議轉(zhuǎn)換器，以此協(xié)議轉(zhuǎn)換器為理論基礎(chǔ)的調(diào)試器非常方便、高速穩(wěn)定和高性?xún)r(jià)比。

參考文獻(xiàn)：

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