基于USB的ARM仿真器的研究與設(shè)計(jì)

 基于JTAG仿真器的調(diào)試是目前ARM開發(fā)中采用最多的一種方式。大多數(shù)ARM設(shè)計(jì)采用了片上JTAG接口，并將其作為測試、調(diào)試方法的重要組成。JTAG仿真器通過ARM芯片的JTAG邊界掃描口與ARM CPU核通信，實(shí)現(xiàn)了完全非插入式調(diào)試，不使用片上資源，不需要目標(biāo)存儲(chǔ)器，不占用目標(biāo)系統(tǒng)的任何端口。由于JTAG調(diào)試的目標(biāo)程序是在目標(biāo)板上執(zhí)行，使得仿真更加接近于目標(biāo)硬件[1]。
    目前針對(duì)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的調(diào)試工具品種繁多，如ARM公司的AXD debugger軟件與Mutil-ICE仿真器等。但是大部分嵌入式調(diào)試工具價(jià)格過高，因此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種速度快、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉、易于實(shí)現(xiàn)的ARM調(diào)試工具是十分必要的。
1 ARM JTAG調(diào)試原理
    ARM典型的調(diào)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。調(diào)試系統(tǒng)包括調(diào)試主機(jī)、仿真器和調(diào)試目標(biāo)。

    調(diào)試主機(jī)是一臺(tái)運(yùn)行調(diào)試軟件(例如ADS)的計(jì)算機(jī)。調(diào)試主機(jī)可以發(fā)出高層的調(diào)試命令，例如設(shè)置斷點(diǎn)、訪問內(nèi)存等[2]。
    仿真器用來將調(diào)試主機(jī)發(fā)出的高層調(diào)試命令轉(zhuǎn)換為底層的ARM JTAG調(diào)試命令。因?yàn)槟繕?biāo)機(jī)無法識(shí)別調(diào)試主機(jī)發(fā)送來的高級(jí)命令，因此就需要仿真器將調(diào)試主機(jī)發(fā)出的高層調(diào)試命令轉(zhuǎn)換為底層的ARM JTAG調(diào)試命令[3]。在整個(gè)調(diào)試系統(tǒng)中起到重要的作用，其性能也決定了整個(gè)調(diào)試系統(tǒng)性能。
2 方案設(shè)計(jì)
    本文提出了一種采用PHILIPS公司的ARM7芯片LPC2148設(shè)計(jì)，具有USB2.0通信方式、高速穩(wěn)定的ARM仿真器實(shí)現(xiàn)方案，如圖2所示。

    守護(hù)進(jìn)程接收從IDE集成開發(fā)環(huán)境發(fā)送來的調(diào)試命令，將其通過USB總線轉(zhuǎn)發(fā)到ARM仿真器，ARM仿真器再將調(diào)試命令轉(zhuǎn)換成JTAG格式的信號(hào)并發(fā)送到I/O口，從而控制調(diào)試目標(biāo)執(zhí)行特定的操作，達(dá)到調(diào)試的目的。同理，從調(diào)試目標(biāo)返回的數(shù)據(jù)，先經(jīng)過ARM仿真器的譯碼，再經(jīng)過守護(hù)進(jìn)程返回到IDE開發(fā)環(huán)境，從而形成一個(gè)完整的調(diào)試系統(tǒng)。
3 硬件電路設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)是采用了LPC2148作為主控芯片。該芯片內(nèi)部集成了ARM7TDMI-S微控制器和完全兼容USB2.0的設(shè)備控制器，支持32個(gè)物理(16個(gè)邏輯)端點(diǎn)；支持控制、批量、中斷和同步端點(diǎn)；所有端點(diǎn)都有一個(gè)雙向的DMA通道。因?yàn)樾酒瑑?nèi)部集成了USB控制器，大大降低了電路板的設(shè)計(jì)難度和開發(fā)成本。其硬件電路框圖如圖3所示。

    (1)本機(jī)JTAG調(diào)試電路
    為了便于調(diào)試和燒寫程序，將芯片LPC2148的JTAG接口接到一個(gè)20引腳的標(biāo)準(zhǔn)JTAG插口。本設(shè)計(jì)中使用引腳P0.8、P0.9、P0.10、P0.12、P0.14作為外部JTAG接口，盡量不用有其他接口功能的引腳，如P0.11、P0.14接口與I2C接口SCL1、SDA1功能復(fù)用，以便于將來的硬件升級(jí)。為了增強(qiáng)帶負(fù)載能力，使用一片74HC244芯片，同時(shí)為了盡量兼容大部分ARM開發(fā)板上的不同JTAG插口，本設(shè)計(jì)提供了一個(gè)20引腳的JTAG插口和一個(gè)14引腳的JTAG插口。[!--empirenews.page--]
    (2)USB電路(包括供電電路)
    USB接口電路如圖4所示。為了使LPC2148的軟件可以更靈活地控制USB設(shè)備與主機(jī)之間的連接，本接口電路使用P0.31(只能使用該引腳)來實(shí)現(xiàn)SoftConnect特性。當(dāng)P0.31輸出低電平時(shí)，D+線通過電阻上拉到VDD3.3，通知USB主機(jī)：USB設(shè)備與其建立連接；當(dāng)P0.31輸出高電平時(shí)，D+線斷開與VDD3.3的連接，通知USB主機(jī)：USB設(shè)備已經(jīng)斷開與USB主機(jī)的連接。

    Q1選用的是P溝道MOS管，而不選用普通的PNP三極管，因?yàn)镸OS管是電壓驅(qū)動(dòng)型，驅(qū)動(dòng)電流幾乎為0；而普通的PNP三極管是電流驅(qū)動(dòng)，需要一定的驅(qū)動(dòng)電流。導(dǎo)通時(shí)，P0.31_P17有可能被拉低，LPC2148要求該引腳在復(fù)位引腳為低電平期間不能被拉低，否則JTAG口將被禁止，因此必須選用P溝道的MOS管。LPC2148的P0.23引腳為USB設(shè)備控制器，用于檢測USB總線是否插入檢測引腳[4]。
4 仿真器固件程序設(shè)計(jì)
    仿真器LPC2148芯片中的固件程序?qū)崿F(xiàn)的功能包括：通過USB與上位機(jī)軟件進(jìn)行通信，并將上位機(jī)發(fā)送過來的、經(jīng)過封裝的USB數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為JTAG信號(hào)，并最終送到相應(yīng)的引腳或者將相應(yīng)引腳的數(shù)據(jù)經(jīng)過封裝后，通過USB傳送到PC機(jī)中。圖5為應(yīng)用程序的流程圖。

    主函數(shù)首先將作為JTAG接口使用的5個(gè)引腳設(shè)置成相應(yīng)屬性，并完成USB設(shè)備初始化，配置中斷向量、開中斷，然后進(jìn)入無限循環(huán)函數(shù)。
    無限循環(huán)函數(shù)首先處理USB事件，如USB控制傳輸、USB總線復(fù)位等。然后判斷標(biāo)志位是否收到數(shù)據(jù)，如果未收到則繼續(xù)執(zhí)行無限循環(huán)；如果收到了數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)從端點(diǎn)緩沖區(qū)讀出，再交給數(shù)據(jù)處理函數(shù)處理。數(shù)據(jù)處理函數(shù)按照上位機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)封裝方式進(jìn)行解析，根據(jù)解析的命令(讀取TDI、寫TMS或TDO等)，通過分支處理跳到相應(yīng)的處理函數(shù)。在這個(gè)過程中如果上位機(jī)要讀取調(diào)試目標(biāo)數(shù)據(jù)，可將相應(yīng)的值按同樣格式進(jìn)行封裝，然后通過USB發(fā)送到上位機(jī)。數(shù)據(jù)封裝格式如圖6所示。

    C語言定義的命令碼如下：
    #define UNKOWN_COMMAND     0x00    //未知指令
    #define PORT_DIRECTION     0x01       //設(shè)置端口方向?yàn)檩斎牖蜉敵?br />    #define PORT_SET     0x02              //將JTAG端口的引腳都設(shè)為高電平
    #define PORT_GET         0x03         //讀JTAG端口的引腳數(shù)據(jù)
    #define PORT_SETBIT  0x04          //設(shè)置JTAG端口的某一位為1，由DATA[0]中數(shù)據(jù)決定設(shè)置的具體位數(shù)
    #define PORT_GETBIT  0x05        //讀取JTAG端口的某一位為1，由DATA[0]中數(shù)據(jù)決定讀取的具體位數(shù)
    #define WRITE_TDI     0x06            //寫TDI信號(hào)命令
    #define READ_TDO     0x07               //讀TDO信號(hào)命令
    #define WRITE_AND_READ     0x08    //讀寫指令，對(duì)TDI寫一位，對(duì)TDO一位
    #define WRITE_TMS         0x09          //寫TMS信號(hào)命令
    #define WRITE_TMS_CHAIN 0x0A      //寫TMS掃描鏈命令
    本仿真器經(jīng)實(shí)際測試下載速度穩(wěn)定在30 KB/s左右，具有單步、全速、設(shè)置斷點(diǎn)(兩個(gè)硬斷點(diǎn)和無數(shù)軟斷點(diǎn))等功能。本文提出了一種具有硬件電路設(shè)計(jì)簡單、價(jià)格低廉、調(diào)試速度快的ARM仿真器設(shè)計(jì)方案，是取代傳統(tǒng)并口方式ARM仿真器的一種確實(shí)可行的方案。
參考文獻(xiàn)
[1] 田澤．嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[M]．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.
[2] 鄧春梅.嵌入式系統(tǒng)軟件仿真技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2004.
[3] 楊晶箐．USB接口的邊界掃描測試控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都:成都電子科技大學(xué)，2006.
[4] 周立功，張華．深入淺出ARM7-LPC213x/214x[M]．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.