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32位ARM嵌入式處理器的調(diào)試技術(shù)
摘要：針對32位ARM處理器開發(fā)過程中調(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。關(guān)鍵詞：嵌入式 調(diào)試 處理器 JTAG Nexus ARM
隨著對高處理能力、實(shí)時(shí)多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)通信、超低功耗需求的增長，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)入了國內(nèi)開發(fā)人員的視野，并在國內(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)級芯片。目前在嵌入式32位處理器市場中已經(jīng)達(dá)到70%的份額。筆者在對三星公司的ARM7芯片技術(shù)調(diào)試的過程中，對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)部存儲器的總線信號并不體現(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)展趨勢給傳統(tǒng)的調(diào)試工具帶來了極大的挑戰(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)測試訪問接口與邊界掃描結(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：測試數(shù)據(jù)輸入（TDI）、測試數(shù)據(jù)輸出（TDO）、測試時(shí)鐘（TCK）、測試模式選擇引腳（TMS），有的還加了一個(gè)異步測試復(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)部內(nèi)科所有的引腳通過邊界掃描單元（BSC）串接起來，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)測試訪問接口控制器（TAP）。它是一個(gè)16狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)以及測試指令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、旁路寄存器和芯片標(biāo)識寄存器等。在正常模式下，這些測試單元（BSC）是不可見的。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，沿著測試鏈通過測試單元送到芯片的各個(gè)引腳和測試寄存器中，通過不同的測試指令來完成不同的測試功能。包括用于測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)部功能測試（對芯片生產(chǎn)商）的內(nèi)部模式，還可以訪問和修改CPU寄存器和存儲器，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：
·可以通過邊界掃描操作測試整個(gè)板的電氣連接，特點(diǎn)為表面貼元件提供方便；
·各個(gè)引腳信號的采樣，并可強(qiáng)制引腳輸出用以測試外圍芯片；
·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；
·可以進(jìn)行多內(nèi)核和多處理
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