基于A(yíng)RM開(kāi)發(fā)的JTAG仿真器的調試設計

基于JTAG仿真器的調試是目前ARM開(kāi)發(fā)中采用最多的一種方式。大多數ARM設計采用了片上JTAG接口，并將其作為測試、調試方法的重要組成。

JTAG仿真器通過(guò)ARM芯片的JTAG邊界掃描口與ARM CPU核通信，實(shí)現了完全非插入式調試，不使用片上資源，不需要目標存儲器，不占用目標系統的任何端口。由于JTAG調試的目標程序是在目標板上執行，使得仿真更加接近于目標硬件[1]。
目前針對嵌入式系統開(kāi)發(fā)的調試工具品種繁多，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試工具價(jià)格過(guò)高，因此設計實(shí)現一種速度快、性能穩定、價(jià)格低廉、易于實(shí)現的ARM調試工具是十分必要的。
1 ARM JTAG調試原理
ARM典型的調試系統結構如圖1所示。調試系統包括調試主機、仿真器和調試目標。

調試主機是一臺運行調試軟件(例如ADS)的計算機。調試主機可以發(fā)出高層的調試命令，例如設置斷點(diǎn)、訪(fǎng)問(wèn)內存等[2]。
仿真器用來(lái)將調試主機發(fā)出的高層調試命令轉換為底層的ARM JTAG調試命令。因為目標機無(wú)法識別調試主機發(fā)送來(lái)的高級命令，因此就需要仿真器將調試主機發(fā)出的高層調試命令轉換為底層的ARM JTAG調試命令[3]。在整個(gè)調試系統中起到重要的作用，其性能也決定了整個(gè)調試系統性能。
2 方案設計
本文提出了一種采用PHILIPS公司的ARM7芯片LPC2148設計，具有USB2.0通信方式、高速穩定的ARM仿真器實(shí)現方案，如圖2所示。

守護進(jìn)程接收從IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境發(fā)送來(lái)的調試命令，將其通過(guò)USB總線(xiàn)轉發(fā)到ARM仿真器，ARM仿真器再將調試命令轉換成JTAG格式的信號并發(fā)送到I/O口，從而控制調試目標執行特定的操作，達到調試的目的。同理，從調試目標返回的數據，先經(jīng)過(guò)ARM仿真器的譯碼，再經(jīng)過(guò)守護進(jìn)程返回到IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境，從而形成一個(gè)完整的調試系統。
3 硬件電路設計
本設計的最大特點(diǎn)是采用了LPC2148作為主控芯片。該芯片內部集成了ARM7TDMI-S微控制器和完全兼容USB2.0的設備控制器，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。因為芯片內部集成了USB控制器，大大降低了電路板的設計難度和開(kāi)發(fā)成本。其硬件電路框圖如圖3所示。

(1)本機JTAG調試電路
為了便于調試和燒寫(xiě)程序，將芯片LPC2148的JTAG接口接到一個(gè)20引腳的標準JTAG插口。本設計中使用引腳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功能復用，以便于將來(lái)的硬件升級。為了增強帶負載能力，使用一片74HC244芯片，同時(shí)為了盡量兼容大部分ARM開(kāi)發(fā)板上的不同JTAG插口，本設計提供了一個(gè)20引腳的JTAG插口和一個(gè)14引腳的JTAG插口。

(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設備與主機之間的連接，本接口電路使用P0.31(只能使用該引腳)來(lái)實(shí)現SoftConnect特性。當P0.31輸出低電平時(shí)，D+線(xiàn)通過(guò)電阻上拉到VDD3.3，通知USB主機：USB設備與其建立連接；當P0.31輸出高電平時(shí)，D+線(xiàn)斷開(kāi)與VDD3.3的連接，通知USB主機：USB設備已經(jīng)斷開(kāi)與USB主機的連接。

Q1選用的是P溝道MOS管，而不選用普通的PNP三極管，因為MOS管是電壓驅動(dòng)型，驅動(dòng)電流幾乎為0；而普通的PNP三極管是電流驅動(dòng)，需要一定的驅動(dòng)電流。導通時(shí)，P0.31_P17有可能被拉低，LPC2148要求該引腳在復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設備控制器，用于檢測USB總線(xiàn)是否插入檢測引腳[4]。
4 仿真器固件程序設計
仿真器LPC2148芯片中的固件程序實(shí)現的功能包括：通過(guò)USB與上位機軟件進(jìn)行通信，并將上位機發(fā)送過(guò)來(lái)的、經(jīng)過(guò)封裝的USB數據流轉換為JTAG信號，并最終送到相應的引腳或者將相應引腳的數據經(jīng)過(guò)封裝后，通過(guò)USB傳送到PC機中。圖5為應用程序的流程圖。