基于SOPC的M8051嵌入式調試器設計

引言
在嵌入式系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中，上位機通過(guò)調試器完成對目標機軟件的開(kāi)發(fā)、下載、調試。早期的調試器與上位機之間通過(guò)串口或并口通信，存在速度慢、通用性差等缺陷。相比之下，USB接口優(yōu)勢明顯，具備速度快、易插拔、支持多個(gè)調試器同時(shí)工作等優(yōu)勢。但目前的USB接口調試器一般采用USB芯片和可編程器件結合的實(shí)現方式，成本和復雜度較高。
M8051是Mentor公司的嵌入式8051處理器，憑借良好的性能和功耗控制，占據了大量的SoC(System on a Chip)市場(chǎng)。該處理器集成了OCI(On-Chip Instrumentation，片上調試單元)來(lái)完成程序的調試。FS2公司設計的System Navigator是一款針對M8051的調試器，但該產(chǎn)品價(jià)格過(guò)于昂貴。本文通過(guò)研究M8051的調試結構，設計一款基于SOPC(System on a Programmable Chip)的M8051調試器，實(shí)現對M8051核心的高效、低成本的開(kāi)發(fā)。

1 M8051片上調試技術(shù)的研究
1．1 典型的OCD調試系統
目前，嵌入式調試領(lǐng)域的趨勢是在MCU上集成一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于調試的功能模塊，并且提供一個(gè)專(zhuān)用接口開(kāi)放給用戶(hù)。用戶(hù)通過(guò)該調試控制模塊來(lái)實(shí)現停止／繼續CPU的運行，并訪(fǎng)問(wèn)目標機上的各種資源，這就是OCD(On-Chip Debug，片上調試)技術(shù)。同時(shí)，JTAG作為應用最廣泛的系統級測試技術(shù)，控制邏輯簡(jiǎn)單、實(shí)現方便，常作為片上調試模塊的測試接口。
一個(gè)完整的OCD調試系統通常包括調試主機、調試協(xié)議轉換器(或調試器)、目標機三個(gè)部分。調試主機運行調試軟件，并通過(guò)調試器與目標機相連；調試器將主機發(fā)出的調試命令和數據轉換為基于目標機OCD模塊和JTAG接口的調試數據；目標機的OCD模塊接收到調試器發(fā)來(lái)的JTA G數據，完成對CPU的邏輯控制。典型的OCD調試系統如圖1所示。

1．2 M8051的片上調試結構
M8051核心的調試功能由其片上的OCI模塊完成。OCI模塊通過(guò)JTAG口與外部通信，其實(shí)現完全符合IEEE-1149．1。具體來(lái)說(shuō)，TAP控制器接收一系列的JTAG邊界掃描鏈讀寫(xiě)時(shí)序，完成對掃描鏈上的IR和DR的讀寫(xiě)。OCI模塊內部的Tracc模塊、Trigger模塊和Dcbug模塊根據IR和DR的內容，產(chǎn)生相應的控制信號給處理器，達到控制M8051處理器的運行或者讀取處理器信息的目的。以上就是OCI模塊的基本調試原理。M805 1OCI模塊的體系結構如圖2所示。

2 基于SOPC的M8051調試器的設計
2．1 調試系統的總體設計
在研究了OCD測試技術(shù)和M8051片上調試結構OCI的基礎上，本文提出了M8051調試系統的總體設計方案。該方案通過(guò)USB接口與上位機通信，調試器主體由一個(gè)FPGA芯片實(shí)現。其總體結構圖如圖3所示。

上位機運行調試軟件，將編譯器的各種調試操作，通過(guò)調試接口函數轉化為各種調試協(xié)議數據；再將這些調試協(xié)議數據通過(guò)底層通信模塊發(fā)送給M8051調試器。本設計的底層通信接口是USB接口。編譯器選擇應用最為廣泛的且具備開(kāi)放調試接口函數AGDI的Keil C51編譯器。
M8051調試器本身主要由USB控制器模塊、8051處理器和JTAG控制器模塊組成。USH控制器在8051處理器的控制下接收來(lái)自上位機的調試協(xié)議數據；JTAG控制器模塊負責將這些調試協(xié)議數據轉化為基于OCI結構的底層調試命令集，并以JTAG邊界掃描鏈讀寫(xiě)時(shí)序發(fā)送出來(lái)。
M8051目標機通過(guò)OCI模塊的JTAG接口，接收M8051調試器發(fā)送的底層調試命令，完成對M8051目標機的調試，并將返回值通過(guò)JTAG接口送回M8051調試器。