基于USB的ARM仿真器的研究與設(shè)計

郭 華，陳新華

(山東科技大學(xué)，山東 青島 266510)

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)試工具價格過高，因此設(shè)計實現(xiàn)一種速度快、性能穩(wěn)定、價格低廉、易于實現(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、仿真器和調(diào)試目標(biāo)。

調(diào)試主機是一臺運行調(diào)試軟件(例如ADS)的計算機。調(diào)試主機可以發(fā)出高層的調(diào)試命令，例如設(shè)置斷點、訪問內(nèi)存等[2]。

圖1 ARM調(diào)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

仿真器用來將調(diào)試主機發(fā)出的高層調(diào)試命令轉(zhuǎn)換為底層的ARM JTAG調(diào)試命令。因為目標(biāo)機無法識別調(diào)試主機發(fā)送來的高級命令，因此就需要仿真器將調(diào)試主機發(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]。在整個調(diào)試系統(tǒng)中起到重要的作用，其性能也決定了整個調(diào)試系統(tǒng)性能。

2 方案設(shè)計

本文提出了一種采用PHILIPS公司的ARM7芯片LPC2148設(shè)計，具有USB2.0通信方式、高速穩(wěn)定的ARM仿真器實現(xiàn)方案，如圖2所示。

守護進程接收從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)過守護進程返回到IDE開發(fā)環(huán)境，從而形成一個完整的調(diào)試系統(tǒng)。

3 硬件電路設(shè)計

本設(shè)計的最大特點是采用了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個物理(16個邏輯)端點；支持控制、批量、中斷和同步端點；所有端點都有一個雙向的DMA通道。因為芯片內(nèi)部集成了USB控制器，大大降低了電路板的設(shè)計難度和開發(fā)成本。其硬件電路框圖如圖3所示。

(1)本機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20引腳的標(biāo)準(zhǔn)JTAG插口。本設(shè)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(fù)用，以便于將來的硬件升級。為了增強帶負載能力，使用一片74HC244芯片，同時為了盡量兼容大部分ARM開發(fā)板上的不同JTAG插口，本設(shè)計提供了一個20引腳的JTAG插口和一個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(shè)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)來實現(xiàn)SoftConnect特性。當(dāng)P0.31輸出低電平時，D+線通過電阻上拉到VDD3.3，通知USB主機：USB設(shè)備與其建立連接；當(dāng)P0.31輸出高電平時，D+線斷開與VDD3.3的連接，通知USB主機：USB設(shè)備已經(jīng)斷開與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(qū)動型，驅(qū)動電流幾乎為0；而普通的PNP三極管是電流驅(qū)動，需要一定的驅(qū)動電流。導(dǎo)通時，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

仿真器LPC2148芯片中的固件程序?qū)崿F(xiàn)的功能包括：通過USB與上位機軟件進行通信，并將上位機發(fā)送過來的、經(jīng)過封裝的USB數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為JTAG信號，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)按照上位機程序?qū)?shù)據(jù)封裝方式進行解析，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)。在這個過程中如果上位機要讀取調(diào)試目標(biāo)數(shù)據(jù)，可將相應(yīng)的值按同樣格式進行封裝，然后通過USB發(fā)送到上位機。數(shù)據(jù)封裝格式如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)封裝格式

C語言定義的命令碼如下：

本仿真器經(jīng)實際測試下載速度穩(wěn)定在30 KB/s左右，具有單步、全速、設(shè)置斷點(兩個硬斷點和無數(shù)軟斷點)等功能。本文提出了一種具有硬件電路設(shè)計簡單、價格低廉、調(diào)試速度快的ARM仿真器設(shè)計方案，是取代傳統(tǒng)并口方式ARM仿真器的一種確實可行的方案。

[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)計與實現(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.