ICE中調試模塊IP軟核的設計與實現

江正斌，周建偉，李德安，彭崇梅，袁國順

(1.河北工業(yè)大學 微電子研究所，天津300130;2.北京中科微電子技術有限公司 研發(fā)部，北京100029;)

隨著片上系統(tǒng)集成度越來越高，嵌入式技術得到廣泛應用，尤其是在消費電子產品中的應用，芯片在線仿真器(In－Circuit Emulator，ICE)的研發(fā)也變得越來越重要，然而市場上的大部分ICE都是適用于幾款或一個系列的芯片，市場中的BD12000、TRACE32等通用仿真器并不能滿足需求，一些提出通用仿真器的方案卻并沒有提出調試模塊的IPcore具體的實現方法［1－4］。使得開發(fā)人員在開發(fā)相應在線仿真器時，周期大幅增長，成本相應增加?；诖耍岢鲆环N具體實現調試模塊IPcore的方法，實現通用性，縮短開發(fā)周期，減少成本。整個過程的開發(fā)選擇了在Xilinx Spartan系列XC3S700AN開發(fā)板套件中進行。

1 特點及其應用

仿真器從應用性角度可分為兩類:(1)特定在線仿真器。包括使用BDM、JTAG等，屬某一類或者某一系列的。(2)通用型仿真器。一類是用硬件搭建程序來實現的，這種仿真器并沒有很好的適用度，但可以作為基本的開發(fā)實驗，另一類則是基于FPGA用IP核來實現［5－9］，將要實現ICE的所有IP軟核下載到FPGA中實現，這種方案雖然通用，然而受調試模塊IP的限制，想要針對不同處理器進行ICE開發(fā)需要較長的周期，且沒有固定的方案，可重復率較小，基于此，文中列出實現ICE調試模塊IP的詳細框架，并列出時鐘控制塊的詳細邏輯，使得其重復利用率大幅提高，縮短了開發(fā)周期。

2 系統(tǒng)實現

一般通用在線仿真器系統(tǒng)的實現可以分為:PC端軟件部分，USB(Universal Serial Bus)接口部分和以FPGA為主的硬件部分，3個部分缺一不可。從實現功能上來說，以FPGA為主的硬件部分是ICE機制實現的關鍵［10－12］。圖1為在線仿真器實現的系統(tǒng)圖。

圖1 ICE機制實現流程圖

2.1 調試模塊IP核的實現

PC端軟件部分和USB的接口部分為在線仿真器提供了方便，而整個ICE硬件電路的實現則需要在FPGA上實現，硬件電路的質量直接決定著在線仿真器的質量，而調試模塊則又是實現ICE機制的關鍵。

圖2中雙向箭頭表示數據經過調試模塊通過USB和電腦端進行雙向通訊，電腦端發(fā)數據到FPGA視為寫數據，FPGA向電腦端發(fā)數據視為讀過程，整個框圖表示的其實是一個讀寫的狀態(tài)機，FPGA等待接收數據，之后按照自定義的協(xié)議將字節(jié)信息進行分類，以識別不同命令，根據命令發(fā)出相應的控制CPU運行的動作，之后對發(fā)出數據進行校驗，如果正確則轉入讀寄存器狀態(tài)，將讀完的數據進行校驗，正確后轉入寫等待即等待輸入新的命令，整個狀態(tài)機可以較好地實現和電腦端的交互過程。圖2是實現調試模塊的具體的狀態(tài)圖。

圖2 調試模塊實現狀態(tài)流程圖

2.2 關鍵邏輯設計

下面列出調試模塊端口中比較重要的信號:

debug_k2，//連接mcu，總開關控制對寄存器的操作;

dclkcon，//連接mcu總的時鐘控制線，1有效，有效時MCU時鐘被屏蔽;

debug_wr，//連接mcu表示寫寄存器命令;

debug_rd，//連接mcu表示讀寄存器命令;

debug_addr_w，//地址信息用來表示要讀取或寫入的是哪個寄存器;

debug_k2是總的寄存器讀寫控制端口，當微處理器處于停止狀態(tài)時，通過控制debug_k2來實現對寄存器進行讀寫，當其為1時，可以對微處理器內部寄存器進行讀寫，當進行讀操作時，此時需要將debug_rd置1，當進行寫操作時，將debug_rd置0之后將debug_wr置1即可，對于讀哪些寄存器時需要近似于RAM地址線的debug_addr_w進行控制，定義其為9位的位寬，當其取不同值時定義其對應不同的寄存器即可。

調試模塊中如何正確有效的控制CPU的運行是實現ICE機制的關鍵，定義其為1時CPU停止運行，為0時CPU繼續(xù)運行。然而，斷點運行、單步運行、全速運行3種命令之中都隱含有使微處理器運行的命令。同理，斷點運行、單步運行、停止命令3種命令之中都隱含有使微處理器停止運行的命令。多個命令控制同一個時鐘時，一個觸發(fā)器是不可能實現的，必須對控制同一寄存器時鐘的信號進行邏輯組合，進行優(yōu)先級的劃分，方能實現對整個時鐘的控制，以下是根據情況對應不同命令定義的不同的時鐘控制分量:

reg adlkcon;//停止命令的“?！笨刂菩盘?，當其為1時應讓CPU停止運行

reg ddlkcon;//單步命令時“停”控制信號，當其為1時應讓CPU停止運行

reg edlkcon;//斷點命令時“?！笨刂菩盘?，當其為1時應讓CPU停止運行

reg bdlkcon;//運行命令的控制信號，當其為0時CPU運行

要實現正確的時鐘邏輯，則需要上述四個分量共同決定dclkcon的時序，經過分析可知，當FPGA接收到斷點運行、“單步、“全速運行”命令時，必須將bdlkcon置0，從而使時鐘控制信號dclkcon為0，微處理器開始運行，當運行到指定要求時斷點運行、單步命令對應的時鐘分量必須被置1，使時鐘控制信號dclkcon置1，微處理器停止運行，并且各分量對時鐘信號的控制必須滿足命令循環(huán)重復的情況。

當adlkcon，ddlkcon，edlkcon為1時，微處理器需停止運行，此時時鐘控制信號dclkcon必須被置1，當bdlkcon為0時微處理器需開始運行，此時時鐘控制信號dclkcon必須被置0，然而，當adlkcon，ddlkcon，edlkcon由1變?yōu)?或者是bdlkcon由0變?yōu)?時，并不希望dclkcon的值發(fā)生變化，此時，時鐘信號必須保持不變，也就是使其保持原值即可。

通過時序的驗證，以上時序邏輯控制能夠較好地滿足所需要求。當出現跟運行有關的命令時，bdlkcon由1變?yōu)?，時鐘信號dclkcon被置1，緊接著bdlkcon置1，時序邏輯進入到下一層進行邏輯判斷，當遇到跟停止有關的命令時，adlkcon或ddlkcon或edlkcon由0變1，由于bdlkcon為1，時鐘控制邏輯直接進入到下一層進行判斷，整個時鐘控制邏輯得以實現。

2.3 查錯設計

有數據發(fā)送就難免有錯誤，由于USB通訊本身的優(yōu)點，從電腦端發(fā)送到調試模塊總線端口的數據出錯的幾率較小，但為了避免出錯造成對字節(jié)命令的影響，在定義字節(jié)含義時，在每一條命令相關的最后一個字節(jié)都帶有兩字節(jié)的校驗和用來檢驗，當發(fā)生錯誤時會自動重新發(fā)送，從而保證數據傳輸的正確性。

3 板上驗證

選用EM78P447S的IP軟核并結合調試模塊在Xilinx Spartan系列XC3S700AN開發(fā)板套件中成功進行了驗證。

一般的仿真器斷點實現方法是將斷點地址事先存入斷點寄存器，執(zhí)行時斷點地址與程序地址進行比較，當相等時則CPU停止運行，然而這樣在隨時取消斷點的同時實現起來較麻煩。如果采用軟硬件結合的辦法，無論設多少個斷點，只在點擊斷點運行命令時將離當前運行位置最近的斷點作為地址發(fā)送至內部FPGA，并且每次運行只發(fā)一個地址，這樣就可以保證在設置了多個斷點地址時，在運行了一部分后隨意取消之前設置的斷點，就可實現任意設置和取消斷點，并且每次斷點運行只發(fā)一次地址的簡便實現方法。

單步的實現既可用保存地址而后進行比較的方法實現，最簡單的辦法則是根據處理器的芯片執(zhí)行流水線特性選擇關鍵點，此次選用的EM78P447S為兩級流水線，PC變化時表示上一條指令剛執(zhí)行完成，根據其特性，采樣PC變化，在單步執(zhí)行時每變化一次則停止一次即可實現單步功能

圖3為單步運行邏輯分析儀采樣圖，單步停下的地址為007H，然后讀出相應寄存器的值。t_mfd為雙向數據總線，將“單步”停止后各個寄存器的值傳回電腦端，如圖3所示，dclkcon為總的時鐘控制信號，當其為高時CPU停止運行，為低時CPU運行，bdlkcon為0時CPU運行，ddlkcon為“單步“命令時控制信號，當“單步”時，ddlkcon發(fā)出一個高電平脈沖，由上述總時鐘控制邏輯可以看出，當bdlkcon低電平到來時觸發(fā)dclkcon變低，CPU開始運行，當bdlkcon脈沖結束后，if(adlkcon==1edlkcon==1)并不滿足所以dclkcon繼續(xù)保持邏輯，等到ddlkcon變?yōu)?之后，使得dclkcon變1則CPU停止運行，PC的值增加1，CPU執(zhí)行了一條指令后停止，停止后PC的值為0007H。

圖3 斷點停止

4 結束語

設計的硬件電路能夠較好地實現“全速運行”，“停止”，“斷點運行”，“單步運行”，并且讀寫相應的寄存器，在整個系統(tǒng)中，軟硬件結合設計才能有效地完成在線仿真器的開發(fā)?；诖嗽O計方法，可以廣泛應用于MCU，ARM等芯片的在線仿真器開發(fā)中。本IP核具有如下優(yōu)點:(1)整個程序層次分明、邏輯清晰、可重復利用、易于修改。(2)不受具體器件的限制，根據具體器件的特性稍加改動便可兼容。(3)具有良好的檢驗差錯重發(fā)能力，避免了出錯帶來的錯誤結果。(4)適用性強，為研發(fā)人員提供了方便，大幅節(jié)約了調試的成本。(5)擺脫對某些特定種類在線仿真器的束縛，實現了仿真器的通用化。至此，結合通用仿真器方案，將調試模塊的IP加入，則可在FPGA上實現具體芯片的ICE機制。

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