32位ARM嵌入式處理器的調試技術(shù)

摘要：針對32位ARM處理器開(kāi)發(fā)過(guò)程中調試技術(shù)的研究，分析了目前比較流行的基于JTAG的實(shí)時(shí)調試技術(shù)，介紹了正在發(fā)展的嵌入式調試標準，并展望期趨勢。

隨著(zhù)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(cháng)，傳統8位機已遠遠滿(mǎn)足不了新產(chǎn)品的要求，高端嵌入式處理器已經(jīng)進(jìn)入了國內開(kāi)發(fā)人員的視野，并在國內得到了普遍的重視和應用。ARM內核系列處理器是由英國ARM公司開(kāi)發(fā)授權給其他芯片生產(chǎn)商進(jìn)行生產(chǎn)的系統級芯片。目前在嵌入式32位處理器市場(chǎng)中已經(jīng)達到70%的份額。筆者在對三星公司的ARM7芯片技術(shù)調試的過(guò)程中，對這些高端嵌入式系統的調試技術(shù)進(jìn)行了總結。

傳統的調試工具及方法存在過(guò)分依賴(lài)芯片引腳、不能在處理器高速運行下正常工作、占用系統資源且不能實(shí)時(shí)跟蹤和硬件斷點(diǎn)、價(jià)格過(guò)于昂貴等弊端。目前嵌入式高端處理器的使用漸趨普及。這些處理器常常運行在100MHz，并且一些內部控制以及內部存儲器的總線(xiàn)信號并不體現在外部引腳上。這種片上系統（System on Chip）、深度嵌入、軟件復雜的發(fā)展趨勢給傳統的調試工具帶來(lái)了極大的挑戰，也給嵌入式處理器開(kāi)發(fā)工程師的工作帶來(lái)了不便，這就需要更先進(jìn)的調試技術(shù)和工具進(jìn)行配套。本文將詳細介紹在A(yíng)RM處理器中采用的幾種片上調試技術(shù)（on-chip debugger）。這些片上調試技術(shù)通過(guò)在芯片的硬件邏輯中加入調試模塊，從而能夠降低成本，實(shí)現傳統的在線(xiàn)仿真器和邏輯分析儀器的功能，并在一定的條件下實(shí)現實(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(mǎn)足當今深度嵌入式系統調試的需要而被IEEE1149.1標準所采納，全稱(chēng)是標準測試訪(fǎng)問(wèn)接口與邊界掃描結構（Standard Test Access Portand Boundary Scan Architecture）。JTAG遵循1149.1標準，是面向用戶(hù)的測試接口，是ARM處理器調試的基礎。本文提到的ARM的E-TRACE調試模式實(shí)際上是JTAG的增強版本，其它一些32位嵌入式處理器的調試方式也基本上遵循這個(gè)標準。這個(gè)用戶(hù)接口一般由4個(gè)引腳組成：測試數據輸入（TDI）、測試數據輸出（TDO）、測試時(shí)鐘（TCK）、測試模式選擇引腳（TMS），有的還加了一個(gè)異步測試復位引腳（TRST）。其體系結構如圖1。

所謂邊界掃描就是將芯片內部?jì)瓤扑�有的引腳通過(guò)邊界掃描單元（BSC）串接起來(lái)，從JTAG的TDI引入，TDO引出。芯片內的邊界掃描鏈由許多的BSC組成，通過(guò)這些掃描單元，可以實(shí)現許多在線(xiàn)仿真器的功能。根據1149.1的規定，芯片內的片上調試邏輯通常包括一個(gè)測試訪(fǎng)問(wèn)接口控制器（TAP）。它是一個(gè)16狀態(tài)的有限狀態(tài)機以及測試指令寄存器、數據寄存器、旁路寄存器和芯片標識寄存器等。在正常模式下，這些測試單元（BSC）是不可見(jiàn)的。一旦進(jìn)入調試狀態(tài)，調試指令和數據從TDI進(jìn)入，沿著(zhù)測試鏈通過(guò)測試單元送到芯片的各個(gè)引腳和測試寄存器中，通過(guò)不同的測試指令來(lái)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部功能測試（對芯片生產(chǎn)商）的內部模式，還可以訪(fǎng)問(wèn)和修改CPU寄存器和存儲器，設置軟件斷點(diǎn)，單步執行，下載程序等。其優(yōu)點(diǎn)如下：

·可以通過(guò)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，并可強制引腳輸出用以測試外圍芯片；

·可以軟件下載、執行、調試和控制，為復雜的實(shí)時(shí)跟蹤調試提供路徑；

·可以進(jìn)行多內核和多處理器的板級和芯片級的調試，通過(guò)串接（如圖2），為芯片制造商提供芯片生產(chǎn)、測試的途徑。

雖然JTAG調試不占用系統資源，能夠調試沒(méi)有外部總線(xiàn)的芯片，代價(jià)也非常��；但是由于JTAG是通過(guò)串口依次傳遞數據，速度比較慢，只能進(jìn)行軟件斷點(diǎn)級別的調試，自身還不能完成實(shí)時(shí)跟蹤和多種事件觸發(fā)等復雜調試功能。因此便有了幾種功能更為完善的增強版本。

2 ARM芯片的實(shí)時(shí)調試方案（E-TRACE）

ARM公司的內核芯片采用E-TRACE片上調試模式。它實(shí)際上是JTAG的升級版本，通過(guò)增強的輔助片上調試硬件來(lái)完成實(shí)時(shí)調試，解決了許多傳統調試器難以解決的問(wèn)題。

圖2 對多內核和多處理器的調試

它的實(shí)時(shí)調試方案通過(guò)三種途徑解決：

·EmbeddedICE硬邏輯；

·實(shí)時(shí)監控；

·實(shí)時(shí)跟蹤。

EmbeddedICE邏輯單元存在于A(yíng)RM7TDMI、ARM9TDMI、ARM9E和ARM10內核中。它枯JTAG口的基礎上，增加了硬件斷點(diǎn)寄存器、比較器，通過(guò)斷點(diǎn)寄存器的值可以進(jìn)行硬件斷點(diǎn)的設置，不僅對地址還可以對數據、控制總線(xiàn)的信號進(jìn)行復雜的觸發(fā)控制設定，而不是單單在指令級別進(jìn)行中斷（如軟中斷），從而滿(mǎn)足對特定事件的中斷響應，極大的增加了靈活性，同時(shí)可以在ROM中設置斷點(diǎn)和觀(guān)察點(diǎn)，極大地方便調試。其示意如圖3。

實(shí)時(shí)監控則是進(jìn)一步在A(yíng)RM9E和ARM10中的改進(jìn)。它改變EmbeddedICE在觸發(fā)中斷后時(shí)入調試模式狀態(tài)而停止內核運行的弊端，進(jìn)入一段非常小的中斷監控程序中，得到所需要的信息后迅速把控制權轉讓給先前的任務(wù)（這是與遠程監控器最大的區別）。在監控程序內處理器完全可以再接收外界的中斷和其他觸事件，而不是停止運行。這種方式綜合了JTAG和遠程調試的優(yōu)點(diǎn)，它可以增加以下兩個(gè)好處：

·在不禁止中斷的前提下調試前景任務(wù)（即中斷時(shí)正在運行的任務(wù)）；

·不用停止處理器的運行就可以讀寫(xiě)和修改存儲器（對于機電設備非常重要）。

更為強大的是ARM的實(shí)時(shí)跟蹤解決方案，它由三部分組成：

·嵌入跟蹤微核；

·跟蹤分析儀；

·跟蹤調試軟件。

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