基于SoPC的通用在線調(diào)試器設(shè)計(jì)

引 言

目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的部分在線仿真調(diào)試器可以對(duì)部分嵌入式芯片進(jìn)行仿真調(diào)試。但從本質(zhì)上，這些仿真調(diào)試器無法對(duì)所有帶在線調(diào)試功能的嵌入式芯片進(jìn)行仿真調(diào)試。BDI2000和TRACE32等仿真器可以在不改變硬件條件下，通過下載針對(duì)特定嵌入式芯片的調(diào)試“核”來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同嵌入式芯片的仿真調(diào)試，但是非常昂貴，難以適應(yīng)國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)中小企業(yè)的實(shí)際需求。

本文基于SOPC軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)驗(yàn)證技術(shù)設(shè)計(jì)了一款通用在線調(diào)試器。SOPC技術(shù)將傳統(tǒng)的在線調(diào)試器以芯片形式呈現(xiàn)，采用知識(shí)產(chǎn)權(quán)核(IP core)復(fù)用技術(shù)，抽象各種不同架構(gòu)的嵌入式處理器接口，給出支持統(tǒng)一調(diào)試接口的IP core架構(gòu)，提出了基于通用在線調(diào)試器的嵌入式軟件調(diào)試方法。

本文介紹了系統(tǒng)架構(gòu)，以及關(guān)鍵子系統(tǒng)的工作原理及其與所處硬件環(huán)境之間的交互，最后對(duì)JTAG IP core子系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由用戶交互、在線仿真和JTAG IP core三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。



用戶交互子系統(tǒng)包括TCP／IP通信端口與用戶交互界面。它主要負(fù)責(zé)訪問和處理源文件；接收調(diào)試命令，根據(jù)TCP／IP協(xié)議封裝成調(diào)試命令請(qǐng)求包，發(fā)送給通用調(diào)試器；同時(shí)，解析目標(biāo)機(jī)的響應(yīng)。其中，通信端口負(fù)責(zé)與通用在線調(diào)試器通信。

在線仿真子系統(tǒng)是一個(gè)針對(duì)不同類型嵌入式處理芯片的高擴(kuò)展性嵌入式系統(tǒng)。它包括硬件部分和軟件部分。硬件部分采用SOPC技術(shù)加載Altera公司的IP core形成一個(gè)以NiosII CPU為核心的，TCP／IP和JTAG IP core端口為通信模塊的硬件平臺(tái)。軟件部分包括網(wǎng)絡(luò)傳輸處理和JTAG IP core接口程序部分。

JTAG IP core是業(yè)務(wù)信號(hào)處理邏輯模塊，可以是ARM、PowerPC、MIPS等不同架構(gòu)的嵌入式處理器。

1.1 核心子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

JTAG IP core是系統(tǒng)的核心部分。它負(fù)責(zé)目標(biāo)機(jī)調(diào)試命令的格式轉(zhuǎn)換、傳送邏輯控制，以及JTAG狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的控制。JTAG IP core子系統(tǒng)劃分為5個(gè)模塊，每個(gè)模塊又由子模塊所構(gòu)成。模塊的執(zhí)行次序不同，或并發(fā)，或順序執(zhí)行。JTAG IP core子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。



總線讀寫模塊負(fù)責(zé)接收參數(shù)和指令，同時(shí)將處理后的數(shù)據(jù)輸出到總線。接收總線數(shù)據(jù)子模塊接收Avalon總線的數(shù)據(jù)并更新標(biāo)志位；讀信號(hào)觸發(fā)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)子模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。總線讀寫模塊邏輯流程如圖3所示。



參數(shù)指令傳遞模塊用于合并總線讀寫模塊接收的參數(shù)和指令。當(dāng)寫有效且主控模塊沒有工作時(shí)，將從Avalon總線接收的前128位數(shù)據(jù)拼接起來存放在參數(shù)寄存器中，后32位數(shù)據(jù)由指令寄存器接收；當(dāng)寫無效時(shí)停止輸入，并且啟動(dòng)狀態(tài)機(jī)模塊。參數(shù)寄存器和指令寄存器均在在本模塊中定義。

狀態(tài)機(jī)模塊負(fù)責(zé)仿真JTAG狀態(tài)機(jī)中的16個(gè)狀態(tài)，憑借主控模塊中TMS序列驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移，同時(shí)向JTAG的TMS端口送出TMS序列，以控制目標(biāo)機(jī)中JTAG狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行。在SHIFT_IR和SHIFT_DR狀態(tài)下，相應(yīng)的目標(biāo)機(jī)指令(如ARM指令)和數(shù)據(jù)通過JTAG的TDI端口送入目標(biāo)機(jī)。

目標(biāo)機(jī)TDO序列接收模塊負(fù)責(zé)接收目標(biāo)機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，并將其存放在相應(yīng)的寄存器中。

主控模塊在JTAG狀態(tài)機(jī)運(yùn)行之前，根據(jù)參數(shù)指令傳遞模塊中指令寄存器的值更新狀態(tài)機(jī)的TMS和TDI序列數(shù)據(jù)；然后初始化TMS寄存器、TDI寄存器、標(biāo)志寄存器，通過標(biāo)志寄存器的值判斷JTAG狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行；在其運(yùn)行結(jié)束后，在狀態(tài)機(jī)結(jié)束處理子模塊中把目標(biāo)機(jī)傳來的數(shù)據(jù)送到輸出寄存器，并設(shè)置讀有效以啟動(dòng)總線讀寫模塊。

1.2 JTAG IP core接口程序

在線仿真子系統(tǒng)中，JTAG IP core接口為JTAG IPcore子系統(tǒng)與NiosII CPU硬件環(huán)境之間提供數(shù)據(jù)交互服務(wù)。接口程序分成宏定義、寫數(shù)據(jù)、讀數(shù)據(jù)3個(gè)部分。

宏定義部分，JTAG IP core中的操作指令包括：進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)、獲取CPU IDCODE、讀／寫寄存器、讀／寫內(nèi)存、設(shè)置斷點(diǎn)、設(shè)置觀察點(diǎn)、跳出調(diào)試狀態(tài)等。

寫數(shù)據(jù)部分，目標(biāo)機(jī)的內(nèi)存地址和寄存器號(hào)作為參數(shù)數(shù)據(jù)傳遞到JTAG IP core子系統(tǒng)中，調(diào)試指令(即宏定義中的指令)與參數(shù)一起被寫入JTAG IP core子系統(tǒng)中。部分程序代碼如下：



其中，pi表示參數(shù)數(shù)據(jù)（i=0，…，3），ir表示指令。IOWR_32DIRECT(JTAGTEST_0_BASE，ADDR(i)，pi)表示將pi或ir的值寫入JTAG IP core。

讀數(shù)據(jù)部分的功能是從JTAG IP core子系統(tǒng)中讀取目標(biāo)機(jī)傳回的數(shù)據(jù)。當(dāng)在線仿真子系統(tǒng)的Nios II CPU準(zhǔn)備從JTAG IP core子系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，JTAG IP core子系統(tǒng)中的寄存器數(shù)據(jù)不一定是有效數(shù)據(jù)，因而需設(shè)置一個(gè)寄存器(命名為read_ready)來循環(huán)檢測(cè)數(shù)據(jù)是否有效。如果寄存器的值不為0，則允許讀取數(shù)據(jù)。



2 JTAG IP core子系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

JTAG IP core子系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，為了驗(yàn)證邏輯的正確性，在QuartusII環(huán)境下對(duì)該IP core模塊進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。在仿真中，將NiosII CPU給出的觸發(fā)信號(hào)cLK修改為2分頻，以便能較直觀地看清觸發(fā)子系統(tǒng)允許的TCK信號(hào)的產(chǎn)生。當(dāng)JTAG IP core接口程序被啟動(dòng)時(shí)，總線讀寫模塊開始從Avalon總線上讀取參數(shù)和指令(如圖4所示，writedata、address、inst∣reg_in[0，1，4]及ir寄存器中出現(xiàn)數(shù)據(jù))。當(dāng)參數(shù)指令傳遞模塊中的palm和ir寄存器中出現(xiàn)數(shù)據(jù)后，主控模塊開始工作；同時(shí)，主控模塊的busy_flag信號(hào)觸發(fā)狀態(tài)機(jī)模塊工作。從圖中可看到，TMS序列出現(xiàn)數(shù)據(jù)，TDI端口開始送出數(shù)據(jù)。JTAG IP core模塊能按照預(yù)定設(shè)計(jì)輸出TMS和TDI調(diào)試序列，說明該IPcore在邏輯上是正確的。

結(jié) 語

本文提出了以知識(shí)產(chǎn)權(quán)核(即IP core)復(fù)用技術(shù)為主的通用性調(diào)試器設(shè)計(jì)思路以及實(shí)現(xiàn)方法。下一步，可以基于ARM、MIPS系列芯片，結(jié)合本文的解決方案實(shí)現(xiàn)具體的IP core，同時(shí)增加多線程調(diào)試等優(yōu)化工作。