針對Motorola微處理器的BDM調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計
目前應(yīng)用Motorola微處理器開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時基本上都是使用Motorola公司提供的開發(fā)系統(tǒng)或者CodeWarrior公司的開發(fā)系統(tǒng)等付費昂貴的調(diào)試工具。最近由于Flash技術(shù)的發(fā)展,特別是一些CPU(如CPU12/16/32/32+,PowerPC5xx/8xx,ColdFire等)可以用JTAG口在背景模式下調(diào)試,故仿真器已可以省去。而且隨著BDM調(diào)試模式逐漸標(biāo)準化,自制BDM調(diào)試工具變得越來越容易,特別是對于支持BDM調(diào)試模式的多種類型的CPU,自己設(shè)計的BDM調(diào)試系統(tǒng)只需少量的改動即可移植使用,而不必重復(fù)購買價格昂貴的調(diào)試開發(fā)系統(tǒng),這樣做可以節(jié)省大量的成本。
1 BDM調(diào)試模式介紹
Motorola微處理器的調(diào)試模塊針對不同場合的應(yīng)用分別提供了3種調(diào)試支持:實時跟蹤、BDM調(diào)試和實時調(diào)試。實時跟蹤是要求能夠跟蹤應(yīng)用程序的動態(tài)執(zhí)行路徑,這是實時系統(tǒng)的基本要求;在BDM調(diào)試方式下,處理器被停機,大量的命令可以被發(fā)送到處理器中訪問內(nèi)存和寄存器,外部仿真系統(tǒng)使用一個三腳、串行的雙工通道與處理器通信;實時調(diào)試則可以不需要CPU停止運行,調(diào)試中斷允許實時系統(tǒng)執(zhí)行一個惟一的服務(wù)例程,快速保存主要的寄存器和變量等上下文內(nèi)容,并使系統(tǒng)立即返回到正常操作,外部的開發(fā)系統(tǒng)能訪問被保存的數(shù)據(jù)是因為硬件支持處理器和BDM初始化命令的一致性操作。
其中BDM調(diào)試模式為設(shè)計人員提供了一種低層次的調(diào)試手段,讓用戶能夠中斷CPU的運行,單步調(diào)試程序,讀取CPU的各個寄存器的內(nèi)容,這些僅僅是通過向CPU發(fā)送幾個簡單的命令就可以實現(xiàn),顯然,這樣使調(diào)試軟件的設(shè)計很簡單,通常自己就可以編寫。硬件調(diào)試卡的設(shè)計也非常簡單,關(guān)鍵是要滿足好通信時序關(guān)系和電平轉(zhuǎn)換要求。
這幾種調(diào)試方式都共用26腳的BDM調(diào)試引腳信號,這些信號的定義如表1所示,BDM調(diào)試主要使用了DSCLK,DSI,DSO三種信號。
2 BDM調(diào)試系統(tǒng)的運行條件及其系統(tǒng)組成
(1)系統(tǒng)運行的限制條件
盡管許多BDM命令可以與處理器并行操作,但是要想安全可靠地使用BDM操作,最好的方法就是讓處理器停止運行。但是停機操作對于那些要求實時響應(yīng)的應(yīng)用程序的調(diào)試顯然不理想。但是由于實時跟蹤和實時調(diào)試模塊與BDM調(diào)試模塊引腳共用,所以升級和擴展BDM調(diào)試系統(tǒng),可以很容易支持實時應(yīng)用程序的調(diào)試。
(2)BDM調(diào)試系統(tǒng)組成
該系統(tǒng)主要由3個部分組成,如圖1所示?!?br />
BDM調(diào)試卡作用是完成從并口到BDM調(diào)試端口(信號定義如表1所示)的操作時序的轉(zhuǎn)換;BDM調(diào)試卡的驅(qū)動程序則是完成開發(fā)系統(tǒng)與待開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)的通信過程處理,如合成一定格式的數(shù)據(jù)包、解釋接收到的應(yīng)答數(shù)據(jù)或者微處理器的狀態(tài)數(shù)據(jù)等;BDM調(diào)試軟件則是功能軟件,完成讀寫指定位置的Flash或者SRAM數(shù)據(jù)、暫停、復(fù)位等功能。
值得注意的是,由于現(xiàn)在BDM調(diào)試模塊的標(biāo)準化,調(diào)試卡和驅(qū)動程序在不同型號的CPU上將具有通用性,只是BDM調(diào)試軟件需要根據(jù)各種CPU對應(yīng)的指令集來稍加修改即可復(fù)用。下面將以作者開發(fā)的一個針對Motorola公司的32位單片機MCF5272設(shè)計BDM調(diào)試系統(tǒng)的過程進行論述。
3 CodeFire系列處理器MCF5272的BDM調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計
3.1 BDM調(diào)試卡設(shè)計
BDM接口的串行操作時序分析如圖2所示。從圖2中可以看出,在調(diào)試模塊的串行狀態(tài)機中所有的事件是基于處理器時鐘(PSTCLK)的上升沿的。DSCLK的頻率是PSTCLK的1/5,并且DSCLK的上升沿相對于PSTCLK的上升沿有一定的延時。這里的 DSCLK的作用類似于周期性的使能信號。每一次串行數(shù)據(jù)的傳輸可分為4個階段:C1,C2,C3和C4。在DSCLK的高電平期間,數(shù)據(jù)從DSI輸入,經(jīng)過2個PSTCLK周期的同步(C1和C2)而被采樣,然后在DSCLK的低電平期間PSTCLK的第1個上升沿處(C3)來臨時BDM狀態(tài)機改變狀態(tài),隨后在第2個PSTCLK上升沿(C4),DSI準備傳送新的數(shù)據(jù),DSO上則輸出原來數(shù)據(jù)輸入相對應(yīng)的應(yīng)答數(shù)據(jù)。BDM狀態(tài)機在DSI上數(shù)據(jù)采樣檢測到的時候改變狀態(tài),當(dāng)所有的數(shù)據(jù)傳輸完畢,BDM狀態(tài)機的狀態(tài)也就不會有什么改變。
根據(jù)BDM端口的信號定義,不難看出這些信號都是單向的。其中要注意的是:PSTCLK是調(diào)試模塊從處理器中獲取的,而DSCLK則是外部的開發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的。要實現(xiàn)從并口到BDM口的時序操作轉(zhuǎn)換,最簡單的方式是使并口工作在SPP端口模式下的4位組模式,在該模式下每次通過狀態(tài)端口的4個狀態(tài)位反向傳送半個字節(jié),兩次傳輸完成向PC機傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)[1]。他的操作時序如圖3所示。
由于所有的信號都是單向的,時序和邏輯比較簡單,因此,采用GAL器件實現(xiàn)并口操作時序與BDM操作時序的轉(zhuǎn)換。GAL要實現(xiàn)的功能主要是數(shù)據(jù)的串并和并串轉(zhuǎn)換。
GAL器件與并口接口的信號有:
輸入信號:D0~D7,C1(主機忙狀態(tài)線),DSCLK(提供串行通信時鐘信號)。
輸出信號:S3,S4,S5,S7(這4個信號做數(shù)據(jù)反向輸出),S6(給PC機提供一個中斷信號)。
他與BDM端口接口的信號有:
輸入信號:PSTCLK,DSO。
輸出信號:DSI?!?br />
故需配置12個輸入端和6個輸出端,故選用74GAL16V8的器件即可滿足要求[2]。現(xiàn)在GAL器件要實現(xiàn)的即是將與并口接口的輸入信號(D0~D7,C1,DSCLK)轉(zhuǎn)換成與BDM接口的輸出信號(DSI),同理,也要將與BDM端口接口的輸入信號(PSTCLK,DSO)轉(zhuǎn)換成與并口接口的輸出信號(S3,S4,S5,S6,S7),實現(xiàn)了這2個轉(zhuǎn)換,然后對GAL編程,設(shè)計PCB版圖,可以很快做出BDM調(diào)試卡。
3.2 BDM驅(qū)動程序的設(shè)計
BDM調(diào)試卡已經(jīng)實現(xiàn)了并口到BDM口的時序操作轉(zhuǎn)換,按照一定的數(shù)據(jù)格式傳送和接收數(shù)據(jù)則是BDM調(diào)試卡的驅(qū)動程序要完成的工作,驅(qū)動程序?qū)?shù)據(jù)的處理分為2層:底層完成基本的字節(jié)數(shù)據(jù)的收發(fā)(恢復(fù)和拆分);上層則完成數(shù)據(jù)包的收發(fā)。底層的數(shù)據(jù)收發(fā)原理在調(diào)試卡的設(shè)計過程中已經(jīng)做了詳細的介紹,以下主要介紹數(shù)據(jù)包的收發(fā)處理程序設(shè)計應(yīng)注意的事項。
從BDM操作時序圖中可以看出,串行通道數(shù)據(jù)傳輸速度從直流到PSTCLK頻率的1/5頻率之間,該通道使用雙工模式,數(shù)據(jù)可在主控設(shè)備和從控設(shè)備之間同時發(fā)送和接收,每次傳送的數(shù)據(jù)塊由一個17 b的數(shù)據(jù)包組成,該數(shù)據(jù)包由一個狀態(tài)/控制位和一個16 b數(shù)據(jù)字組成。數(shù)據(jù)格式如下所示:
發(fā)送數(shù)據(jù)時最高位為控制標(biāo)志,該位保留,在開發(fā)系統(tǒng)向CPU發(fā)出命令和數(shù)據(jù)時,該位應(yīng)該被清除。
接收數(shù)據(jù)時最高位為狀態(tài)標(biāo)志位,指示從CPU返回的消息類型。他與數(shù)據(jù)域及數(shù)據(jù)表示的消息含義之間的關(guān)系為:
顯然,由于每次只能傳送一個字節(jié),故發(fā)送一個數(shù)據(jù)包需要執(zhí)行3次傳送操作。應(yīng)注意由于并口工作在4位組模式,每次只能接收4 b數(shù)據(jù)[1],而并口操作是以字節(jié)為單位進行的,因此,實際上接收一個數(shù)據(jù)包最少應(yīng)該執(zhí)行6次接收操作,而不是5次。也即是說最后剩下一位數(shù)據(jù)也要當(dāng)一個字節(jié)傳送,這在驅(qū)動程序的設(shè)計當(dāng)中很容易弄錯。
BDM調(diào)試模塊為外部開發(fā)系統(tǒng)提供了12個基本類型的命令(用助記符表示):RAREG/RDREG(讀A/D寄存器),WAREG/WDREG(寫A/D寄存器),READ(從存儲器讀數(shù)據(jù)),WRITE(向存儲器寫數(shù)據(jù)),DUMP(與READ命令結(jié)合使用轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)塊),F(xiàn)ILL(與WRITE命令結(jié)合使用填充數(shù)據(jù)塊),GO(繼續(xù)執(zhí)行程序),NOP(不做任何操作,可以被用做一個空指令),RCREG(讀系統(tǒng)控制寄存器),WCREG(向系統(tǒng)控制寄存器寫入數(shù)據(jù)),RDMREG(讀調(diào)試模塊寄存器),WDMREG(寫向調(diào)試模塊寄存器寫入數(shù)據(jù));各種命令和他對應(yīng)的應(yīng)答數(shù)據(jù)的格式可以從MCF5272芯片資料上查到。上層驅(qū)動程序最終的任務(wù)就是實現(xiàn)這12種基本命令數(shù)據(jù)和應(yīng)答數(shù)據(jù)的收發(fā),并為調(diào)試軟件提供相應(yīng)的函數(shù)調(diào)用接口,具體的驅(qū)動程序設(shè)計比較簡單,關(guān)鍵是要注意對從調(diào)試模塊返回的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行出錯處理。特別是應(yīng)該區(qū)別CPU還沒準備好和總線操作被中止2種消息。前者出現(xiàn)的比較多,一般是在CPU正在執(zhí)行一個任務(wù),不能及時響應(yīng)BDM命令時返回的消息,而后者則往往是CPU執(zhí)行了2條有沖突的指令(也即是非法訪問資源)。這個在驅(qū)動程序中看不出有很大的區(qū)別,但是在調(diào)試應(yīng)用程序時經(jīng)常報告“BUSError”信息。
3.3 BDM調(diào)試軟件的設(shè)計
該軟件應(yīng)該具有如下基本的功能:系統(tǒng)初始化,重啟系統(tǒng),檢查CPU外圍期間工作是否正常,讀寫Flash中的數(shù)據(jù),讀寫SRAM中的數(shù)據(jù),單步執(zhí)行程序。
調(diào)試軟件主要是調(diào)用驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)的12種BDM調(diào)試命令接口函數(shù)來實現(xiàn)各種功能的。其中需要傳遞參數(shù)給驅(qū)動程序的有:
①檢查外部設(shè)備接口是否工作正常:如RS232串口、USB口、并口、網(wǎng)口等。這類操作需要接口地址和中斷號等參數(shù),并且需要返回操作結(jié)果。
②讀寫SRAM和Flash中的數(shù)據(jù):這些操作需要提供存儲器的地址范圍。
調(diào)試軟件的設(shè)計因開發(fā)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)不同,在實現(xiàn)上有比較大的區(qū)別,但處理過程基本相同,因此,軟件的設(shè)計也比較簡單,沒有必要贅述。
3.4 系統(tǒng)運行及其測試
應(yīng)用MCF5272做嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時,開發(fā)平臺的操作系統(tǒng)是RedHatLinux,因此,驅(qū)動程序和調(diào)試軟件都是針對Linux設(shè)計的。驅(qū)動程序?qū)DM調(diào)試卡作為一個字符設(shè)備看待,BDM卡的初始化是在/usr/src/linux/driverschar/mem.c中添加BDM卡初始化代碼[3],該設(shè)備的基本入口點在驅(qū)動程序的file_operation結(jié)構(gòu)中,對BDM卡的操作命令均在此實現(xiàn),具體代碼不再詳述。
調(diào)試系統(tǒng)做整體測試時,首先要在Linux下創(chuàng)建一個字符型的BDM設(shè)備,然后執(zhí)行insmod命令將驅(qū)動程序模塊打入操作系統(tǒng)內(nèi)核中[3],在成功地創(chuàng)建了BDM設(shè)備文件和安裝好BDM調(diào)試卡的驅(qū)動程序之后,就可以調(diào)試和執(zhí)行該調(diào)試軟件了。
4 結(jié)語
BDM調(diào)試系統(tǒng)具有成本低、操作方便、移植簡單等特點。在Linux環(huán)境下針對MCF5272成功開發(fā)了BDM調(diào)試系統(tǒng)后,又先后將該系統(tǒng)軟件稍加改動,就輕易地移植到與MCF5272同屬ColdFire系列的MCF5249和Power PC系列的MPC555等CPU上,并且在Window下重新編寫了驅(qū)動程序和調(diào)試軟件,使用圖形界面操作,基本上達到了CodeWarrior相應(yīng)軟件的功能,為產(chǎn)品的快速低成本開發(fā)做出了貢獻。[!--empirenews.page--]