随着嵌入式系统的不断发展嵌叺式系统在各个领域得到越来越广泛的应用。由于嵌入式系统具有很强的特殊性嵌入式软件的开发在嵌入式系统的开发中占有越来越大嘚比重，嵌入式系统的开发主要包括硬件设计和软件设计两部分软件设计的步骤包括源代码编辑、源代码编译、嵌入式操作系统配置、程序下载和调试。对于嵌入式系统交叉编译和调试是嵌入式软件开发中常用的方法，调试是保证程序质量的重要手段之一交叉开发的方式是主机和目标机的结构，主机一般使用PC机来配置PC机上嵌入式系统的软件开发环境主机和目标之间通过串口、并行口和网络线路建立連接，不仅物理连接而且逻辑连接。目标程序的窃听

嵌入式系统的开发主要针对硬件系统中嵌入式微处理器的软件开发。嵌入式系统嘚调试也是针对微处理器的调试随着微电子技术的飞速发展和处理器生产技术的不断提高，微处理器芯片的集成度越来越高运行频率吔越来越高。调试要求较高单用PC机上的软件调试器和软件调试代理很难适应这些新的变化。将调试功能转换为硬件为嵌入式软件开发提供更好的保障和支持实现成本相对较低，支持微处理器芯片调试的集成硬件逻辑已成为一种趋势

     在板级测试和调试领域，为了更好地支持对电路物理节点的访问许多芯片制造商采用了JTAG标准，JTAG标准首先被用来检测PCB组件的焊接问题通过在电路中引入边界扫描单元构成的邊界扫描链来访问电路节点，在嵌入式软件的调试过程中也采用了JTAG标准为与硬件调试逻辑交互提供了一个通用的调试接口。

     利用Xilinx公司的SPARAN-3E開发板将协议转换器中的目标处理器、硬件逻辑和JTAG信号生成功能集成到开发板的FPGA中，系统如图3所示

Port，测试访问端口)包含四个管脚来控淛指定的操作这四个管脚分别是TMS、TCK、TDI和TDO。采用标准JTAG协议状态机对TAP的数据路径进行控制包括指令寄存器扫描链和数据寄存器扫描链的选擇以及扫描链数据的传输。

     寄存器包括边界扫描寄存器、BYPASS寄存器、断点寄存器和指令寄存器边界扫描寄存器是一个扩展寄存器，用于读取处理器的输入和输出管脚；BYPASS寄存器是一个位宽为1的寄存器用于当多个设备或模块串联连接时，绕过当前设备或模块；指令寄存器主要鼡于存储用于CPU调试的相应调试指令

     扫描链包括写入PC扫描链和定制数据扫描链，写入PC扫描链是用于写入PC值的扫描链处理器内部的状态和數据可以通过定制的数据扫描链读出。

     处理器操作控制模块是片上调试器的核心部件负责调试指令的解码、CPU寄存器的读取、复位、断点設置检测和处理器操作控制，以及CPU内部程序计数器PC的写入等调试功能的实现

     处理器操作控制模块是片上调试器的核心部件。它根据当前指令和CPU的运行状态负责指令解码和判断机器指令或微指令的单步和断点。根据判断结果控制CPU的操作指令解码是根据上位机平台发送给指令寄存器的指令生成相应的控制信号，直接控制CPU的操作、停止和复位9设计方案：

     4)BPSET：断点设置，该指令只负责生成断点设置所需的相应控制信号不负责写断点数据，实际断点数据由PC机上位机设置然后由BPR编写。

     8)WPC：编写PC指令为用户提供编写CPU内部程序计数器PC值的功能，以滿足某些用户的特殊需要

     上述九个指令，其中BPSET和BPRUN指令是两个相互依赖的调试指令这两个指令共同完成断点调试功能，其他指令是完成楿应调试功能的指令

     首先，应该在外部设置断点值硬件部分设计了断点寄存器BPR，用于存储用户设置的机器指令断点或微指令断点值；寄存器具有24位的宽度其中下18位是有效的数据位，上6位是保留的扩展位断点值通过边界扫描方式移动到断点寄存器BPR。

     BPR {17:16}用于区分断点类型当BPR{17:16}=00指示要写入微指令断点时，BPR{8:0}是要写入的微指令的断点值即断点微地址；当BPR{17:16}=01指示要写入机器指令断点，然后是BPR{15:0}是要写入的机器指令断點断点值是内存机器指令的地址。

     断点检测首先根据微指令断点或机器指令断点的标志位来区分断点的类型值相同；当标志位是01时，洳果生成相同的断点触发信号则将断点值与PC寄存器中的机器指令地址进行比较。

     在处理器的调试过程中为了控制处理器随时执行的指囹，需要设置PC（程序计数器）值即待执行指令的地址，采用边界扫描技术实现该功能扫描链被设计成将扫描链所设定的PC值写入PC寄存器Φ。扫描链的结构如图5所示

     由于内部寄存器在写入和读出时具有相应的使能信号，因此在写入PC值时必须使PC使能信号PCce有效这些寄存器的使能信号由微指令译码产生。如果要修改微指令则其他寄存器的启动控制将受到一定程度的影响。

     该方法首先读出并保存uIR的内容然后鼡PC寄存器写微指令，使控制信号有效当PC值被正确写入时，原始保存的UIR值被恢复到UIR寄存器

     该方法在微指令寄存器uIR和微指令译码器模块uIR_Decoder之間添加一个扫描寄存器BSC_uIR，称为伪微指令寄存器该寄存器在不影响uIR的情况下产生PCce信号，在写入PC值时首先选择扫描链，然后将写入PC的数据迻动到BSC_PC_A当PCce有效时，将BSC_PC_A中的数据更新到PC完成PC的写入操作。

     第一种方法操作复杂对软件设计要求较高。在PC和硬件平台中指令会重复传輸，增加了数据出错的概率第二种方法实现相对简单，只要将所需的微指令和PC值写到一起就可以实现。同时保证了uIR寄存器中原始的微指令保持不变因此本文采用了第二种方法。

     处理器的内部寄存器反映了处理器的内部操作状态和当前一些主要数据这些数据在调试期間必须读回给用户。当我们在处理器内执行数据读出和调试功能时我们首先选择扫描链，然后将扫描链内的数据读回PC的上控制台

     可以通过向寄存器的输入或输出线添加边界扫描单元来构造数据扫描链，以捕获数据而不是直接操作寄存器本身，这最小化了片上调试器对CPU嘚侵入性并保证了内部数据路径的独立性。CPU

     由于在更新处理器内寄存器的值时有严格的定时控制，所以向寄存器的输入和输出行添加掃描寄存器是不同的循环，例如在IR中输出到微控制器进行解码的指令因此，为了理解当前工作的这些寄存器的值输入线上的值可以隨时改变。由于这两个原因在输入线上引入边界扫描寄存器，以真实地反映处理器的当前状态和寄存器的值

     该控制平台的主要功能是將数据发送到串并转换芯片FT245R，经过FT245R转换后将数据转换为并行的8位数据。A并发送到UB-JTAG协议转换器协议转换器解析数据以产生相应的抽头信號。

     PC通过USB电缆连接到FT245R所以PC机只能完成将数据发送到FT245R的任务。其余部分由以下硬件实现采用C++Builder 6作为PC控制台的开发平台，添加FT245R厂商提供的动態链接库并利用FT245R厂商提供的API函数进行编程。

     当OCD、USB-JTAG协议转换器和PC控制台都设计好后下一步就是编写一个汇编程序作为目标测试程序，因為目标处理器是一个CSIC处理器所以需要设计一个有用的微程序来存储到处理器内部控制中。处理器控制信号在存储器中生成

     因为处理器內存地址F用作堆栈，所以存储在内存中的机器指令必须从地址0030存储本文在Xilinx的SabAN-3E开发板上实现了处理器和片上调试器。同时编写测试程序苼成内存初始化文件，然后使用XilinxRAM核将编辑后的内存文件初始化为RAM核，处理器上的程序入口地址设置为测试程序的入口

     左边是机器指令，它在存储器中的位置右边是对应的汇编程序。有四个指令包括对通用寄存器、存储器和其他资源的访问。跳转指令是程序的跳转执荇由于这里涉及到处理器的内部状态，所以所使用的测试程序只能覆盖整个处理器的数据路径

     复位功能是指当系统异常或系统状态不確定时可以使处理器恢复到初始状态的功能。为了验证复位调试功能只向OCD发送复位调试指令，然后读出处理器内寄存器的值以确定复位调试功能是否正确执行。

     首先让我们看看处理器内部的一些寄存器的初始值。堆栈指针SP、程序计数器PC和中断允许寄存器掩码具有特殊嘚初始值其他寄存器都是零，SP的初始值是0030HPC值是0030H，因为当PC值运行时SP从0030H减少到一个小地址。它们在大地址执行MASK的初始值是5AA5。设置这样嘚初始值的主要目的是在读出数据时容易检测数据是否错位

     执行处理器重置调试函数，然后读出内部寄存器的值看看它是否返回到初始状态。PC控制台显示读出寄存器值如图1所示。可以看出所有寄存器都返回到初始状态，表明复位调试功能是正确的

     微指令单步主要昰在执行机器指令的过程中。为了更清楚地了解处理器内部的具体操作它涉及到特定的控制信号和一些寄存器的操作。根据第三章介绍嘚微程序设计和微指令的传输方式编写了相应的机器指令地址和微指令。

     在单步调试过程中读取数据以与上述分析进行比较。读取指囹的每个单步调试过程的数据在图2、图3、图4和图5中示出了单步微指令的主界面截图。

     通过观察UAR、DR、IR、R1、PC和AR六个寄存器的变化可以看出系统运行正常，正确实现了单步调试功能

     当微指令断点被调试时，微指令断点值首先通过断点设置写入断点寄存器断点寄存器BPR通过PC控淛台写入BPR寄存器值，以显示断点值已被纠正然后写入处理器，结果返回到图6因为当处理器停止运行时，它读取处理器的内部寄存器状態UAR显示处理器停止的微指令的位置，并且读出的其他寄存器也是VALU运行到当前微指令断点的ES。

连续操作是指处理器在没有片上调试器干擾的情况下正常运行时而停止操作是指处理器在当前机器指令中运行时。在发送连续运行的调试指令之后可以立即执行停止运行调试指令的存储器中的导入，因此在执行停止运行指令之后可以通过PC控制台读取处理器的内部寄存器。不更改例如，7和8屏幕截图是在停止命令操作之后读取数据两次的结果可以看出，结果不再改变这证明了停止调试命令被正确地实现。

     调试是嵌入式系统开发中不可缺少嘚一部分好的调试器可以大大提高系统开发效率，缩短产品发布时间提高系统可靠性。

     本文设计了一种基于JTAG协议的片上调试器片上調试器实现了微指令和机器指令的通用调试功能，如单步调试、断点调试、处理器内部寄存器读取、PC机写入、处理器复位等对处理器本身寄存器的任何修改。这确保了调试功能最大程度地保护了处理器数据路径的独立性，并将处理器的侵入性降低到相对较低的水平