32位ARM嵌入式处理器的调试技术

摘要：针对32位ARM处理器开发过程中调试技术的研究，分析了目前比较流行的基于JTAG的实时调试技术，介绍了正在发展的嵌入式调试标准，并展望期趋势。 

   关键词：嵌入式 调试 处理器 JTAG Nexus ARM
随着对高处理能力、实时多任务、网络通信、超低功耗需求的增长，传统8位机已远远满足不了新产品的要求，高端嵌入式处理器已经进入了国内开发人员的视野，并在国内得到了普遍的重视和应用。ARM内核系列处理器是由英国ARM公司开发授权给其他芯片生产商进行生产的系统级芯片。目前在嵌入式32位处理器市场中已经达到70%的份额。笔者在对三星公司的ARM7芯片技术调试的过程中，对这些高端嵌入式系统的调试技术进行了总结。
传统的调试工具及方法存在过分依赖芯片引脚、不能在处理器高速运行下正常工作、占用系统资源且不能实时跟踪和硬件断点、价格过于昂贵等弊端。目前嵌入式高端处理器的使用渐趋普及。这些处理器常常运行在100MHz，并且一些内部控制以及内部存储器的总线信号并不体现在外部引脚上。这种片上系统（System on Chip）、深度嵌入、软件复杂的发展趋势给传统的调试工具带来了极大的挑战，也给嵌入式处理器开发工程师的工作带来了不便，这就需要更先进的调试技术和工具进行配套。本文将详细介绍在ARM处理器中采用的几种片上调试技术（on-chip debugger）。这些片上调试技术通过在芯片的硬件逻辑中加入调试模块，从而能够降低成本，实现传统的在线仿真器和逻辑分析仪器的功能，并在一定的条件下实现实时跟踪和分析，进行软件代码的优化。

1 边界扫描技术（JTAG）
边界扫描技术是为了满足当今深度嵌入式系统调试的需要而被IEEE1149.1标准所采纳，全称是标准测试访问接口与边界扫描结构（Standard Test Access Portand Boundary Scan Architecture）。JTAG遵循1149.1标准，是面向用户的测试接口，是ARM处理器调试的基础。本文提到的ARM的E-TRACE调试模式实际上是JTAG的增强版本，其它一些32位嵌入式处理器的调试方式也基本上遵循这个标准。这个用户接口一般由4个引脚组成：测试数据输入（TDI）、测试数据输出（TDO）、测试时钟（TCK）、测试模式选择引脚（TMS），有的还加了一个异步测试复位引脚（TRST）。其体系结构如图1。
所谓边界扫描就是将芯片内部内科所有的引脚通过边界扫描单元（BSC）串接起来，从JTAG的TDI引入，TDO引出。芯片内的边界扫描链由许多的BSC组成，通过这些扫描单元，可以实现许多在线仿真器的功能。根据1149.1的规定，芯片内的片上调试逻辑通常包括一个测试访问接口控制器（TAP）。它是一个16状态的有限状态机以及测试指令寄存器、数据寄存器、旁路寄存器和芯片标识寄存器等。在正常模式下，这些测试单元（BSC）是不可见的。一旦进入调试状态，调试指令和数据从TDI进入，沿着测试链通过测试单元送到芯片的各个引脚和测试寄存器中，通过不同的测试指令来完成不同的测试功能。包括用于测试外部电气连接和外围芯片功能的外部模式以及用于芯片内部功能测试（对芯片生产商）的内部模式，还可以访问和修改CPU寄存器和存储器，设置软件断点，单步执行，下载程序等。其优点如下：