摘 要: 基于USB接口的仿真器,,提出了一種采用PHILIPS公司ARM7內(nèi)核、LPC2148為主控制器的設(shè)計(jì)方案,,并給出了硬件電路設(shè)計(jì),。利用本仿真器通過第三方軟件可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)的調(diào)試和在線編程。硬件電路設(shè)計(jì)簡單,,是取代并口方式仿真器的一種經(jīng)濟(jì)可行的方案,。
關(guān)鍵詞: ARM仿真器;調(diào)試系統(tǒng),;USB接口,;JTAG
基于JTAG仿真器的調(diào)試是目前ARM開發(fā)中采用最多的一種方式。大多數(shù)ARM設(shè)計(jì)采用了片上JTAG接口,,并將其作為測試,、調(diào)試方法的重要組成。JTAG仿真器通過ARM芯片的JTAG邊界掃描口與ARM CPU核通信,實(shí)現(xiàn)了完全非插入式調(diào)試,,不使用片上資源,,不需要目標(biāo)存儲(chǔ)器,不占用目標(biāo)系統(tǒng)的任何端口,。由于JTAG調(diào)試的目標(biāo)程序是在目標(biāo)板上執(zhí)行,,使得仿真更加接近于目標(biāo)硬件[1]。
目前針對(duì)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的調(diào)試工具品種繁多,,如ARM公司的AXD debugger軟件與Mutil-ICE仿真器等,。但是大部分嵌入式調(diào)試工具價(jià)格過高,因此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種速度快,、性能穩(wěn)定,、價(jià)格低廉、易于實(shí)現(xiàn)的ARM調(diào)試工具是十分必要的,。
1 ARM JTAG調(diào)試原理
ARM典型的調(diào)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。調(diào)試系統(tǒng)包括調(diào)試主機(jī)、仿真器和調(diào)試目標(biāo),。
調(diào)試主機(jī)是一臺(tái)運(yùn)行調(diào)試軟件(例如ADS)的計(jì)算機(jī),。調(diào)試主機(jī)可以發(fā)出高層的調(diào)試命令,,例如設(shè)置斷點(diǎn),、訪問內(nèi)存等[2]。
仿真器用來將調(diào)試主機(jī)發(fā)出的高層調(diào)試命令轉(zhuǎn)換為底層的ARM JTAG調(diào)試命令,。因?yàn)槟繕?biāo)機(jī)無法識(shí)別調(diào)試主機(jī)發(fā)送來的高級(jí)命令,,因此就需要仿真器將調(diào)試主機(jī)發(fā)出的高層調(diào)試命令轉(zhuǎn)換為底層的ARM JTAG調(diào)試命令[3]。在整個(gè)調(diào)試系統(tǒng)中起到重要的作用,,其性能也決定了整個(gè)調(diào)試系統(tǒng)性能,。
2 方案設(shè)計(jì)
本文提出了一種采用PHILIPS公司的ARM7芯片LPC2148設(shè)計(jì),具有USB2.0通信方式,、高速穩(wěn)定的ARM仿真器實(shí)現(xiàn)方案,,如圖2所示。
守護(hù)進(jìn)程接收從IDE集成開發(fā)環(huán)境發(fā)送來的調(diào)試命令,,將其通過USB總線轉(zhuǎn)發(fā)到ARM仿真器,,ARM仿真器再將調(diào)試命令轉(zhuǎn)換成JTAG格式的信號(hào)并發(fā)送到I/O口,從而控制調(diào)試目標(biāo)執(zhí)行特定的操作,,達(dá)到調(diào)試的目的,。同理,從調(diào)試目標(biāo)返回的數(shù)據(jù),,先經(jīng)過ARM仿真器的譯碼,,再經(jīng)過守護(hù)進(jìn)程返回到IDE開發(fā)環(huán)境,從而形成一個(gè)完整的調(diào)試系統(tǒng)。
3 硬件電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)是采用了LPC2148作為主控芯片,。該芯片內(nèi)部集成了ARM7TDMI-S微控制器和完全兼容USB2.0的設(shè)備控制器,,支持32個(gè)物理(16個(gè)邏輯)端點(diǎn);支持控制,、批量,、中斷和同步端點(diǎn);所有端點(diǎn)都有一個(gè)雙向的DMA通道,。因?yàn)樾酒瑑?nèi)部集成了USB控制器,,大大降低了電路板的設(shè)計(jì)難度和開發(fā)成本。其硬件電路框圖如圖3所示,。
(1)本機(jī)JTAG調(diào)試電路
為了便于調(diào)試和燒寫程序,,將芯片LPC2148的JTAG接口接到一個(gè)20引腳的標(biāo)準(zhǔn)JTAG插口。本設(shè)計(jì)中使用引腳P0.8,、P0.9,、P0.10、P0.12,、P0.14作為外部JTAG接口,,盡量不用有其他接口功能的引腳,如P0.11,、P0.14接口與I2C接口SCL1,、SDA1功能復(fù)用,以便于將來的硬件升級(jí),。為了增強(qiáng)帶負(fù)載能力,,使用一片74HC244芯片,同時(shí)為了盡量兼容大部分ARM開發(fā)板上的不同JTAG插口,,本設(shè)計(jì)提供了一個(gè)20引腳的JTAG插口和一個(gè)14引腳的JTAG插口,。
(2)USB電路(包括供電電路)
USB接口電路如圖4所示。為了使LPC2148的軟件可以更靈活地控制USB設(shè)備與主機(jī)之間的連接,,本接口電路使用P0.31(只能使用該引腳)來實(shí)現(xiàn)SoftConnect特性,。當(dāng)P0.31輸出低電平時(shí),D+線通過電阻上拉到VDD3.3,,通知USB主機(jī):USB設(shè)備與其建立連接,;當(dāng)P0.31輸出高電平時(shí),D+線斷開與VDD3.3的連接,,通知USB主機(jī):USB設(shè)備已經(jīng)斷開與USB主機(jī)的連接,。
Q1選用的是P溝道MOS管,而不選用普通的PNP三極管,,因?yàn)镸OS管是電壓驅(qū)動(dòng)型,,驅(qū)動(dòng)電流幾乎為0,;而普通的PNP三極管是電流驅(qū)動(dòng),需要一定的驅(qū)動(dòng)電流,。導(dǎo)通時(shí),,P0.31_P17有可能被拉低,LPC2148要求該引腳在復(fù)位引腳為低電平期間不能被拉低,,否則JTAG口將被禁止,,因此必須選用P溝道的MOS管。LPC2148的P0.23引腳為USB設(shè)備控制器,,用于檢測USB總線是否插入檢測引腳[4],。
4 仿真器固件程序設(shè)計(jì)
仿真器LPC2148芯片中的固件程序?qū)崿F(xiàn)的功能包括:通過USB與上位機(jī)軟件進(jìn)行通信,并將上位機(jī)發(fā)送過來的,、經(jīng)過封裝的USB數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為JTAG信號(hào),,并最終送到相應(yīng)的引腳或者將相應(yīng)引腳的數(shù)據(jù)經(jīng)過封裝后,通過USB傳送到PC機(jī)中,。圖5為應(yīng)用程序的流程圖,。
主函數(shù)首先將作為JTAG接口使用的5個(gè)引腳設(shè)置成相應(yīng)屬性,并完成USB設(shè)備初始化,,配置中斷向量,、開中斷,然后進(jìn)入無限循環(huán)函數(shù),。
無限循環(huán)函數(shù)首先處理USB事件,,如USB控制傳輸、USB總線復(fù)位等,。然后判斷標(biāo)志位是否收到數(shù)據(jù),,如果未收到則繼續(xù)執(zhí)行無限循環(huán);如果收到了數(shù)據(jù),,則將數(shù)據(jù)從端點(diǎn)緩沖區(qū)讀出,再交給數(shù)據(jù)處理函數(shù)處理,。數(shù)據(jù)處理函數(shù)按照上位機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)封裝方式進(jìn)行解析,,根據(jù)解析的命令(讀取TDI、寫TMS或TDO等),,通過分支處理跳到相應(yīng)的處理函數(shù),。在這個(gè)過程中如果上位機(jī)要讀取調(diào)試目標(biāo)數(shù)據(jù),可將相應(yīng)的值按同樣格式進(jìn)行封裝,,然后通過USB發(fā)送到上位機(jī),。數(shù)據(jù)封裝格式如圖6所示。
C語言定義的命令碼如下:
#define UNKOWN_COMMAND 0x00 //未知指令
#define PORT_DIRECTION 0x01 //設(shè)置端口方向?yàn)檩斎牖蜉敵?br />
#define PORT_SET 0x02 //將JTAG端口的引腳都設(shè)為高電平
#define PORT_GET 0x03 //讀JTAG端口的引腳數(shù)據(jù)
#define PORT_SETBIT 0x04 //設(shè)置JTAG端口的某一位為1,,由DATA[0]中數(shù)據(jù)決定設(shè)置的具體位數(shù)
#define PORT_GETBIT 0x05 //讀取JTAG端口的某一位為1,,由DATA[0]中數(shù)據(jù)決定讀取的具體位數(shù)
#define WRITE_TDI 0x06 //寫TDI信號(hào)命令
#define READ_TDO 0x07 //讀TDO信號(hào)命令
#define WRITE_AND_READ 0x08 //讀寫指令,對(duì)TDI寫一位,對(duì)TDO一位
#define WRITE_TMS 0x09 //寫TMS信號(hào)命令
#define WRITE_TMS_CHAIN 0x0A //寫TMS掃描鏈命令
本仿真器經(jīng)實(shí)際測試下載速度穩(wěn)定在30 KB/s左右,,具有單步,、全速、設(shè)置斷點(diǎn)(兩個(gè)硬斷點(diǎn)和無數(shù)軟斷點(diǎn))等功能,。本文提出了一種具有硬件電路設(shè)計(jì)簡單,、價(jià)格低廉、調(diào)試速度快的ARM仿真器設(shè)計(jì)方案,,是取代傳統(tǒng)并口方式ARM仿真器的一種確實(shí)可行的方案,。
參考文獻(xiàn)
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