基于JTAG技术的嵌入式交叉调试软件

０期第２６卷第１Ｖｏｌ．　２６Ｎｏ．　１０计算机工程与设计　　　　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ２００５年１０月Ｏｃｔ．　　　２００５基于ＪＴＡＧ技术的嵌入式交叉调试软件　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　阳富民，柯滔，涂刚（　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　华中科技大学计算机学院，湖北武汉４３００７４）摘要：介绍了ＪＴＡＧ交叉调试技术及Ｘｓｃａｌｅ芯片的增强调试功能，并在此基础上给出一种嵌入式交叉调试软件系统的设计及实现。主机端环境为ＬＩＮＵＸ操作系统，并利用ＧＤＢ调试软件，目标系统采用Ｘｓｃａｌｅ芯片．该系统的特点是纯软件实现，廉价方便。关键词：ＪＴＡＧ；嵌入式系统；交又调试中图法分类号：ＴＰ３１９文献标识码：Ａ文章编号：１０００－７０２４（２００５）１０－２８１７－０３Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｃｒｏｓｓ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＪＴＡＧＹＡＮＧ　Ｆｕ－ｍｉｎ，　　ＫＥ　Ｔａｏ，ＴＵ　Ｇａｎｇ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，　Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙｔｏ　ｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｗｕｈａｎ　４３００７４，　Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｗｉｔｈ　ＪＴＡＧ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｘｓｃａｌｅ　ｗａｓ　ｅｍｈａｎｃｅｄ．　Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ａｎ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｃｒｏｓｓ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌｓ．Ｔｈｅ　ｈｏｓｔ　ｒａｎ　ｗｉｔｈ　ｌｉｎｕｘ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，　ａｎｄ　ＧＤＢ　ｗａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ａｓ　ｈｏｓｔ　ｄｅｂｕｇｇｅｒ．　Ｔｈｅ　ｔａｒｇｅｔ　ｃｈｉｐ　ｉｓ　Ｘｓｃａｌｅ．　Ｔｈｅ　ｐｅｃｕｌｉａｒｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｉｔｓ　ｃｈｅａｐｎｅｓｓ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｐｕｒｅｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ＪＴＡＧ；　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ；　ｃｒｏｓｓ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ１引言特有调试功能给出一种嵌入式交叉调试软件的设计与实现。　　　　交叉调试是嵌入式系统开发中普遍采用的调试方法。支２交叉调试系统的总体结构持ＨＡＧ＂＇技术的嵌入式芯片可以在系统运行环境尚未建立的　　　　交叉调试系统由主机调试器、目标机上的调试代理、调试条件下实现交叉调试。所谓的ＪＴＡＧ技术就是将芯片内部所协议３大部分组成，其体系结构如图１所示。图中主机调试有的引脚通过边界扫描单元串接起来，借助ＪＴＡＧ外部接口实器主要实现对源文件、目标文件和符号表的访问处理，接收用现对芯片引脚的操作，达到控制芯片的目的。芯片内的片上户输入的调试命令，并根据调试协议封装成调试命令请求包调试逻辑由测试访问接口控制器体现，它包括一个１６状态的发送给调试代理，同时接收调试代理返回的调试信息，以获取有限状态机以及调试指令寄存器、数据寄存器、旁路寄存器和目标程序的当前运行状态。目标机上的调试代理负责根据调芯片标识寄存器等，由它实现对边界扫描单元的操作以及调试协议接收并解析调试命令，监控目标程序的运行状态，将目试指令的执行。标程序状态信息返回主机端。调试协议则规定了调试命令和Ｉ　　　　ｎｔｅｌ公司的Ｘｓｃａｌｅ＂＇是符合ＡＲＭ体系架构的一款嵌入式调试信息的数据格式及通信过程。芯片，它不但支持ＪＴＡＧ标准指令，还添加了４条特有的ＪＴＡＧＨＯＳＴＴＡＲＧＥＴ指令：ＬＤＩＣ，ＳＥＬＤＣＳＲ，ＤＢＧＲＸ和ＤＢＧＴＸ．ＬＤＩＣ指令用于将调试代理程序下载到Ｘｓｃａｌｅ的微型指令缓冲区（ＭｉｎｉｌＣ）中；ＳＥＬＤＣＳＲ指令用于读写ＤＣＳＲ数据寄存器，可以使ＣＰＵ产生异常：ＤＢＧＲＸ指令用于写入ＲＸ数据寄存器，使目标机从中接收调试命令；ＤＢＧＴＸ指令用于读出ＴＸ数据寄存器，即从目标机接收调试数据。涉及的硬件包括协处理器ＣＰ　１４中的控制寄存器ＴＸＲＸＣＴＲＬ、发送寄存器ＴＸ、接收寄存器ＲＸ和一图１调试系统体系结构个３６位移位寄存器ＤＢＧ　ＳＲ等。　　　　此结构的特点是主机端环境为ＬＩＮＵＸ操作系统，主机调本文将应用Ｊ　　　　ＴＡＧ技术提供的调试支持，并针对Ｘｓｃａｌｅ芯片的试器采用ＧＤＢ　－Ｉ－　ＪＴＡＧＥＲ的方案，由ＧＤＢ完成对源文件、目收稿日期：２００４－０９－０１．作者简介：阳富民（１９６６－），男，湖南邵阳人，教授，研究方向为嵌入式操作系统及人工智能技术；柯滔，硕士生，研究方向为嵌入式操作系统：涂刚，博士生，研究方向为嵌入式操作系统。一２８１７一标文件和符号表的访问处理和与用户的交互，由ＪＴＡＧＥＲ程序封装对交叉调试的支持；调试协议是ＪＴＡＧＥＲ程序与调试代理程序之间的通信规范，此协议遵循Ｘｓｃａｌｅ芯片手册〔２］规定的调试过程及步骤；调试代理程序ＨＡＮＤＬＥＲ则通过Ｘｓｃａｌｅ特有的ＬＤＩＣ指令载入目标芯片的微型指令缓存中。３调试协议调试协议是整个交叉调试系统的中心，它规定了主机与　　　　目标机之间的数据通信过程。主机与目标机采用尽量简单的数据包交互，ＪＴＡＧＥＲ需要发往ＨＡＮＤＬＥＲ的调试命令包括读写目标机内存（ｇ和Ｐ）、增加断点（ｂ）、继续运行（ｃ）。由于读写目标机寄存器会频繁发生，所以采用轮询方式定时完成。交互过程中采用Ｘｓ　　　　ｃａｌｅ协处理器１４的寄存器ＲＸ，　ＴＸ作为数据交换通道：ＪＴＡＧＥＲ使用特有ＪＴＡＧ指令ＬＤＩＣ，　ＳＥＬ－ＤＣＳＲ，ＤＢＧＲＸ和ＤＢＧＴＸ对目标芯片的ＲＸ，　ＴＸ进行读写；ＨＡＮＤＬＥＲ使用芯片汇编指令ｍｃｒ与ｍｒｃ读写ＲＸ与ＴＸ。两者数据交互要通过握手进行同步二ＲＸ握手（包括普通ＲＸ握手与快速数据下载握手两种类型）与ＴＸ握手。３．１普通ＲＸ握手普通ＲＸ握手协议是」　　　　ＴＡＧＥＲ向ＨＡＮＤＬＥＲ传送数据的通信规范。ＪＴＡＧＥＲ在传输数据时，首先通过ＪＴＡＧ轮询ＴＸＲＸＣＴＲＬ的ＲＲ位，检查其是否为０，直到ＲＲ＝Ｏ。然后通过ＤＢＧ．ＲＸ将数据扫描入ＲＸ中，并设置数据有效位（ｄｂｇ．ｖ＝１）　ｏ当写入ＲＸ时，ＲＲ自动设为１。在ＨＡＮＤＬＥＲ端，ＨＡＮＤＬＥＲ轮询ＲＲ直到ＲＲ＝１，这表明此时Ｒｘ中的数据有效。一旦ＲＲ被设置，则ＨＡＮＤＬＥＲ从ＲＸ中读取新数据，并自动设ＲＲ＝Ｏ　ｏ３．２快速数据下载握手　　　　快速数据下载握手协议用于ＪＴＡＧＥＲ向Ｘｓｃａｌｅ系统内存传输数据。此时ＪＴＡＧＥＲ首先必须轮询ＲＲ位直到ＲＲ＝Ｏ。一旦检测到ＲＲ＝Ｏ（表明ＨＡＮＤＬＥＲ已就绪），ＪＴＡＧＥＲ开始传输数据。ＪＴＡＧＥＲ将数据扫描入ＲＸ，并设置ｄｂｇ．ｖ＝１，　ｄｂｇ．ｄ＝１。当数据写入ＲＸ时，ＴＸＲＸＣＴＲＬ中的ＲＲ位和Ｄ位自动被设置为１．　ＪＴＡＧＥＲ继续将新数据扫描入ＲＸ中时，无需轮询ＲＲ来检测ＨＡＮＤＬＥＲ是否己读取数据，只需设置ｄｂｇ．ｖ和ｄｂｇ．ｄ。当ＨＡＮＤＬＥＲ没有读取以前的数据，而此时ＪＴＡＧＥＲ已完成新数据的扫描时会出现一个溢出异常。在完成了下载操作后，ＪＴＡＧＥＲ将设置ｄｂｇ．ｄ＝０，允许ＨＡＮＤＬＥＲ结束下载。　　　　ＨＡＮＤＬＥＲ处于等待数据写入内存的线程中，这个线程的循环是基于ＴＸＲＸＣＴＲＬ的Ｄ位。当ＲＲ＝１时，ＨＡＮＤＬＥＲ开始读取ＲＸ的数据，并写入内存中。这个操作一直持续到ＪＴＡＧＥＲ清除Ｄ位为止。当溢出异常发生时，　　　　ＴＸＲＸＣＴＲＬ的Ｏｖ位被设置，而且一直保持直到用ＭＣＲ命令对ＴＸＲＸＣＴＲＬ进行一个写操作来清除。在ＪＴＡＧＥＲ完成下载之后，它会根据Ｏｖ位检查溢出异常是否发生。ＨＡＮＤＬＥＲ保存了在异常发生之前最后一次数据有效保存的地址。３．３　　ＴＸ握手ＴＸ握手协议用于ＨＡＮＤＬＥＲ向Ｊ　　　　ＴＡＧＥＲ传输数据。在ＨＡＮＤＬＥＲ端，ＨＡＮＤＬＥＲ首先必须轮询ＴＲ位检查ＴＸ寄存器是否为空（以前的数据己被ＪＴＡＧＥＲ读取）。当ＴＲ＝Ｏ，　ＨＡＮＤ－２８１８一ＬＥＲ就将新数据写入ＴＸ中，ＴＲ被自动设置。在ＪＴＡＧＥＲ端，ＪＴＡＧＥＲ在读取ＴＸ数据前必须通过ＪＴＡＧ轮询ＴＲ位，扫描出ＴＲ位和ＴＸ寄存器数据。当ＴＲ＝１时，表明扫描出的ＴＸ数据有效并自动清除ＴＲ位。４主机端调试器ＧＤＢ＋ＪＴＡＧＥＲ　　　　ＧＤＢ是公开源码的一种功能强大的通用调试器，它支持丰富的调试命令与多种编程语言，并且支持远程调试方式。运行ＧＤＢ的平台通过并行端口（或网口、串口等）连接到己建立运行环境的目标机时，ＧＤＢ可以按照远程串行协议（ＲＳＰ）与目标机上的插桩程序通信来调试目标系统。但当目标机为裸机时，ＧＤＢ无法与之通信而不能调试，所以再增加一个中间软件ＪＴＡＧＥＲ，它的功能是应用ＪＴＡＧ技术实现对裸机的交叉调试。Ｊ　　　　ＴＡＧＥＲ首先需要能解析ＧＤＢ的串行调试通信协议，并且根据ＧＤＢ所发的调试命令进行处理，在取得相应调试信息时封装为特定格式将之回送给ＧＤＢ，完成各类调试命令的支持；其次，ＪＴＡＧＥＲ需要能将ＧＤＢ的调试命令信息转译为相应的ＪＴＡＧ指令组合，按照调试协议规定的握手过程通过ＲＸ，ＴＸ与调试代理（ＨＡＮＤＬＥＲ）通信，间接控制目标机程序的运行。它与目标机的通信途径是主机端并口以特定接线方式直接连接到目标机的ＪＴＡＧ口。连线中也可以加入被称为“探头”的器件（较常见的为ｗｉｇｇｌｅｒ），以硬件方式实现自动“串／并”转换［３］由以上分析可知，Ｊ　　　　ＴＡＧＥＲ程序必须实现２个关键功能：与ＧＤＢ的数据包交互和对ＲＸ，　ＴＸ寄存器的读写操作。以这两个功能为基础，再通过ＪＴＡＧＥＲ程序的主控流程和调试命令的处理过程就可以清晰地描述出ＪＴＡＧＥＲ程序的实现。另外，ＨＡＮＤＬＥＲ的载入作为Ｘｓｃａｌｅ的独特功能也有必要加以说明。下面分别对这５部分的实现进行叙述。４．１　　ＧＤＢ交互数据包交互过程必须遵守ＧＤＢ远程串行协议（　　　　ＲＳＰ）进行数据包处理［４］，数据包格式为：￥ｐａｃｋｅｔ　ｄａｔａ＃ｃｈｅｃｋｓｕｍａ￥为数据包的头标识，ｐａｃｋｅｔ　ｄａｔａ为数据包内容，＃是数据包结束标识，ｃｈｅｃｋ－ｓｕｍ表示整个数据包的检验码，用来保证数据的正确传送。在」　　　　ＴＡＧＥＲ运行过程中，其主控循环不断地接收ＲＳＰ数据包、解析、并将处理结果封装成应答ＲＳＰ数据包，交给ＧＤＢ　ｏ以读内存为例：ＧＤＢ发往Ｊ　　　　ＴＡＧＥＲ的数据包：￥ｍｃ００１８００４，４＃８ｄＪ　　　　ＴＡＧＥＲ应答ＧＤＢ的数据包：￥ＯＯｄ８２ｄｅ９＃３０４．２　　ＲＸ，　ＴＸ寄存器读写操作ＲＸ写入函数（　　　　……）Ｔｘ读出函数仁．　　　　〕｛　　　　　　｛　　　　　　ｗｈｉ　　　　ｌｅ（ＲＲ！＝０）；ｗｈｉ　　　　ｌｅ（ＲＲ！＝１）；将ＤＢＧＲＸ指令写入Ｊ　　　　ＴＡＧ将ＤＢＧＴＸ指令写入Ｊ　　　　ＴＡＧ的ＩＲ中；的ＩＲ中；设置ｄｂｇ．　　　　ｄ＝０－，　ｄｂｇ．　ｌｆｕｓｈ＝０，设置ｄ　　　　ｂｇ．ｄ，　ｄｂｇ．ｖ和ｄｂｇ．ｌｆｕｓｈｄｂｇ．ｖ＝卜为０；通过ＤＢＧ．　　　　　ＲＸ将数据写入通过ＤＢＧ．　　　　　ＴＸ将数据读出ＲＸ，　ＲＲ自动设为１；ＴＸ，　ＲＲ自动设为０；｝　　　　　　｝　　　　　　图２　　ＲＸ．ＴＸ寄存器读写函数ＲＸ，　　　　　ＴＸ是ＪＴＡＧＥＲ与ＨＡＮＤＬＥＲ的数据交换通道，对它们的读写操作要按照调试协议规定的握手过程进行。其实现伪码如图２所示。４．３　　ＪＴＡＧＥＲ主控流程Ｊ　　　　ＴＡＧＥＲ在主机上与ＧＤＢ并行运行，它使用Ｕｎｉｘ的ｉｏ多路转换机制监听指定的ｔｃｐ调试端口与ＧＤＢ进行通信。其主体控制流程伪码如图３所示。ＪＴＡＧＥＲ主控程序Ｃ二Ｊ｛初始化目标板的ＪＴＡＧ接口：往目标板的ＭｉｎｉｌＣ载入ＨＡＮＤＬＥＲ；打开ＧＤＢ远程ｔｃｐ端口，接收ｇｄｂ远程调试协议报数据；ｗｈｉｌｅ（ｌ）监视ｔｃｐ调试端口和用户标准输入；ｉｆ（有数据包），解析后进入相应调试命令处理函数；ｅｌｓｅ轮询目标机的传输寄存器ＴＸ；｝　　　　收到退出命令作结束程序的处理，进行ｔ　　　　ｃｐ连接的中断和内存的回收；｝　　　　图３　　ＪＴＡＧＥＲ主控程序４．４　　ＨＡＮＤＬＥＲ载入ＨＡＮＤＬＥＲ由Ｊ　　　　ＴＡＧＥＲ通过ＪＴＡＧ接口，采用Ｘｓｃａｌｅ特有的ＬＤＩＣ指令载入到目标机微型指令缓存中，在锁定指令缓存后不被目标系统感知。其载入步骤遵守Ｘｓｃａｌｅ芯片手册相关规定，伪码如图４所示。载入ＨＡＮＤＬＥＲ函数（　　　　…〕｛　　　　发送ＲＥＳＥＴ和ＴＲＳＴ信号，并等待３６个Ｊ　　　　ＴＡＧ时钟周期；发出ＳＥＬＤＣＳＲ指令，写入ＤＣＳＲ寄存器，设置目标芯片为Ｈａｌ　　　　ｔＭｏｄｅ；　　　　等待２０３０个ＪＴＡＧ时钟周期；发出ＬＤＩ　　　　Ｃ指令，写入ＪＴＡＧ的ＩＲ中：打开ＨＡＮＤＬＥＲ文件，　　　　循环将它写入目标芯片的ＲＸ寄存器；等待１５个Ｊ　　　　ＴＡＧ时钟周期，清除Ｈａｌｔ　Ｍｏｄｅ；目标芯片从地址０开始执行ＨＡＮＤＬＥＲ；　　　　｝　　　　图４往ＭｉｎｉＩＣ载入ＨＡＮＤＬＥＲ４．５调试命令处理函数调试命令的处理分两个过程：首先按照调试协议的规定　　　　将相应数据包发送至目标芯片的ＲＸ寄存器；然后等待从ＴＸ寄存器返还的处理结果，此结果由ＨＡＮＤＬＥＲ对目标芯片做相应处理后得到。以读内存为例，程序伪码如图５所示。目标机调试代理ＨＡＮＤＬＥＲ按照调试协议和Ｊ　　　　ＴＡＧＥＲ进读内存处理函数Ｃ〕　　　　｛　　　　设置接受数据缓冲区：　　　　　　　　向ＲＸ寄存器依次写入，ｐＩ，开始地址和长度；发出ＤＢＧＴＸ指令，选中ＤＢＧＴＸ数据寄存器，设置目标　　　　芯片为Ｈａｌｔ　Ｍｏｄｅ；从ＴＸ寄存器依次读入从开始地址起始的指定长度的　　　　内存内容；封装传送到ＧＤＢ的数据包，并发送至指定的ｔ　　　　ｃｐ端口：｝　　　　图５读内存命令处理函数行调试命令与调试信息的交互，当调试事件发生时作为一个事件处理器，对目标芯片进行控制。需要注意的是，由于微型指令缓存大小的限制（２Ｋ），　ＨＡＮＤＬＥＲ代码量要尽量的精简，因此使用ａｒｍ汇编编写，其程序流程伪码如图６所示。ＨＡＮＤＬＥＲ程序流程（二）｛初始化ＨＡＮＤＬＥＲ，使目标机处于就绪状态（Ｈａｌｔ　Ｍｏｄｅ）　；向ＪＴＡＧＥＲ发送目标机就绪的信号；ｗｈｉｌｅ（１）｛等待ＪＴＡＧＥＲ发送相应调试指令；／／通过ｍｒｃ实现对ＲＸ的读出若接收到调试指令，进入相应的调试处理子程序；向ＪＴＡＧＥＲ发送调试结果；／通过ｍｃｒ实现对ＴＸ的写入｝ｌ图６　　ＨＡＮＤＬＥＲ程序流程注：ＨＡＮＤＬＥＲ对ＴＸ及ＲＸ的读写需要遵循调试协议进　　　　行握手同步。６结论　　　　目前嵌入式交叉调试主要采取的是硬件调试器与调试程序相结合的调试方法，但硬件调试器的价格比较高，增加了系统开发成本。本文给出了一种特定的嵌入式交叉调试软件系统的设计及实现，并在工作使用中取得了满意的结果。参考文献：［１］ＩＥＥＥ　１１４９．　ＩＥＥＥ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｔｅｓｔ　ａｃｃｅｓｓ　ｐｏｒｔ　ａｎｄ　ｂｏｕｎｄａｒｙ－ｓｃａｎａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ［Ｓ］．　２００１．９－３０．［２］Ｉｎｔｅｌ．　　Ｉｎｔｅｌ．　Ｘｓｃａｌｅ＇　ｍｉｃｒｏａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＰＸＡ２５０　ａｎｄＰＸＡ２１０　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ　ｕｓｅｒ＇ｓ　ｍａｎｕａｌ［Ｓ］．　Ｉｎｔｅｌ　Ｃｏｒｐｏ－ｒａｔｉｏｎ，　２００２．１０９－１５４，１２０－１２４．［３］毛德操，胡希明．嵌入式系统—采用公开源代码和Ｓｔｒｏｎｇ－ＡＲＭ／Ｘｓｃａｌｅ处理器［Ｍ］．浙江：浙江大学出版社，２００３．６５７．［４］Ｆｒｅｅ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｉｎｃ．　Ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｇｄｂ　ｆｉｔｆｈ　ｅｄｉｔｉｏｎＩ　Ｓ１．　１９９８．１２６－１４４．一２８１９一５目标机调试代理ＨＡＮＤＬＥＲ