- 相關(guān)推薦
32位ARM嵌入式處理器的調(diào)試技術(shù)
摘要：針對32位ARM處理器開發(fā)過程中調(diào)試技術(shù)的研究，分析了目前比較流行的基于JTAG的實時調(diào)試技術(shù)，介紹了正在發(fā)展的嵌入式調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)，并展望期趨勢。隨著對高處理能力、實時多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)通信、超低功耗需求的增長，傳統(tǒng)8位機已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了新產(chǎn)品的要求，高端嵌入式處理器已經(jīng)進入了國內(nèi)開發(fā)人員的視野，并在國內(nèi)得到了普遍的重視和應(yīng)用。ARM內(nèi)核系列處理器是由英國ARM公司開發(fā)授權(quán)給其他芯片生產(chǎn)商進行生產(chǎn)的系統(tǒng)級芯片。目前在嵌入式32位處理器市場中已經(jīng)達(dá)到70%的份額。筆者在對三星公司的ARM7芯片技術(shù)調(diào)試的過程中，對這些高端嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試技術(shù)進行了總結(jié)。
傳統(tǒng)的調(diào)試工具及方法存在過分依賴芯片引腳、不能在處理器高速運行下正常工作、占用系統(tǒng)資源且不能實時跟蹤和硬件斷點、價格過于昂貴等弊端。目前嵌入式高端處理器的使用漸趨普及。這些處理器常常運行在100MHz，并且一些內(nèi)部控制以及內(nèi)部存儲器的總線信號并不體現(xiàn)在外部引腳上。這種片上系統(tǒng)（System on Chip）、深度嵌入、軟件復(fù)雜的發(fā)展趨勢給傳統(tǒng)的調(diào)試工具帶來了極大的挑戰(zhàn)，也給嵌入式處理器開發(fā)工程師的工作帶來了不便，這就需要更先進的調(diào)試技術(shù)和工具進行配套。本文將詳細(xì)介紹在ARM處理器中采用的幾種片上調(diào)試技術(shù)（on-chip debugger）。這些片上調(diào)試技術(shù)通過在芯片的硬件邏輯中加入調(diào)試模塊，從而能夠降低成本，實現(xiàn)傳統(tǒng)的在線仿真器和邏輯分析儀器的功能，并在一定的條件下實現(xiàn)實時跟蹤和分析，進行軟件代碼的優(yōu)化。
1 邊界掃描技術(shù)（JTAG）
邊界掃描技術(shù)是為了滿足當(dāng)今深度嵌入式系統(tǒng)調(diào)試的需要而被IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)所采納，全稱是標(biāo)準(zhǔn)測試訪問接口與邊界掃描結(jié)構(gòu)（Standard Test Access Portand Boundary Scan Architecture）。JTAG遵循1149.1標(biāo)準(zhǔn)，是面向用戶的測試接口，是ARM處理器調(diào)試的基礎(chǔ)。本文提到的ARM的E-TRACE調(diào)試模式實際上是JTAG的增強版本，其它一些32位嵌入式處理器的調(diào)試方式也基本上遵循這個標(biāo)準(zhǔn)。這個用戶接口一般由4個引腳組成：測試數(shù)據(jù)輸入（TDI）、測試數(shù)據(jù)輸出（TDO）、測試時鐘（TCK）、測試模式選擇引腳（TMS），有的還加了一個異步測試復(fù)位引腳（TRST）。其體系結(jié)構(gòu)如圖1。
所謂邊界掃描就是將芯片內(nèi)部內(nèi)科所有的引腳通過邊界掃描單元（BSC）串接起來，從JTAG的TDI引入，TDO引出。芯片內(nèi)的邊界掃描鏈由許多的BSC組成，通過這些掃描單元，可以實現(xiàn)許多在線仿真器的功能。根據(jù)1149.1的規(guī)定，芯片內(nèi)的片上調(diào)試邏輯通常包括一個測試訪問接口控制器（TAP）。它是一個16狀態(tài)的有限狀態(tài)機以及測試指令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、旁路寄存器和芯片標(biāo)識寄存器等。在正常模式下，這些測試單元（BSC）是不可見的。一旦進入調(diào)試狀態(tài)，調(diào)試指令和數(shù)據(jù)從TDI進入，沿著測試鏈通過測試單元送到芯片的各個引腳和測試寄存器中，通過不同的測試指令來完成不同的測試功能。包括用于測試外部電氣連接和外圍芯片功能的外部模式以及用于芯片內(nèi)部功能測試（對芯片生產(chǎn)商）的內(nèi)部模式，還可以訪問和修改CPU寄存器和存儲器，設(shè)置軟件斷點，單步執(zhí)行，下載程序等。其優(yōu)點如下：
·可以通過邊界掃描操作測試整個板的電氣連接，特點為表面貼元件提供方便；
·各個引腳信號的采樣，并可強制引腳輸出用以測試外圍芯片；
·可以軟件下載、執(zhí)行、調(diào)試和控制，為復(fù)雜的實時跟蹤調(diào)試提供路徑；
·可以進行多內(nèi)核和多處理器的板級和芯片級的調(diào)試，通過串接（如圖2），為芯片制造商提供芯片生產(chǎn)、測試的途徑。
雖然JTAG調(diào)試不占用系統(tǒng)資源，能夠調(diào)試沒有外部總線的芯片，代價也非常�。坏怯捎贘TAG是通過串口依次傳遞數(shù)據(jù)，速度比較慢，只能進行軟件斷點級別的調(diào)試，自身還不能完成實時跟蹤和多種事件觸發(fā)等復(fù)雜調(diào)試功能。因此便有了幾種功能更為完善的增強版本。
2 ARM芯片的實時調(diào)試方案（E-TRACE）
ARM公司的內(nèi)核芯片采用E-TRACE片上調(diào)試模式。它實際上是JTAG的升級版本，通過增強的輔助片上調(diào)試硬件來完成實時調(diào)試，解決了許多傳統(tǒng)調(diào)試器難以解決的問題。
圖2 對多內(nèi)核和多處理器的調(diào)試
它的實時調(diào)試方案通過三種途徑解決：
·EmbeddedICE硬邏輯；
·實時監(jiān)控；
·實時跟蹤。
EmbeddedICE邏輯單元存在于ARM7TDMI、ARM9TDMI、ARM9E和ARM10內(nèi)核中。它枯JTAG口的基礎(chǔ)上，增加了硬件斷點寄存器、比較器，通過斷點寄存器的值可以進行硬件斷點的設(shè)置，不僅對地址還可以對數(shù)據(jù)、控制總線的信號進行復(fù)雜的觸發(fā)控制設(shè)定，而不是單單在指令級別進行中斷（如軟中斷），從而滿足對特定事件的中斷響應(yīng)，極大的增加了靈活性，同時可以在ROM中設(shè)置斷點和觀察點，極大地方便調(diào)試。其示意如圖3。
實時監(jiān)控則是進一步在ARM9E和ARM10中的改進。它改變EmbeddedICE在觸發(fā)中斷后時入調(diào)試模式狀態(tài)而停止內(nèi)核運行的弊端，進入一段非常小的中斷監(jiān)控程序中，得到所需要的信息后迅速把控制權(quán)轉(zhuǎn)讓給先前的任務(wù)（這是與遠(yuǎn)程監(jiān)控器最大的區(qū)別）。在監(jiān)控程序內(nèi)處理器完全可以再接收外界的中斷和其他觸事件，而不是停止運行。這種方式綜合了JTAG和遠(yuǎn)程調(diào)試的優(yōu)點，它可以增加以下兩個好處：
·在不禁止中斷的前提下調(diào)試前景任務(wù)（即中斷時正在運行的任務(wù)）；
·不用停止處理器的運行就可以讀寫和修改存儲器（對于機電設(shè)備非常重要）。
更為強大的是ARM的實時跟蹤解決方案，它由三部分組成：
·嵌入跟蹤微核；
·跟蹤分析儀；
·跟蹤調(diào)試軟件。
【32位ARM嵌入式處理器的調(diào)試技術(shù)】相關(guān)文章：
ARM Linux啟動過程分析06-17
嵌入式實時網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)淺析論文（精選7篇）07-26
淺議城軌交通動車綜合調(diào)試06-05
一個嵌入式系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型與CPLD實現(xiàn)05-29
基于Gene8310的嵌入式家庭服務(wù)機器人05-11
嵌入式系統(tǒng)以太網(wǎng)卡控制器LAN91C9605-30
網(wǎng)絡(luò)直播技術(shù)前沿技術(shù)探析05-08
籃球投籃技術(shù)11-30
通信技術(shù)論文11-21