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基于USB的ARM仿真器的研究與設計
來源:微型機與應用2010年第9期
郭 華,陳新華
(山東科技大學,山東 青島 266510)
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為主控制器的設計方案,并給出了硬件電路設計。利用本仿真器通過第三方軟件可以實現(xiàn)目標機的調(diào)試和在線編程。硬件電路設計簡單,是取代并口方式仿真器的一種經(jīng)濟可行的方案。
Abstract:
Key words :

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為主控制器的設計方案,并給出了硬件電路設計。利用本仿真器通過第三方軟件可以實現(xiàn)目標機的調(diào)試和在線編程。硬件電路設計簡單,是取代并口方式仿真器的一種經(jīng)濟可行的方案。
關鍵詞: 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設計采用了片上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,實現(xiàn)了完全非插入式調(diào)試,不使用片上資源,不需要目標存儲器,不占用目標系統(tǒng)的任何端口。由于JTAG調(diào)試的目標程序是在目標板上執(zhí)行,使得仿真更加接近于目標硬件[1]。
    目前針對嵌入式系統(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)試工具價格過高,因此設計實現(xiàn)一種速度快、性能穩(wěn)定、價格低廉、易于實現(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)構如圖1所示。調(diào)試系統(tǒng)包括調(diào)試主機、仿真器和調(diào)試目標。

    調(diào)試主機是一臺運行調(diào)試軟件(例如ADS)的計算機。調(diào)試主機可以發(fā)出高層的調(diào)試命令,例如設置斷點、訪問內(nèi)存等[2]。
    仿真器用來將調(diào)試主機發(fā)出的高層調(diào)試命令轉(zhuǎn)換為底層的ARM JTAG調(diào)試命令。因為目標機無法識別調(diào)試主機發(fā)送來的高級命令,因此就需要仿真器將調(diào)試主機發(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]。在整個調(diào)試系統(tǒng)中起到重要的作用,其性能也決定了整個調(diào)試系統(tǒng)性能。
2 方案設計
    本文提出了一種采用PHILIPS公司的ARM7芯片LPC2148設計,具有USB2.0通信方式、高速穩(wěn)定的ARM仿真器實現(xiàn)方案,如圖2所示。


    守護進程接收從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格式的信號并發(fā)送到I/O口,從而控制調(diào)試目標執(zhí)行特定的操作,達到調(diào)試的目的。同理,從調(diào)試目標返回的數(shù)據(jù),先經(jīng)過ARM仿真器的譯碼,再經(jīng)過守護進程返回到IDE開發(fā)環(huán)境,從而形成一個完整的調(diào)試系統(tǒng)。
3 硬件電路設計
    本設計的最大特點是采用了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的設備控制器,支持32個物理(16個邏輯)端點;支持控制、批量、中斷和同步端點;所有端點都有一個雙向的DMA通道。因為芯片內(nèi)部集成了USB控制器,大大降低了電路板的設計難度和開發(fā)成本。其硬件電路框圖如圖3所示。

    (1)本機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20引腳的標準JTAG插口。本設計中使用引腳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功能復用,以便于將來的硬件升級。為了增強帶負載能力,使用一片74HC244芯片,同時為了盡量兼容大部分ARM開發(fā)板上的不同JTAG插口,本設計提供了一個20引腳的JTAG插口和一個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設備與主機之間的連接,本接口電路使用P0.31(只能使用該引腳)來實現(xiàn)SoftConnect特性。當P0.31輸出低電平時,D+線通過電阻上拉到VDD3.3,通知USB主機:USB設備與其建立連接;當P0.31輸出高電平時,D+線斷開與VDD3.3的連接,通知USB主機:USB設備已經(jīng)斷開與USB主機的連接。

    Q1選用的是P溝道MOS管,而不選用普通的PNP三極管,因為MOS管是電壓驅(qū)動型,驅(qū)動電流幾乎為0;而普通的PNP三極管是電流驅(qū)動,需要一定的驅(qū)動電流。導通時,P0.31_P17有可能被拉低,LPC2148要求該引腳在復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 仿真器固件程序設計
    仿真器LPC2148芯片中的固件程序?qū)崿F(xiàn)的功能包括:通過USB與上位機軟件進行通信,并將上位機發(fā)送過來的、經(jīng)過封裝的USB數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為JTAG信號,并最終送到相應的引腳或者將相應引腳的數(shù)據(jù)經(jīng)過封裝后,通過USB傳送到PC機中。圖5為應用程序的流程圖。

    主函數(shù)首先將作為JTAG接口使用的5個引腳設置成相應屬性,并完成USB設備初始化,配置中斷向量、開中斷,然后進入無限循環(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總線復位等。然后判斷標志位是否收到數(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)按照上位機程序?qū)?shù)據(jù)封裝方式進行解析,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的處理函數(shù)。在這個過程中如果上位機要讀取調(diào)試目標數(shù)據(jù),可將相應的值按同樣格式進行封裝,然后通過USB發(fā)送到上位機。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       //設置端口方向為輸入或輸出
    #define PORT_SET     0x02              //將JTAG端口的引腳都設為高電平
    #define PORT_GET         0x03         //讀JTAG端口的引腳數(shù)據(jù)
    #define PORT_SETBIT  0x04          //設置JTAG端口的某一位為1,由DATA[0]中數(shù)據(jù)決定設置的具體位數(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信號命令
    #define READ_TDO     0x07               //讀TDO信號命令
    #define WRITE_AND_READ     0x08    //讀寫指令,對TDI寫一位,對TDO一位
    #define WRITE_TMS         0x09          //寫TMS信號命令
    #define WRITE_TMS_CHAIN 0x0A      //寫TMS掃描鏈命令
    本仿真器經(jīng)實際測試下載速度穩(wěn)定在30 KB/s左右,具有單步、全速、設置斷點(兩個硬斷點和無數(shù)軟斷點)等功能。本文提出了一種具有硬件電路設計簡單、價格低廉、調(diào)試速度快的ARM仿真器設計方案,是取代傳統(tǒng)并口方式ARM仿真器的一種確實可行的方案。
參考文獻
[1] 田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004.
[2] 鄧春梅.嵌入式系統(tǒng)軟件仿真技術的研究與實現(xiàn)[D].成都:電子科技大學,2004.
[3] 楊晶箐.USB接口的邊界掃描測試控制器的設計與實現(xiàn)[D].成都:成都電子科技大學,2006.
[4] 周立功,張華.深入淺出ARM7-LPC213x/214x[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

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