JTAG作為一個通用的標(biāo)準(zhǔn)器件功能測試接口，具有靈活高效、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，是微控制器、微處理器、DSP、SoC等器件的重要外部接口。它不但可以用來測試內(nèi)部功能模塊狀態(tài)，而且可以實現(xiàn)在線調(diào)試(ICE)功能。ARM系列處理器正是通過JTAG接口使用內(nèi)部集成的ICE功能，并采用這種方式實現(xiàn)在線調(diào)試。此外CPLD、FPGA等器件大多都可以使用JTAG接口實現(xiàn)在線編程或下載。因此，JTAG接口已經(jīng)成為復(fù)雜芯片系統(tǒng)的必備接口，在芯片測試、調(diào)試及實現(xiàn)其他特殊功能方面發(fā)揮著重要作用。
1 基本原理
　　JTAG標(biāo)準(zhǔn)即IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)^[1]。聯(lián)合測試行動組JTAG(Joint Test Action Group)起草了邊界掃描" title="邊界掃描">邊界掃描測試BST(Boundary Scan Testing)規(guī)范, 該標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)字集成電路規(guī)定了一個測試訪問口（TAP）和邊界掃描結(jié)構(gòu)，解決了由于數(shù)字電路高度集成化帶來的一些測試難題。它還提供了一種訪問和控制芯片內(nèi)部仿真（ICE）模塊的方法，ICE模塊一般包括內(nèi)部掃描和自測試的功能，可以很好地支持集成電路的開發(fā)。
1.1 JTAG標(biāo)準(zhǔn)工作原理
　　邊界掃描技術(shù)的基本思想是在靠近芯片的輸入輸出管腳增加一個移位寄存器單元。通過這些邊界掃描寄存器單元，可以實現(xiàn)對芯片輸入輸出信號的觀察和控制。另外，靠近芯片輸入輸出管腳的邊界掃描（移位）寄存器單元可以相互連接起來，在芯片的周圍形成一個邊界掃描鏈（Boundary-Scan Chain）。一般的芯片都會提供幾條獨立的邊界掃描鏈，用來實現(xiàn)完整的測試功能。
　　在JTAG標(biāo)準(zhǔn)中，寄存器被分為兩大類：數(shù)據(jù)寄存器(DR－Data Register)和指令寄存器(IR－Instruction Register)，邊界掃描鏈寄存器即為一種很重要的數(shù)據(jù)寄存器，邊界掃描鏈可用來觀察和控制芯片的輸入輸出。指令寄存器用來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)寄存器的控制。TAP是一個通用的端口，通過TAP可以訪問芯片提供的所有數(shù)據(jù)寄存器和指令寄存器，對整個TAP的控制是通過TAP控制器完成的。TAP包括5個信號接口：(1)TCK(Test Clock)，為TAP操作提供了一個獨立的基本的時鐘信號。(2)TMS(TestMode Selector)，用來控制TAP狀態(tài)機的轉(zhuǎn)換。(3)TDI(TestData Input)，是JTAG指令和數(shù)據(jù)的串行輸入端。在TCK的上升沿被采樣，結(jié)果送到JTAG寄存器中。(4)TDO(Test Data Output)，是JTAG指令和數(shù)據(jù)的串行輸出端。在TCK的下降沿被輸出到TDO。(5)TRST，是JTAG電路的復(fù)位輸入信號，低電平有效。
　　通過TAP控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移即可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)寄存器和指令寄存器的訪問，從而實現(xiàn)對JTAG測試電路的控制。TAP控制器共有16種狀態(tài)，如圖1所示。通過測試模式選擇TMS和時鐘TCK可控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。

　　指令寄存器允許特定的指令被裝載到指令寄存器當(dāng)中，用來選擇需要執(zhí)行的測試，或者選擇需要訪問的測試數(shù)據(jù)寄存器。每個支持JTAG調(diào)試的芯片必須包含一個指令寄存器。JTAG標(biāo)準(zhǔn)要求芯片支持的基本指令有：EXTEST、INTEST、SAMPLE/PRELOAD、BYPASS、HIGHZ等。
1.2 ARM7TDMI調(diào)試原理
　　從功能上看，ARM7TDMI處理器主要包括三大部分：
　　(1)ARM CPU Main Processor Logic，包括了對調(diào)試的硬件支持；(2)嵌入式ICE-RT Logic，包括了一組寄存器和比較器，用來產(chǎn)生調(diào)試異常、設(shè)置斷點和觀察點；(3)TAP 控制器，它通過JTAG接口控制和操作掃描鏈。
　　ARM7TDMI提供了4條掃描鏈，分別是掃描鏈0、1、2和3。通過掃描鏈0可以訪問ARM7TDMI內(nèi)核的外圍電路，包括數(shù)據(jù)總線。該掃描鏈長度為113位，具體包括數(shù)據(jù)總線的0~31位、內(nèi)核控制信號、地址總線的0~31位、嵌入式ICE-RT的控制信號等。掃描鏈1是掃描鏈0的子集，長度為33位，具體包括數(shù)據(jù)總線的0~31位和BREAKPT信號，掃描鏈1比掃描鏈0的長度短了很多，通過掃描鏈1可以更快地將指令或數(shù)據(jù)插入到ARM7TDMI的內(nèi)部。掃描鏈2長度為38位，該掃描鏈專門用來訪問嵌入式ICE-RT內(nèi)部的寄存器，通過訪問嵌入式ICE-RT的內(nèi)部寄存器，可以讓ARM7TDMI進入調(diào)試狀態(tài)、設(shè)置斷點、設(shè)置觀察點。通過掃描鏈3，ARM7TDMI可以訪問外部的邊界掃描鏈，該掃描鏈用得很少。
　　ARM7TDMI的調(diào)試狀態(tài)和正常運行狀態(tài)是有區(qū)別的。在正常運行狀態(tài)下，ARM7TDMI由MCLK（Memory Clock）驅(qū)動，正常運行。在調(diào)試狀態(tài)下，ARM7TDMI的正常運行被打斷，并且和系統(tǒng)的其他部分隔離開來。可以通過掃描鏈插入特定的ARM/THUMB指令來讀寫ARM7TDMI的內(nèi)部寄存器和修改內(nèi)存的內(nèi)容。在完成需要的操作后，可以用RESTART JTAG指令讓ARM7TDMI返回到正常運行狀態(tài)，恢復(fù)原來的運行。
2 JTAG調(diào)試器的嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)
　　JTAG調(diào)試器硬件是以基于ARM7芯片的嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)的。該系統(tǒng)以帶以太網(wǎng)接口的ARM芯片S3C4510B為核心處理器，以μClinux為嵌入式操作系統(tǒng)。JTAG調(diào)試器軟件主要包括兩部分：JTAG調(diào)試器與目標(biāo)機的接口模塊和與調(diào)試主機的接口模塊。具體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計
　　設(shè)計并制作標(biāo)準(zhǔn)的S3C4510B應(yīng)用系統(tǒng)^[2]，主要配置為2MBFLASH、16MBSDRAM、10/100Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)口、終端接口、并行I/O" title="I/O">I/O接口等。利用S3C4510B的通用I/O口中的P^[4]、P^[5]、P^[6]、P^[8]分別模擬JTAG標(biāo)準(zhǔn)中TAP的4個信號接口，即TCK、TMS、TDI、TDO。
　　從軟件上看，需要將μClinux操作系統(tǒng)移植到設(shè)計制作的基于S3C4510B的JTAG調(diào)試器硬件平臺上，以便開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試器軟件。μCLinux是為沒有內(nèi)存管理單元(MMU)的處理器設(shè)計的一種嵌入式操作系統(tǒng)，它繼承了桌面Linux的強大網(wǎng)絡(luò)功能，其內(nèi)核采用模塊化的組織結(jié)構(gòu)，通過增減內(nèi)核模塊的方式來增減系統(tǒng)的功能。
　　通常，在PC機上通過并口模擬JTAG時序^[3]，也可以按照標(biāo)準(zhǔn)仿真器設(shè)計JTAG調(diào)試器^[4]。與上述方案不同，本設(shè)計采用開放源代碼軟件設(shè)計JTAG調(diào)試器應(yīng)用軟件，主要參考了Open-JTAG小組開發(fā)的通過PC機并口實現(xiàn)JTAG操作的軟件jtager-1.0.0，將其中對PC機并口的操作改為對S3C4510B口線的操作，通過設(shè)置S3C4510B的通用I/O口模式寄存器IOPMOD的值可將P^[4]、P^[5]、P^[6]設(shè)置為輸出模式，將P^[8]設(shè)置為輸入模式，然后通過編程設(shè)置I/O口數(shù)據(jù)寄存器IOPDATA的值，控制P^[4]、P^[5]、P^[6]、P^[8]的狀態(tài)實現(xiàn)JTAG標(biāo)準(zhǔn)要求的時序。隨后，根據(jù)ARM7TDMI調(diào)試特性，修改操作代碼，增加通過網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程調(diào)試功能" title="調(diào)試功能">調(diào)試功能。
2.2 ARM7TDMI的JTAG指令實現(xiàn)
　　ARM7TDMI的指令寄存器長度是4位，通過TAP和JTAG接口，可以把指令裝載到指令寄存器中。在CAPTURE-IR狀態(tài)下，固定值B0001總是被裝載到指令寄存器中。在SHIFT-IR狀態(tài)下，可以把ARM7TDMI支持的新指令從TDI串行輸入，同時固定值B0001會從TDO串行輸出。通過輸出的這個固定值，可以判斷當(dāng)前的操作是否正確。在UPDATE-IR狀態(tài)下，新輸入的指令被裝載到指令寄存器中。在回到RUN-TEST/IDLE狀態(tài)后，新指令立即生效。
　　IDCODE和SCAN_N是 ARM7TDMI調(diào)試中經(jīng)常用到的JTAG命令。IDCODE命令的二進制代碼是1110。IDCODE命令將Device Identification Code寄存器連接到TDI和TDO之間。Device Identification Code寄存器的長度是32位，通過TAP可以讀到ARM7TDMI的ID。SCAN_N命令的二進制代碼是0010。ARM7TDMI提供了4條掃描鏈，通過SCAN_N指令可以選擇需要訪問的掃描鏈。選擇掃描鏈的過程是：先把SCAN_N指令裝載到指令寄存器中，該指令會將長度為4位的掃描鏈選擇寄存器連接到TDI和TDO之間；通過TAP狀態(tài)的轉(zhuǎn)移便可使選擇的掃描鏈連接到TDI和TDO之間。
　　另外BYPASS、INTEST、RESTART 等JTAG指令的實現(xiàn)方法與上面兩條指令的實現(xiàn)方法類似。
2.3 嵌入式ICE-RT邏輯實現(xiàn)
　　嵌入式ICE-RT是ARM處理器內(nèi)部集成的在線仿真功能模塊，通過JTAG調(diào)試接口與外界交互，其中包含的常用寄存器如表1所示。

　　要訪問嵌入式ICE-RT內(nèi)部的寄存器，可通過掃描鏈2對Debug Control Register進行訪問。實現(xiàn)過程：通過TAP將SCAN_N指令寫入JTAG指令寄存器中，通過TDI將數(shù)值2寫到掃描鏈選擇寄存器中，即選擇了掃描鏈2，在通過掃描鏈2訪問任何嵌入式ICE-RT內(nèi)部寄存器之前，還需要用INTEST 指令將當(dāng)前通過SCAN_N指令選擇的掃描鏈置為內(nèi)部測試狀態(tài)。寫入INTEST指令的過程和寫入SCAN_N指令的過程類似。接下來就可以通過掃描鏈2訪問嵌入式ICE-RT內(nèi)部寄存器，實現(xiàn)對ARM7TDMI的基本調(diào)試功能。
2.4 ARM7TDMI寄存器和內(nèi)存訪問的實現(xiàn)
　　邊界掃描鏈分布在ARM7TDMI的32位數(shù)據(jù)總線的周圍，ARM7TDMI每次取指令或者進行數(shù)據(jù)存儲時都要通過32位數(shù)據(jù)總線進行。這樣，通過邊界掃描鏈1，就可以插入新指令或者新數(shù)據(jù)，同時也可以捕獲出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。通過這種方式，可以檢查和修改ARM7TDMI的通用寄存器和系統(tǒng)內(nèi)存。
　　以讀取寄存器R0的值為例，介紹邊界掃描鏈1的操作過程，如圖3所示。

　　讀取寄存器R0的值可以用指令STR R0，[R0]（機器碼為0xE5800000）來實現(xiàn)。該指令可將寄存器R0的值存儲到內(nèi)存單元R0中去。因為在ARM7TDMI處于調(diào)試狀態(tài)時，ARM7TDMI和外部是隔離開的，所以該指令實際上不能訪問內(nèi)存單元，也不會對內(nèi)存單元產(chǎn)生任何影響。使用指令STR R0，[R0]可使得寄存器R0的值出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，這樣就可以通過掃描鏈1將其捕獲，然后從TDO輸出。指令STR R0，[R0]的執(zhí)行需要兩個指令執(zhí)行周期。在第一個指令執(zhí)行周期，執(zhí)行地址計算；在第二個指令執(zhí)行周期，將寄存器R0的值放到數(shù)據(jù)總線上去。對ARM寄存器寫操作及訪問內(nèi)存的方法與此類似，都是通過掃描鏈1，只是所使用的指令不同而已。
2.5 網(wǎng)絡(luò)編程
　　通過網(wǎng)絡(luò)編程，可以對目標(biāo)系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)試。圖4是PC與仿真器的網(wǎng)絡(luò)通信流程圖。網(wǎng)絡(luò)通信通過μClinux下的socket編程實現(xiàn)，首先PC(調(diào)試主機)通過網(wǎng)絡(luò)向仿真器發(fā)送命令，仿真器通過統(tǒng)一的程序接口分析調(diào)試命令，并將調(diào)試命令轉(zhuǎn)換成JTAG標(biāo)準(zhǔn)所要求的時序，通過I/O口線發(fā)送到目標(biāo)板；然后目標(biāo)板執(zhí)行命令，并將命令執(zhí)行后得到的調(diào)試信息返回給仿真器，接著仿真器將調(diào)試信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給PC，這樣用戶在PC上便得到了調(diào)試信息。