CN101004707A - 一种嵌入式软件调试装置及其调试实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及嵌入式领域软件调试技术，旨在提供一种嵌入式软件调试装置及其调试实现方法。该装置包括主控芯片和外围电路，主控芯片是摩托罗拉HCS12芯片，外围电路包括电源电路、时钟电路、复位电路、串口电平转换电路和调试接口电路，所述电源电路、时钟电路、复位电路、串口电平转换电路和调试接口电路均连接在主控芯片上；其调试实现方法包括以下步骤：(1)实现串口通信协议；(2)实现包的解析和封装机制；(3)实现基于摩托罗拉HCS12芯片的背景调试模式的通讯协议。本发明的有益效果是：它可以在用户程序运行过程中了解系统存储器及I/O资源的状态；节省资源，给用户程序一个完整的运行环境。
Description
技术领域
本发明涉及嵌入式领域软件调试技术，更具体的说，是涉及基于HCS12芯片的一种嵌入式软件调试装置及其调试实现方法。
背景技术
嵌入式软件的调试是在系统开发中最为耗时的工作。在当前硬件SoC系统的设计趋向成熟、嵌入式软件变得复杂的情况下，用于调试的时间往往占到总体时间的50％以上，调试开发的成本也几乎达到每行代码50美元；因此，一个功能强大使用方便的调试器对于缩短产品上市时间，保证开发产品的质量来说是必不可少的工具。嵌入式软件调试通常有以下几个方案：
(1)模拟器方式：由于嵌入式系统资源所限，嵌入式软件的开发完全在宿主机(Host)上完成。宿主机提供了目标机的一个软件的模拟环境，通过这个模拟器来运行和调试目标机程序。但由于模拟器很难完全精确地仿真目标系统行为.特别是对于一些实时程序，这种方法难以发现和目标平台紧密相关的运行时错误，而且模拟器的开发需要耗费大量的时间。
(2)Stub方式：Stub是在目标操作系统和本地调试器内分别加入某些功能模块.通过二者互通信息来进行调试的方式。本地调试器与被调试程序之间通过指定通信端(如串口、并口、网络等)根据远程调试协议进行通信。Stub调试方式一般都需要目标操作系统的支持，由于嵌入式系统资源有限，通常情况下只运行嵌入式操作系统和功能比较简单的嵌入式软件，而这种调试方法一般需要较多的内存资源，往往难以支持。而且，如果被调试的程序是操作系统，这种方式就无能为力。还有一种stub调试方式，虽然不需要目标操作系统支持，但这种调试方式仅能进行汇编级调试，无法支持高级语言源代码级调试。而且这种方式随系统上电后在ROM中启动，用软件接管目标系统的全部异常处理及部分中断处理。如果调试的目标是操作系统，操作系统也会自己对系统的异常和中断处理进行初始化，这种情况下会产生冲突，使得调试工作无法正常进行。
(3)片上仿真器方式：片上仿真调试是在处理器内部嵌入额外的硬件控制模块，当满足了一定的触发条件时进入某种特殊状态。在该状态下，被调试程序将停止运行，主机的调试器可以通过处理器外部特设的通信接口访问各种资源(寄存器、存储器等)并执行指令。常用的方法是在处理器数据通路上加入串行扫描链，使得数据可以通过JTAG接口移进移出。通过这种方法，可以访问到CPU内部寄存器、外部存储器等资源。但扫描链方式仍然存在一些缺陷：第一.随着CPU结构日趋复杂，流水线级数逐渐加深，每条指令的执行阶段往往会占用几个流水线节拍。当CPU在某条指令完成后进人调试模式时，如果我们要观察下一条指令，就要引入多条数据通路；第二，某些执行状态是处在CPU的内部资源的临界区域，在这些地方插入扫描链会影响CPU性能。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种基于HCS12芯片的嵌入式软件调试装置及其调试实现方法。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的。
一种嵌入式软件调试装置，包括主控芯片和外围电路，主控芯片是摩托罗拉HCS12芯片1，外围电路包括电源电路2、时钟电路4、复位电路3、串口电平转换电路6和调试接口电路5；所述电源电路2、时钟电路4、复位电路3、串口电平转换电路6和调试接口电路5均连接在主控芯片上；
所述的电源电路2用于为主控芯片提供工作电源；
所述的时钟电路4用于为主控芯片提供时钟信号；
所述的复位电路3用于确保主控芯片的正常工作，包括限制主控芯片的行为和在主控芯片出现混乱状态下使其恢复正常工作；
所述的串口电平转换电路6用于为主控芯片进行信号电平的转换；
所述的调试接口电路5用于调试装置和目标机的连接。
一种基于嵌入式软件调试装置的调试实现方法，包括以下步骤：
(1)实现串口通信协议：
串口通信协议用于主机和调试装置双方建立连接，并以包格式传送命令包和数据包，包格式包括包类型、包长度、数据域以及校验位；
(2)实现包的解析和封装机制：
包的解析和封装机制一方面对主机下传的包进行解析，确定包类型和数据，对其进行格式转化重新生成命令下传到目标机；另一方面将目标机上传的数据信息按照串口通信协议包格式封装为数据包上传到主机；
(3)实现基于摩托罗拉HCS12芯片的背景调试模式的通讯协议，即BDM通讯协议：
BDM具备基本的调试功能，包括资源访问及运行控制；BDM通讯协议用于调试装置和目标机之间建立连接，调试装置和目标机的通信引脚使用漏极开路驱动方式，靠上拉电阻维持高电平；主机方以下沿通知目标机方的引脚BKGD端，位通信开始，每一位的传输需要至少16个时钟周期；
主机将调试命令通过串口发送到调试装置，调试装置将该命令转化为BDM指令，并通过引脚BKDG端按照BDM通信协议发送到目标机，从而实现对目标机的调试。
作为一种改进，所述的BDM还包括硬件逻辑和固件的使用，所述的硬件逻辑独立于CPU之外，可以随时接受和执行外部命令；所述的固件是部分BDM指令的解释程序，用于读写CPU的寄存器或控制用户程序的运行。
作为一种改进，所述的BDM指令包括硬件指令和固件指令，所述的硬件指令是在一般模式下可以直接运行的指令，所述的固件指令是通过BDM方式下强制换成$FF00～$FFFF空间的ROM中的程序执行的指令。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)它可以在用户程序运行过程中了解系统存储器及I/O资源的状态；
(2)所有命令和参数均通过一个专用引脚传输，不占用任何其他资源，甚至固件也在用户程序恢复运行时自动隐藏，给用户程序一个完整的运行环境。
附图说明
图1为调试装置硬件总体结构图。
图2为电源电路图。
图3为时钟电路图。
图4为复位电路图。
图5为串口电平转换电路图。
图6为调试接口电路图。
图7为串口协议包格式示意图。
图中：1摩托罗拉HCS12芯片、2电源电路、3复位电路、4时钟电路、5调试接口电路、6串口电平转换电路。
具体实施方式
参考附图，下面将对本发明进行详细描述：
下面对本发明作进一步介绍，本实施例采用了摩托罗拉HCS12芯片1作为主控芯片，其外围电路包括了电源电路2、时钟电路4、复位电路3、串口电平转换电路6以及调试接口电路5，所述电源电路2、时钟电路4、复位电路3、串口电平转换电路6和调试接口电路5均连接在主控芯片上。各个电路功能介绍如下：
(1)电源电路：
摩托罗拉HCS12芯片需要5V和2.5V两种电源。其中5V电源由调试接口电路从目标机获取，如附图6所示。2.5V电源由5V电源通过进一步的稳压得到，所采用的是LP2951电源芯片。LP2951电源芯片具有较大的温度适应范围(-40～125摄氏度)，高精度的电压输出，输出电压的大小由R34和R31的电阻值比值决定，因为输入的是5V电压，输出2.5V，因此两个电阻阻值比为1∶1。
(2)时钟电路：
摩托罗拉HCS12芯片内部集成了完整的节能振荡电路，XTAL和EXTAL分别为振荡器的输入和输出引脚，外接石英晶体即可构成振荡器。如果将XTAL引脚悬空，则内部振荡器停止工作，这时必须通过EXTAL引入CMOS兼容的时钟信号，其频率要求在0～16MHz之间。为了使的摩托罗拉HCS12芯片的程序执行速度达到较高速度，我们采用了16MHz的有源晶振作为芯片的时钟信号，同时将XTAL连接到一个电容相当于悬空以便屏蔽内部时钟。时钟电路如附图3所示。
(3)复位电路：
摩托罗拉HCS12芯片的内部逻辑必须在额定电压和规定的频率范围内才能正常的工作。在上电的过程中，电源电压由0上升到额定值，振荡器逐渐达到额定频率，最初可能处于不稳定状态，假如内部逻辑此时开始工作，可能产生混乱，产生一些非预期性的动作，如果该动作反映到连接了一些重要设备的外部引脚则可能产生严重后果，因此摩托罗拉HCS12芯片设计了复位引脚，在前述的过渡阶段通过在复位引脚设置有效电平，限制芯片的行为，并保持一定时间，确认电源电压及振荡器已经进入稳定状态后，撤销复位信号，芯片进行内部复位过程，将芯片以及内部资源置成默认状态，然后开始运行。此外如果在运行的芯片因为干扰或者错误等原因出现混乱，也可以通过复位使其重新回到正常状态。该芯片的复位电路如附图4所示。在附图4中，SW1按钮按下以后，RESETn置低电平，限制芯片的动作，保持一定的时间以后，按钮释放，RESETn置高电平，芯片进行内部复位过程，将芯片以及内部资源置成默认状态，然后开始运行程序。图中两个电阻用来分压以及限流，D11为5V的稳压二极管使复位信号RESETn保持稳定。
(4)串口电平转换电路：
完成最基本的串行通信功能，实际上只需要RXD、TXD和GND三根连线即可，但由于RS-232-C标准所定义的高、低电平信号与摩托罗拉HCS12芯片的LVTTL(电平式晶体管-晶体管逻辑电路--Low Voltage Transistor-TransistorLogic)电路所定义的高、低电平信号完全不同，LVTTL的标准逻辑“1”对应2V～3.3V电平，标准逻辑“0”对应0V～0.4V电平，而RS-232-C标准采用负逻辑方式，标准逻辑“1”对应-5V～-15V电平，标准逻辑“0”对应+5V～+15V电平，显然，两者间要进行通信必须经过信号电平的转换，目前常使用的电平转换电路为MAX232。MAX232芯片使用单5V电源供电，外部电路简单只需4个10uf的充电泵电容，包含了两个驱动器和两个接收器，能耗低，工作电流低仅为8mA，另外能够承受高达2000V的静电电压。电平转换电路如附图5所示。
(5)调试接口电路：
调试装置通过调试接口电路和目标机进行连接。如附图6所示，接口电路包含了从目标机获得的5V电源和地，一个RESETn信号线以便调试装置能够复位目标机，还有就是BKGD信号线用来在调试装置和目标机之间进行双向通讯。
本发明在上述硬件电路的基础上实现了与主机端的串口通讯协议、包的解析和封装机制以及基于摩托罗拉HCS12芯片的背景调试模式(BDM)通讯协议。
(6)实现串口通讯协议：
串口通讯协议用于主机和调试装置双方建立连接，并以一定的格式传递命令包和数据包。包类型如表1所示：
| 包类型 | 描述 |
| 读寄存器 | 读取指定寄存器内容 |
| 写寄存器 | 写指定内容到指定寄存器 |
| 读内存 | 读指定地址指定长度的内存内容 |
| 写内存 | 写指定内容到指定地址 |
| 设置断点 | 设定程序断点 |
| 单步执行 | 从指定位置开始单步执行目标程序 |
| 开始执行 | 开始/继续执行目标程序 |
| 暂停 | 暂停目标程序 |
| 终止 | 终止目标程序 |
表1串口协议包类型
在附图7中，包格式包括了包类型、包长度、数据域以及校验位，其中数据域在命令包中表示的是命令类型，在数据包表示的是数据。
(7)实现包的解析和封装机制：
包的解析和封装机制具有两方面的作用：一方面对主机下传的包进行解析，确定包类型和数据，将其转化为BDM指令下传到目标机；另一方面将目标机上传的数据信息按照串口协议包格式封装为数据包上传到主机。
(8)实现基于摩托罗拉HCS12芯片的背景调试模式(BDM)的通讯协议：
BDM是摩托罗拉公司的一种系统调试方式。BDM具备基本的调试功能，包括资源访问及运行控制，与指令挂牌及断点逻辑配合，可以实现许多重要的开发功能，例如系统开发、在线检测、现场检测和芯片内程序的固化。BDM包括硬件逻辑和固件，其硬件逻辑独立于CPU之外，MCU上电以后它一直处于工作状态，可以随时接受和执行外部命令，可以管理CPU，甚至可以在CPU运行时直接访问CPU的存储器资源，而CPU毫无察觉。BDM的固件是部分BDM命令的解释程序，它平时处于禁止状态，对用户程序透明，需要时必须事先通过某种方式激活，如果需要读写CPU的寄存器或者准备以某种方式控制用户程序的运行，都需要用到BDM固件。从另一个角度来看，BDM固件相当于一个小监控程序，所谓的BDM激活实际上就是CPU挂起用户程序，将控制权交给这个监控程序。宿主计算机通过单一引脚BKGD即可与BDM逻辑进行双向通讯，实现软硬件的开发调试。
BDM具有两个重要特点：一是它可以在用户程序运行过程中了解系统存储器及I/O资源的状态；二是所有命令和参数均通过一个专用引脚传输，不占用任何其他资源，甚至固件也在用户程序恢复运行时自动隐藏，给用户程序一个完整的运行环境。
BDM包括了BDM指令和BDM通讯协议。BDM指令主要用于资源访问和运行控制；BDM通讯协议则规定了调试器和目标机之间的通信方式。
①BDM指令：
BDM有两类命令，一类是在一般运行模式下都可以直接执行的，被称为硬件指令(Hardware Command)；另一类则是通过BDM方式下强制换成$FF00～$FFFF空间的ROM中的程序执行的，被称为固件指令(FirmwareCommand)。硬件指令允许读或者写目标系统包括片内RAM、EEPROM、I/O和控制寄存器在内的所有内存。硬件指令可以不在BDM模式下而被执行。
②BDM通讯协议：
BDM通讯协议主要用于调试装置和目标机之间建立连接。HCS12系列芯片的BDM通讯协议也称为单线通信协议，BDM通讯协议简单介绍如下：双方通信引脚使用漏极开路驱动方式，或称为“线或”的方式，平时靠上拉电阻维持高电平。主机方以下降沿通知目标机方的BKGD端，位通信开始，每一位的传输需要至少16个E时钟周期。
主机将调试命令通过串口发送到调试装置，调试装置将该命令转化为BDM命令，并通过引脚BKGD端按照BDM通信协议发送到目标机，从而对目标机实现调试。
BDM通讯协议实现具体过程如下：
A、调试装置发送命令首先拉低引脚BKGD端，并使低电平维持时间不短于512个时钟周期，目标机探测到下降沿信号后清命令寄存器，同时等待接收调试装置的BDM指令。
B、对于调试装置写位0到目标机的引脚BKGD端的操作，调试装置拉低目标机的引脚BKGD端不少于12个时钟周期，目标机在探测到低电平以后的第10个周期对引脚BKGD采样，读入这一位的0。
C、对于调试装置写位1到目标机的BKGD端的操作，调试装置拉低目标机的引脚BKGD端2到4个时钟周期后释放引脚BKGD端，使之为高电平，目标机在探测到低电平以后的第10个周期对引脚BKGD采样，读入这一位的1。
D、调试装置读目标机的引脚BKGD端的信息时，调试装置拉低目标机引脚BKGD端2到4个周期后释放引脚BKGD端，然后定义该引脚为输入状态，读取引脚BKGD端的电平。如果目标机输出为低电平时，继续拉低引脚BKGD端，持续时间从探测到调试装置拉低引脚BKGD端起计算，保持13个时钟周期。所以调试装置的读操作应在从拉低引脚BKGD线算起，13个时钟周期内完成。而对于目标机输出为1的情况，实际上无需目标机输出高电平，因为BKGD端已用电阻上拉，所以只需定义该引脚为输入，则自然会使之为1。
对于硬件命令，命令之间间隔要大于150个时钟周期，而对于固件命令，送出读命令到读取数据之间要延迟32个时钟周期；写命令后面可紧跟需要写的数据，但与下一条命令之间要间隔32个时钟周期。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (4)
1、一种嵌入式软件调试装置，包括主控芯片和外围电路，其特征在于，主控芯片是摩托罗拉HCS12芯片(1)，外围电路包括电源电路(2)、时钟电路(4)、复位电路(3)、串口电平转换电路(6)和调试接口电路(5)；所述电源电路(2)、时钟电路(4)、复位电路(3)、串口电平转换电路(6)和调试接口电路(5)均连接在主控芯片上；
所述的电源电路(2)用于为主控芯片提供工作电源；
所述的时钟电路(4)用于为主控芯片提供时钟信号；
所述的复位电路(3)用于确保主控芯片的正常工作，包括限制主控芯片的行为和在主控芯片出现混乱状态下使其恢复正常工作；
所述的串口电平转换电路(6)用于为主控芯片进行信号电平的转换；
所述的调试接口电路(5)用于调试装置和目标机的连接。
2、一种基于嵌入式软件调试装置的调试实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)实现串口通信协议：
串口通信协议用于主机和调试装置双方建立连接，并以包格式传送命令包和数据包，包格式包括包类型、包长度、数据域以及校验位；
(2)实现包的解析和封装机制：
包的解析和封装机制一方面对主机下传的包进行解析，确定包类型和数据，对其进行格式转化重新生成命令下传到目标机；另一方面将目标机上传的数据信息按照串口通信协议包格式封装为数据包上传到主机；
(3)实现基于摩托罗拉HCS12芯片的背景调试模式的通讯协议，即BDM通讯协议：
BDM具备基本的调试功能，包括资源访问及运行控制；BDM通讯协议用于调试装置和目标机之间建立连接，调试装置和目标机的通信引脚使用漏极开路驱动方式，靠上拉电阻维持高电平；主机方以下沿通知目标机方的引脚BKGD端，位通信开始，每一位的传输需要至少16个时钟周期；
主机将调试命令通过串口发送到调试装置，调试装置将该命令转化为BDM指令，并通过引脚BKDG端按照BDM通信协议发送到目标机，从而实现对目标机的调试。
3、据权利要求2所述的一种嵌入式软件调试装置的调试实现方法，其特征在于，所述的BDM还包括硬件逻辑和固件的使用，所述的硬件逻辑独立于CPU之外，可以随时接受和执行外部命令；所述的固件是部分BDM指令的解释程序，用于读写CPU的寄存器或控制用户程序的运行。
4、根据权利要求2所述的一种嵌入式软件调试装置的调试实现方法，其特征在于，所述的BDM指令包括硬件指令和固件指令，所述的硬件指令是在一般模式下可以直接运行的指令，所述的固件指令是通过BDM方式下强制换成$FF00～$FFFF空间的ROM中的程序执行的指令。
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