CN101154184A - 一种微控制器jtag调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微控制器JTAG调试方法，其特征在于包括以下步骤：通过配置的JTAG接口，使用TAP命令访问仿真调试模块，执行调试命令，从而达到实现在线仿真的目的。本发明使用标准的JTAG协议，使用命令具有扩展性，也较为简单，可以作为单独模块使用，具有很强的可移植性。本系统通过JTAG通讯接口，可让芯片从正常模式进入调试模式，可以实时修改和查看内部SFR，RAM，GPR的内容，查看ROM内容，支持目标芯片单步运行和断点的设置，可监控地址和数据总线，实现实时跟踪功能。

Description

一种微控制器JTAG调试方法

技术领域

本发明涉及集成电路测试技术领域，特别是指一种JTAG(Joint TestAction Group)调试方法。

背景技术

20世纪80年代以来，随着计算机嵌入式系统的广泛应用，微控制器(MCU，microcontroller unit/单片机)得到了飞速的发展。早期的单片机是按照嵌入式应用技术要求设计的计算机的单芯片化集成电路器件，也就是电子计算机的全部特性器件都集成到一片芯片上，故被形象的称为单片机。随着单片机应用范围的不断加大，对于其仿真芯片调试功能的要求也逐渐提高。

目前单片机厂家大都提供自己的仿真芯片，芯片仿真器多为外置，大致分为两种方式：1.由仿真器的仿真头来完全取代目标板上的CPU进行工作，产生外部电路所需要的信号，同时捕获外部的所有信号，提供源代码级调试及处理器运行控制等功能，通过它可以启动和停止目标系统，查阅和修改寄存器和存储器，在需要控制或查看内部处理器运行的地方设置断点。但是随着处理器的性能和复杂性的飞速发展，这种在线仿真调试系统提供的时间严重滞后于芯片本身的生命周期，而且价格昂贵，可扩展性差，没有完善的触发和高速定时或模拟分析功能，对芯片内部更深层次的时序和内部动态运行监控能力差；2.一部分功能已经集成到芯片内部，另一部分通过外置的在线仿真调试系统进行操控完成。这种主要针对那些具有JTAG调试端口的处理器，目前几乎所有的高速嵌入式处理器都有JTAG调试接口，仿真器通过调试口控制CPU运行，但实际运行还是要处理器自身来产生，因此要求在目标板能够调试之前，必须保证处理器，晶振及内存等部件正常运行，这种在线仿真调试系统大多不支持实时跟踪和处理微控制器内部总线的代码流。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微控制器JTAG调试方法，以克服现有技术存在的上述缺陷。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一个调试模块，该模块提供了从芯片外部对芯片内核进行控制运行，从而达到了调试的目的。

一个标准JTAG接口，使用扩展的TAP(Test Access Port)命令，访问调试模块，执行调试命令，从而实现查看芯片状态和控制芯片内核的目的。本发明执行标准的JTAG协议。JTAG是标准的国际协议(参阅IEEEstandard 1149.1)。测试访问端口配置有以下6个管脚：TCK，TMS，TDI，TDO，TRST和TRDY。TCK(Test Clock)为测试时钟端口，为TAP端口提供时钟。TMS(Test Mode Select)为测试模式选择端口，可控制TAP控制器的状态变化。TDI(Test Data Input)为测试输入数据端口，可通过该端口在TCK的上升沿移位输入TAP指令和数据。TDO(Test Data Input)为测试输出数据端口，可通过该端口在TCK的上升沿移位输出TAP状态和数据。TRST(Test Reset)为测试复位端口，复位调试寄存器和TAP端口控制器。TRDY(Test Ready)为测试就绪端口，该端口在进入调试模式后，置位标识芯片内部对接受指令或数据准备就绪，此时即可输入指令或数据。

一种扩展的TAP命令，包括进入/退出调试模式、访问调试指令寄存器、访问调试地址寄存器、访问调试数据寄存器、执行调试指令。进入调试模式有两种：一种是利用TAP命令，一种是利用调试模式触发器。当微控制器接受到从TAP端口发来的进入调试模式命令时，微控制器会停止执行下一条指令，进入调试模式。当微控制器检测到调试模式触发器被触发时，微控制器会立即进入调试模式。调试模式触发器由断点或者单部运行操作决定。当微控制器进入调试模式后，外部管脚TRDY被置高电平，标识芯片内部已准备好接受外部输入进来的指令。当调试模块接受到退出调试模式指令时，芯片将从调试模式中退出。但是如果此时芯片并非在调试模式下，那么接受到的退出调试模式将被忽略。一旦退出调试模式，微控制器将在中断指令处执行正常操作。而如果程序计数器的值在调试模式中有所改变，那么微控制器将在新的程序计数器里的值处执行操作。任何时候微控制器进入调试模式，TRDY管脚都将置高，以表示芯片内部以准备好接受外部指令。在调试模式下，当微控制器正在处理调试命令时，TRDY管脚将置低，此时不能接受外部TAP命令。当进入调试模式TRDY置高后，外部软件通过TAP端口先将调试命令写入调试指令寄存器中，即访问调试指令寄存器。然后通过端口输入执行调试指令命令，即可执行保存在指令寄存器中的指令。在多数情况下，调试命令的执行都将需要数据参数的输入或输出，对于此访问地址寄存器和访问数据寄存器就显得尤为必要。输入的数据要在调试命令执行前由管脚写入寄存器中；输出的数据将在调试命令执行完后从管脚读出。

一种JTAG调试方法，其功能主要有查看芯片内部状态和控制芯片操作。查看芯片内部状态和控制芯片操作主要是通过读写内部存储器，读写通用目的寄存器，读写程序计数器，读写调试寄存器等来实现。内部存储器主要包括特殊功能寄存器，数据存储器和程序存储器。特殊功能寄存器，数据存储器都能读取和写入。程序存储器只能读取，不能写入。调试寄存器有两种：一种8位寄存器，包括调试控制寄存器，调试状态寄存器，两个断点控制寄存器，trace类型寄存器，trace控制寄存器，trace状态寄存器；另一种为16位寄存器，包括4个断点寄存器和1个trace缓冲指针寄存器。调试控制寄存器可以控制使能单步操作和4个断点功能，并且能控制在调试模式下的输入输出外围电路。当单步操作使能后，芯片微控制器会在每一条指令执行后重新进入调试模式。断点使能后，微控制器会在相应的地址断点处进入调试模式。当设置输入输出停止位，在进入调试模式时，芯片的外围输入输出模块会停止操作，输入输出端口的电流也会保持；当清除输入输出停止位时，IO模块在调试模式下也会正常继续操作。调试状态寄存器记录了单步操作和断点操作进入调试模式时的事件。当利用单步操作或断点操作进入调试模式时，相应的调试状态寄存器就会被设置。当芯片由TAP命令进入调试模式时，状态寄存器的值就会被清除。断点控制寄存器规定了引起断点发生事件的类型。分为三种类型，读写操作，读操作和写操作。断点地址寄存器保存的时断点事件发生处了地址信息。

一种具有实时跟踪功能的调试方法，即可在条件产生时追踪当前的一些地址信息，这些地址信息可以被记录在缓冲区内。缓冲区使用的内部RAM区域。跟踪模块包含以下几个寄存器：跟踪类型寄存器，控制寄存器，状态寄存器，缓冲指针寄存器。跟踪类型寄存器记录的是条件产生时，缓冲区内需要记录的地址类型。可选择的发生条件包含中断，中断返回，无条件跳转，条件跳转，调用，子程序返回。当中断发生时，记录的是中断指令和中断服务程序的地址；当从中断返回时，记录的是返回地址；跳转发生时，记录的是跳转地址；调用发生时，记录的是调用地址；子程序返回发生时，记录的是子程序返回的地址。记录地址数据的类型分为16位和8位，可以在跟踪类型服务器中选择。在多数情况下，8位的地址数据即可满足程序的正常工作，此时可以提高芯片在调试状态下的工作效率。跟踪控制模块可控制该模块的开始，停止及初始化状态。控制寄存器的开始停止位可控制在跟踪模块的使能以及模块在断点处的使能。控制寄存器还可设置在当缓冲区溢出时的状态。当缓冲区溢出时可选择跟踪模块停止或继续工作。选择继续工作时。缓冲区的内容可被覆盖。跟踪状态寄存器定义了跟踪缓冲区的当前状态。缓冲区的状态包括是否使能，是否为空，是否溢出等。跟踪状态寄存器还规定了缓冲区的大小。通过配置相关位，可将跟踪缓冲区的大小配置为512字节，256字节，128字节，64字节。本发明还包括一16位的缓冲区地址指针寄存器。该寄存器存储的信息为下一个数据被存储到的RAM地址。当缓冲区不满时，指针寄存器中的地址信息指向缓冲区中第一个未存储数据的地址，此时的有效存储空间为第一个有效地址到(指针寄存器中的地址-1)；当缓冲区溢出时，缓冲区内的数据全部为有效数据，指针寄存器的地址内容又循环回到起始地址。

本发明是基于JTAG的芯片内部在线调试模块，实现外部对芯片内部进行调试控制功能的调试方法，包括以下步骤：

通过配置JTAG接口，从外部访问芯片调试模块；利用外部上层软件，使用扩展的标准TAP命令；进而通过执行调试命令来查看芯片内部状态，对芯片进行控制。

由上述公开的技术方案可见，本发明通过合理的设计，具有较强的可移植性，提高了系统的可应用性，降低了成本；利用JTAG标准扫描仿真电路，避免因仿真电缆过长而产生信号失真；由于使用标准JTAG协议，系统模块独立于微控制器本身，所以模块具有较好的可移植性和兼容性；可实现实时修改和查看内部数据存储器RAM，特殊功能寄存器SFR，通用目的寄存器GPR，程序计数器PC，查看ROM，支持单步操作和4个断点设置，支持实时跟踪功能；功能操作标准，功能内容丰富，增强了本发明系统的应用性和实用性。

附图说明

图1是调试系统示意图；

图2是一基本的在线调试操作时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明所涉及到的芯片内部在线调试系统包括上层软件，JTAG接口模块1和内部调试模块2。

通过配置JTAG接口模块1，从外部访问芯片调试模块2，利用外部上层软件，使用扩展的标准TAP命令，执行调试命令，查看芯片内部状态，对芯片进行控制。

外部调试软件与内部调试模块通讯主要通过JTAG接口模块1实现，使用的是扩展的TAP命令。这些指令主要包括进入和退出调试模式，建立和提交调试命令，访问调试地址和数据寄存器。从外部移位输入这些指令时，执行相应的命令。

1)指令：BEGIN_DM

代码：0100

执行的命令为进入调试模式。当收到此指令后，微控制器3立即停止执行下一条指令的边界扫描，进入调试模式。

2)指令：ACCESS_DIR

代码：0101

执行的命令为访问调试指令寄存器。调试指令寄存器记录保存着执行调试的命令。通过访问该寄存器可以建立和提交调试命令。

3)指令：EXECUTE_DIR

代码：0110

执行的命令为执行调试指令寄存器中保存的指令。这些指令为读写内部存储器，读写通用目的寄存器，读写程序计数器，读写8位和16位的调试寄存器。

4)指令：ACCESS_DADR

代码：1000

执行的命令为访问调试地址寄存器。调试地址寄存器为16位寄存器。

5)指令：ACCESS_DDAT

代码：1001

执行的命令为访问调试数据寄存器。输入的数据要在执行调试命令之前被写入相应的寄存器中；输出的数据要在执行调试命令完成后被读出。

6)指令：END_DM

代码：1010

执行的命令为退出调试模式。当微控制器3不在调试模式下时，接受到的退出调试模式命令将被忽略。在退出调试模式后，微控制器3会在中断的指令边界扫描处重新正常工作。如果程序计数器在调试模式中被改变，那么在退出调试模式后，微控制器3将在新的程序计数器指向的位置执行操作。

外部软件通过JTAG接口1，访问内部调试模块2，执行调试命令。和调试命令相关的TAP寄存器有三个，分别为调试指令寄存器，调试地址寄存器，调试数据寄存器。调试指令寄存器为16位寄存器，调试地址寄存器为16位寄存器，调试数据寄存器为8位寄存器。调试命令具体设置如下：

1)调试命令：读内部存储器

指令寄存器代码：000000

地址寄存器记录的是内部存储器的16位地址，数据存储器记录的是输出的8位数据。

2)调试命令：写内部存储器

指令寄存器代码：1000000

地址寄存器记录的是内部存储器的16位地址，数据存储器记录的是输入的8位数据。

3)调试命令：读通用目的寄存器

指令寄存器代码：000010

地址寄存器记录的是通用目的寄存器的16位地址，数据寄存器记录的是输入的8位数据

4)调试命令：写通用目的寄存器

指令寄存器代码：100010

地址寄存器记录的是通用目的寄存器的16位地址，数据寄存器记录的是输出的8位数据。

5)调试命令：读程序计数器

指令寄存器代码：000011

地址寄存器记录的是程序计数器的16位数据。

6)调试命令：写程序计数器

指令寄存器代码：100011

地址寄存器记录的是程序计数器的16位数据。

7)调试命令：读8位调试寄存器

指令寄存器代码：010---

数据寄存器记录的是8位调试寄存器的8位数据。

8)调试命令：写8位调试寄存器

指令寄存器代码：110---

数据寄存器记录的是8位调试寄存器的8位数据。

9)调试指令：读16位调试寄存器

指令寄存器代码：011---

地址寄存器记录的是16位调试寄存器的16位数据。

10)调试指令：写16位调试寄存器

指令寄存器代码：111---

地址寄存器记录的是16位调试寄存器的16位数据。

对于内部存储器，通用目的寄存器和8位调试寄存器的读命令，读出的数据在命令执行后返回到8位的数据寄存器中；对于内部存储器，通用目的寄存器和8位调试寄存器的写命令，写入的数据在命令执行之前要被放在数据寄存器中。对于16位调试寄存器和程序计数器的访问中的数据都要存放在16位的调试地址寄存器中。

外部软件通过JTAG接口1控制执行调试命令，进而控制芯片内部调试模块2，来实现在线调试功能。调试模块2的寄存器包括一组8位和16位的寄存器。8位调试寄存器包括以下几个：调试控制寄存器，调试状态寄存器，断点控制寄存器0，断点控制寄存器1，跟踪类型寄存器，跟踪控制寄存器，跟踪状态寄存器。16位调试寄存器包括以下几个：断点地址寄存器0，断点地址寄存器1，断点地址寄存器2，断点地址寄存器3，跟踪缓冲指针寄存器。

通过硬件上的设置，本发明的调试模块2可实现4个断点设置。断点地址寄存器定义了存储器的地址。当微控制器3执行程序时，将微控制器3的地址和断点地址寄存器中的地址进行比较，如果比较相同并且断点触发被使能，那么一个断点事件将被触发，随后微控制器3将进入调试模式。

如图2所示为一基本的在线调试操作时序图。示例执行的操作步骤为：进入调试模式，执行调试命令(读通用寄存器A)，然后退出调试模式。所有的操作通过JTAG接口执行。具体步骤如下：

上层软件发出BEGIN_DM命令，迫使微控制器3进入调试模式，然后等待TRDY管脚被置高电平。(TRDY被置高平表示芯片已准备好接受外部数据)

在识别处BEGIN_DM命令后，微控制器3停止执行下一个指令的边界扫描，然后将TRDY输出高电平。

当外部采样到TRDY为高电平时，上层软件开始执行读寄存器A的命令。首先，上层软件输入ACCESS_DADR命令，将寄存器A的地址0x40写入调试地址寄存器中。随后，上层软件输入ACCESS_DIR命令，将“读寄存器A”0x02这条指令输入到调试指令寄存器中。接着，上层软件输入EXECUTE_DIR命令告诉微控制器3，让其执行存放在调试指令寄存器中的指令。在收到EXECUTE_DIR命令时，微控制器3先将TRDY置低，读存放在调试指令寄存器中的指令，而后执行读寄存器A的命令，将读出的结果写入到调试数据寄存器中，重新将TRDY管脚置高。外部再次采样到TRDY管脚为高电平时，输入ACCESS_DDAT命令，得到读出的数据。如没有新的访问命令，外部输入END_DM命令，让微控制器3退出调试模式。微控制器3识别处END_DM命令时，就会将TRDY管脚输出低电平，重新在断点处执行操作。

微控制器3进入调试模式有两种方式，一种是通过TAP指令进入，一种是通过调试模式触发器进入。具体实现方式如下：

对于TAP指令方式按照以下步骤：

1)复位微控制器3，将TRST管脚输入高电平即复位调试模块2。

2)释放TRST管脚，将TRST管脚输入低电平。

3)通过JTAG接口1输入BEGIN_DM命令，进入芯片调试模式。

对于调试模式触发器方式按照以下方式：

1)在调试模式下，输入调试命令设置断点。

2)通过输入END_DM命令退出调试模式。此时微控制器3不再调试模式，但仍然在正常的复位状态。

3)释放芯片复位管脚，使芯片退出复位状态。

当微控制器3运行到断点所处的地址时，芯片在执行当前指令之前就又重新进入芯片调试模式。

以上介绍的仅仅是基于本发明的几个较佳实施例子，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的装置作本技术领域内熟知的部件的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。

Claims (4)

1.一种微控制器JTAG调试方法，其特征在于一种基于JTAG的芯片内部在线调试模块，实现外部对芯片内部进行调试控制功能，包括以下步骤：

通过配置JTAG接口，从外部访问芯片调试模块；

利用外部上层软件，使用扩展的标准TAP命令；

进而通过执行调试命令来查看芯片内部状态，对芯片进行控制。

2.如权利要求1所述的一种微控制器JTAG调试方法，其特征在于，所述的JTAG接口配置还包括以下端口内容：

TCK，测试时钟端口，给TAP提供时钟；

TMS，测试模式选择端口，对TAP控制器的状态进行选择；

TDI，测试数据输入端口，TAP的外部指令和数据都是由此端口输入进芯片内部；

TDO，测试数据输出端口，TAP的内部状态和数据由此端口输出到芯片外部；

TRST，测试复位端口，复位芯片调试寄存器和TAP端口控制器；

TRDY，测试准备就绪端口，该端口标识芯片在调试模式下并准备接受外部指令。

3.如权利要求1所述的一种微控制器JTAG调试方法，其特征在于，所述的扩展的标准TAP命令方法还包括以下内容：

进入调试模式；

访问调试指令寄存器；

执行调试指令寄存器；

访问调试地址寄存器；

访问调试数据寄存器；

退出调试模式。

4.如权利要求1所述的一种微控制器JTAG调试方法，其特征在于，所述的查看和控制芯片内部的方法还包括以下内容：

读/写内部数据存储器；

读/写通用目的寄存器；

读/写特殊功能寄存器；

读程序存储器；

读/写程序计数器；

单步运行；

4个断点设置；

跟踪缓冲器的控制。

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