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基于ARM核的调试工具的一种实现 姜立娣,沈建华 (华东师范大学计算机系,上海200062) 摘要:随着嵌八式技术的发展,基于ARM核的芯片凭借低功耗,高性能的特点,广迁运用于嵌入式系统中.嵌入式系统的遥渐庞走,使得调试的地位逐渐变得举足轻重,这也是嵌八式系统开发过程中的一项关键的组成部分.拳文设计实现了一个适用干基于ARM核的嵌入式系统的调试工具,它首先定义了一个轻量级的远程调试协议EmRDI,用于Pc机与基于ARM核的目标板之间的交互过程:然后,它描述了用意法半导体拜司(sT)的ST72651芯片,实现一个协议转换器EmJTAG的技术细节,EmJTAG的功能就是将Pc机的调试命令转换成目标板的JTAG时序信号,以达到PC机控制和调试目标板的目的. 关键词: EmRDl;EmJTAG;边界扫描:远程调试:协议转换器1 引言 ARM嵌入式系统的大致开发流程是:首先,在PC机上编写程序源
代码:接下来,由ARM的交叉编译器编译连接生成一个目标文件;然后,将目标文件转化成可以下载到目标机运行的二进制
代码,在目标机上调试运行;最终,将调试成功的二进制文件固化在目标机中。
这一系列过程中,最关键的步骤就是如何在PC机上调试在目标机上运行的程序,这就需要采用远程调试的方式,即在PC机上运行调试器软件,被调试程序在目标机上运行。
本文描述了这样一个远程调试系统:利用USB批量传输的可靠性,将远程调试协议EmRDI的报文封装在USB数据包中,协议转换器EmJTAG再根据接收到的USB数据包中的协议信息.转换成适当的JTAG信号,来控制和调试ARM核。
其中,协议转换器EmJTAG由ST公司的ST72651芯片外加一片接口驱动芯片74LVC244来实现,其中,ST72651内部集成了USB模块和数据传输协处理器部件(DTC),通过对DTC的编程,来产生控制ARM核的边界扫描序列,以产生相应的JTAG信号。
文章昂终完成了PC机对ARM核的目标机的调试功能:PC机的调试器软件可以下载程序至目标机、实时控制目标机上
代码的单步,全速运行或停止,以及设置断点、设置观察点、读写寄存器,存储器等功能。
2系统组成及原理 整个调试系统包括三个部分,PC机(调试主机)、协议转换部件(EmJTAG)以及目标板(基于AR核)。
调试的目的是实现在PC机上控制目标板单步或全速运行,并可以实 一255— 时地察看或修改寄存器及存储器的值。
系统设计实现了一个远程凋试协议EmRDl,它采用点对点的迩接方式,以请求-响应 的方式进行交互。
调试请求由PC机上的凋试器软件发出,经由USB总线传输至西议转换 器EmJTAG,EmJTAG解读该协议请求,在做出相应的操作之后,以USB数据包的形式 发送回PC机(即响应过程)。
调试请求:i耍/写核寄存器、读/写L—’L————1 l,一、}协议转换器I,,一、lL—————ol 9c机 目标板 EmRDI坼议定义了如下一些 I ”5B接。
’TAO扣 存储器、设置/清除硬件断点、设 圈1系统框图。
置/清除软件断点、设置/清除数据 观察点、复位、停止运行、全迷/单步运行和返回处理器状态,设备标识符。
经验证,这些 请求的组合,可以完成PC机对目标机上ARM核的凋试和控制功能。
EmRDI的请求格式 (表2一1)和响应格式(表2.2)分别指定为; 表1 EmRDI协议请求格式(16B) l命令前导字节(2B) 主命令号(1B) 次命令号(1B) 地址字段或者保留宁段(12B) OxAAAA 表2 EmRDI协议响廊格式(8B) l响应前导字节<2B) 主命令号(IB) 次命令号(1B) 保留位【2B) 错误码(2B) j 0xllll ARM核的芯片基本上都遵循JTAG规范,井带有边界扫描功能,此类:酥片内撰成了一 个JTAG电路结构。
JTAG电路由TAP(测试访问端口)、TAP控制器、指令寄存器、测试 数据寄存器组组成。
另外,ARM7TDMI核还包含了一个提供在线调试支持的EmbeddedlCE 宏单元。
EmJTAG和PC机通过USB总线连接,和目标板则遵循JTAG调试接口标准。
JTAG规 范中,使用称为边界扫描单元的基本结构,边界扫描单元将JTAG电路与处理器逻辑电路 联系起来,通过它,可以将~个输入信号加载到处理器逻辑中而不影响逻辑的其他电路, 也可以将处理器逻辑的输出信号采样到边界扫描单元中。
若干个边界扫描单元构成边界扫 描寄存器(BSR),也称为边界扫描链,边界扫描寄存器的数据通过JTAG接口的TDI引 脚和TDO引脚串行移进移出。
PC机上需要实现:EmJTAG的USB驱动程序和调试器软件。
EmJTAG上需要实现;USB固件程序和用于产生JTAG信号的边界扫描程序。
3硬件 系统的硬件部分主要是指协议转换器EmJTAG的实现。
协议转换器的功能,就是接收 一256— PC机上调试器软件发送的远程调试协议信息,将它转换成JTAG时序信号发送剑目标板,然后把目标板的反馈信息或者数据返回给PC机的调试器软件。
EmJTAG使用意法半导体(ST)公司的ST72651芯片,它集成了一个全速(12Mbps)USB接口模块,一个时钟频率为24MHz的数据传输协处理器(DTC),32KB程序存储空间,5KB的RAM,硬件12c和SPI接口,多达47个可编程I/O口,工作电压在2.7V-5,5V,可由USB直接供电。
与PC机通信方面.USB接口部分只需要将DP脚上拉一个电阻,使PC机识别到USB设备即可。
DTC模块产生4个时钟信号,作为JTAG时钟信号(TDI、TDO、TMS和TC聃, 由I/O口引出,外部再加一个接口驱动芯片74LVC244,将这四个信号连接到标准的JTAG接口上。
TAP控制器复位信号nTRST和系统复位信号nSRST通过I/O逻辑直接控制。
EmJTAG采用USB供电方式,同时在TCK引脚上连接一个指示灯BUSY,显示系统是否处于忙状态。
接口驱动芯片74LVC244由内部集成的电压校准器产生3.3V来提供电压。
图2 EmJTAG原理框幽4软件 软件部分主要包括PC机上的调试器软件,EmJTAG协议转换器的PC端驱动程序,以及EmJTAG中的固件部分。
一257—4.1 Pc机上的调试器软件 采用
vc++6.0 MFC,主要功能是与EmJTAO的Pc端驱动程序通信.将凋试命令通过USB总线发送至EmJTAG。
4.2 EmJTAG的Pc端驱动程序 使用Driverstudi03.1开发Windows下的USB驱动程序,使EmJTAG和Pc机的应用程序可以进行数据交互。
4.3 EmJTAG中的固件程序 固件程序使用意法半导体(ST)TI:发工具STVD7 for InDART STX开发。
这一部分也是调试系统最重要的部分,即如何产生JTAG时序信号控制ARM核。
EmJTAG中的l瑚件分成多个模块实现。
4,4 DTC软件插件程序模块 DTC(图4-1)是ST72651内部集成的数据传输协处理器,它是一个通用的串行/并行通信接口。
通过改变其内运行的插件程序,DTC可以方便地完成不同的高速数据传输操作。
插件程序(摄大为256B)开始时存放在ST72651的FLASH中,芯片运行的程序会将插件程序加载到DTC SW RAM中,然后控制DTC运行这段插件程序。
ST7核也可{=王读写DTC 的数据传输缓冲区,因此,需要有一个仲裁电路用于防止ST7核和DTC冲突访问该缓冲 区。
DTC有一套简单的指令集。
ST7核通过DTC控制寄存器DTCCR控制DTC的操作,通过DTC状态寄存器DTCSR查询DTC的状态,通过DTC指针寄存器DTCPR改变DTC 的操作指针。
DTC有4种操作状态:空闲状态(IDLE),加载插件程序状态(RAM—LOAD),运行状态(RUNNING),改变操作指针状态(POINTER.CHANGE)。
通过改变DTCCR寄存器 的RUN、INIT和LOAD位可以实现4种状态问的转换。
将插件程序加载到DTC SWRAM中的步骤如下: 11清除DTCCR寄存器的RUN位,使DTC进入IDLE状态,停止DTC 2) 设置DTCCR寄存器的LOAD位,使DTC进入RAM.LOAD状态,以允许写DTC RAM: 3) 将插件程序复制到DTC SWRAM中。
41清除DTCCR寄存器的LOAD位,使DTC返回到IDLE状态,恢复DTCRAM写 保护。
使DTC运行其RAM中(即DTC SW RAM中)的插件程序的步骤如下: 1)清除DTCCR寄存器的RUN位,使DTC进入IDLE状态,停止DTC: 2) 将插件程序的起始地址填入DTCPR寄存器中: 3)设置DTCCR寄存器的INIT位,使DTC进入POINTER-CHANGE状态,将DTCPR 一25B一 寄存器中的值复制到DTC中; 4)清除DTCCR寄存器的INlT位.使DTC返回到IDLE状态; 5) 设置DTCCR寄存器的RUN位.使DTC进入RUNNING状态,开始运行。
DTC运行的插件程序完成的功能是:将数据传输缓冲区内的数据快速移出I/O口,或者从I/O快速移入数据到数据传输缓冲区。
DTC操作的I/O口作为4个JTAG信号:TCK、TMS、TDI和TDO。
TCK作为移入/移出数据的触发时钟,TDI作为移出数据出口。
TDO作为移入数据进口,TMS作为输入信号,与TCK一起决定TAP控制器状态的转移过程。
插件程序用DTC汇编指令编写,然后通过ST公司提供的一个简单汇编器将汇编源
代码转化成DTC机器指令,烧写到ST72651的FLASH存储器中。
图3 DTC功能框图4.5扫描链操作模块 扫描链操作模块调用DTC软件插件程序,完成初始化TAP控制器、扫描链l操作和扫描链2操作。
4.5.1初始化TAP控制器 TAP控制器的基本功能是产生时钟信号和控制信号,它包括~个带有16个状态的有限状态机:Test-Logic-Reset状态、Run.Test/Idle状态、Select-DR-Scan状态、Select-IR-Scan状态、Capture.DR状态、Shift.DR状态、Exitl.DR状态、Pause.DR状态、Exit2-DR状态、Update-DR状态、Capture4R状态、Shifl-IR状态、Exitl.IR状态、Pause.IR状态、Exit2-IR状态和Update-lR状态。
初始化TAP控制器的目的是使TAP控制器进入Seleet-DR-Scau状态。
无论当前TAP控制器处于什么状态,只要在TMS为1时产生5个TCK信号,TAP控制器就进入Test-Logic.Reset状态。
因此,使TAP控制器进入Select-DR-Scan状态的步骤为:首先使TMS为1,然后产生5个TCK信号,使TAP控制器进入Test.Logic.Reset状态;接着使TMS为0,产生1个TCK信号,使TAP控制器进入Run.Test/Idle状态;最后使TMS为1,产生1个TCK信号,使TAP控制器进入Select-DR-Scan状态。
一259—4.5.2扫描链1操作 扫描链l是JTAG电路中的一种测试数据寄存器。
它主要用于内核测试和调试过程。
扫描链1有33位,按扫描先后顺序依次为:BREAKPT位(输入),D31-DO(输入/输出)。
扫描链1操作的目的是移入BREAkPT位和向/从数据总线移入/移出32位数据。
操作步骤如下: 1)初始化TAP控制器。
使TAP控制器进入Select-DR.Scan状态; 2)使TMS为l,产生1个TCK信号,使TAP控制器进入Select—IR-Scan状态; 3)使TMS为0,产生2个TCK信号,使TAP控制器进入Shift-IR状态; 4) 往TAP控制器的指令寄存器移入JTAG指令SCAN N(b0010): 5) 使TAP控制器退出Shift-lR状态,进入Shift-DR状态; 6)往扫描链选择寄存器穆入b0001,选择扫描链l; 7)使TAP控制器退出Shift-DR状态,进入Shift-IR状态; 8)往TAP控制器的指令寄存器移入JTAG指令INTEST(b1100); 9)使TAP控制器退出Shift-lR状态,进入Shift-DR状态; 10)移入BREAKPT位,移入数据D31-DO(或移出数据D31-Do); 1 1)使TAP控制器退出Shift.DR状态,进入Select.DR-Scan状态。
4.5.3扫描链2操作 扫插链2也是一种测试数据寄存器,用于访问EmbeddedlCE宏单元的寄存器。
扫描链2有38位,按扫描先后顺序依次为:EmbeddedlCE寄存器的D0-D31,EmbeddedlCE寄存器的A0-A4,读/写位。
扫描链2操作的目的是读写EmbeddedlCE宏单元的寄存器。
操作步骤如下: 1)初始化TAP控制器,使TAP控制器进入Select.DR-Scan状态: 2)使TMS为1,产生1个TCK信号,使TAP控制器进入Select-IR-Scan状态; 3)使TMS为0,产生2个TCK信号,使TAP控制器进入Shi缸IR状态; 41往TAP控制器的指令寄存器移入JTAG指令SCAN N(b0010); 5)使TAP控制器退出Shift.IR状态,进入Shift.DR状态; 6)往扫描链选择寄存器移入bOOlO,选择扫描链2; 7)使TAP控制器退出Shift-DR状态,进入Shift.IR状态; 鼬往TAP控制器的指令寄存器移入JTAG指令INTEST(bl 100); 9) 使TAP控制器退出Shift-IR状态,进入Shift-DR状态; 10)移入欲写的数据D0一D3I; 11)移入欲读写的EmbeddedICE寄存器的地址; 12)移入读/写位(读为0,写为1); 131如果为读,移出读到的EmbeddedICE寄存器的值Do.D3l; 一260— 14)使TAP控制器退出Shift.DR状态,进入Select-DR-Scan状态。
4.6 Embedded l cE寄存器操作模块 EmbeddedlCE寄存器的读写通过对扫描链2操作实现。
读时将欲读的EmbeddedlCE 寄存器地址作为参数调用扫描链2操作函数,写时将欲写的值和EmbeddedlCE寄存器地址作为参数调用扫描链2操作函数。
4。
7高层调试命令模块 通过调用扫描链操作模块和EmbeddedlCE寄存器操作模块,实现了读写核寄存器、 读写存储器、断点及观察点操作、单步或全速运行程序等高级调试控制命令。
这些命令供 主程序状态机模块调用。
4.8 USB接口驱动模块 USB接口驱动模块主要包含5个函数;函数InitUSB0用于初始化USB模块:函数 USB_PollingO处理USB主机发来的USB标准设备请求,实现USB枚举阶段的传输过程, 同时根据状态寄存器的标志位调用相应的端点处理函数:CTR(正确传输)中断服务程序 用于处理端点上发生的各种中断;函数USB RecvDataEP2(unsigned char*dp,uint8 len)和 uss sendDataEP2(unsigned char+dp,uint8 len)用于从端点2接收和发送USB包。
4.9主程序状态机模块 主程序状态机模块循环调用USB接1:3驱动模块的USB 五i02PEatDveR.试调收接数 器发来的命令报文,根据命令报文的主命令号和次命令号调用高层调试命令模块的相应命 令函数,并将命令函数返回的数据通过调用usB sendDataEP20区l数返回给凋试器,最终根据命令函数返回的状态通过调用USB.SendDataEP20’1函数发确认报文给调试器。
5结束语 本文构造了一个支持ARM核的眨入式系统调试工具。
它首先定义了一个轻量级的远程调试协议EmRDI,然后使用ST72651芯片实现了协议转换器EmJTAG。
目前该调试工具已经应用于实际嵌入式系统开发中,Pc机上的调试器软件可以通过EmJTAG下载程序到基于ARM核的目标机上,并实现设置/清除断点、设置/清除观察点、全速/单步/停止运行程序等基本的调试功能。
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论文,2003/4 —2 61—基于ARM核的调试工具的一种实现作者: 姜立娣, 沈建华作者单位: 华东师范大学计算机系上海200062相似文献10条1.学位
论文 金丽 基于ARM核嵌入式系统的AES算法优化 2007 本文从AES的算法原理和基于ARM核嵌入式系统的开发着手,研究了AES算法的设计原则、数学知识、整体结构、算法描述以及AES存住的优点利局限性。
针对ARM核的体系结构及特点,对AES算法进行了优化设计,提出了从AES算法本身和其结构两个方面进行优化的方法,在算法本身优化方面是把加密模块中的字节替换运算、列混合运算和解密模块中的逆列混合运算中原来的复杂的运算分别转换为简单的循环移位、乘和异或运算。
在算法结构优化方面是在输入输山接口上采用了4个32位的寄存器对128bits数据进行了并行输入并行输出的优化设计;在密钥扩展上的优化设计是采用内部扩展,即在进行每一轮的运算过程的同时算出下一轮的密钥,并把下一轮的密钥暂存在SRAM里,使得密钥扩展与加/解密运算并行执行;加密和解密优化设计是将轮函数查表操作中的四个操作表查询工作合并成一个操作表查询工作,同时为了使加密
代码在解密
代码中可重用,节省硬件资源,在解密过程中采用了与加密相一致的过程顺序。
根据上述的优化设计,基于ARM核嵌入式系统的ADS开发环境,提出了AES实现的软硬件方案、AES加密模块和解密模块的实现方案以及测试方案,总结了基于ARM下的高效编程技巧及混合接口规则,在集成开发环境下对算法进行了实现,分别得出了初始密钥为128bits、192bits和256bits下的加密与解密的结果,并得剑了正确验证。
在性能测试的过程中应用编译器的优化选项和其它优化技巧优化了算法,使算法具有较高的加密速度。
2.学位
论文 李天池 基于ARM核的测控系统开发平台的研究 2006 随着微电子技术和网络信息技术的飞速发展,嵌入式系统已经广泛的渗透到各行各业以及人们的日常生活中,成为目前最热门的技术之一。
作为嵌入式系统的一个重要应用领域——面向工业控制的嵌入式测控系统,其面对的测控对象具有多样性的特点。
因此研发一个嵌入式测控系统开发平台就显得十分必要,该开发平台应能提供开发者快速高效地进行嵌入式测控系统的开发,而其软硬件的配置应能满足大多数嵌入式测控系统的需求。
基于ARM核的测控系统开发平台就是基于高性能、低功耗的32位ARM内核处理器的嵌入式片上系统,采用PC104层叠式结构模块化设计,将传统的A/D、D/A、I/O、存储器、液晶显示、触摸屏、以及各种有线、无线通信模块以太网、USB、现场总线、基于IEEE802.15.4协议的ZigBee与ARM核及其内部扩充总线有机地结合,在功能、电路、结构上实现了可裁剪、可扩展,能满足大多数嵌入式测控系统的需求。
测控系统开发平台还采用了可编程逻辑器件——FPGA,使用户通过对FPGA的再编程,可灵活地分配系统的地址资源,实现了硬件资源重构;开发平台对用户提供在系统编程ISP功能,用户的应用程序可在系统下载,实现了软件重构,大大的缩短了产品研发的周期。
通过嵌入NucleusPlus嵌入式实时多任务操作系统,实现了一个网络化、智能化、高性能、人机交互界面优良的嵌入式测控系统开发平台。
经过一年多的设计开发和仿真调试,基于ARM核的测控系统开发平台的硬件电路设计已经全部完成,硬件调试和BSP初始化程序编写也已完毕,整个系统已基本达到预期设计的指标,为将来进一步的完善奠定了基础。
3.期刊
论文 孙天亮.陈伟元.王豪才 基于ARM核的音频解码器单芯片系统 -单片机与嵌入式系统应用2001quotquot7 简要介绍Cirrus Logic公司的嵌入式处理器产品EP7209的结构、功能、接口特性等并给出基于EP7209所能构建的最大系统.对使用EP7209构建嵌入式系统有一定参考价值也有助于了解ARM核.4.学位
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论文首先介绍了VxWorks5.5嵌入式实时操作系统的特点和Tornado2.2集成开发环境中各组件的功能.然后介绍了基于三星公司S3C4510B微控制器的最小系统硬件平台的设计工作.在介绍了最小系统的组成、各主要芯片特点的基础上详细介绍了各模块的功能、作用.然后详细介绍了VxWorks5.5操作系统在最小系统上的移植过程.其中包括BSP软件包中文件的结构如何根据最小系统的硬件资源编写BSP软件包并详细介绍了如何编写串行通讯接口和网络接口的驱动程序使得由BSP软件包编译生成的bootrom程序和VxWorks5.5操作系统能够在最小系统上正常运行并给出了在最小系统上成功运行bootrom程序和VxWorks5.5操作系统的软件界面.最后以Tornado2.2集成开发环境为工具分析了自己编写的基于VxWorks5.5操作系统平台的应用软件的执行过程.在完成
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6.期刊
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本文所基于的项目EventViewer是RVDSRealViewDevelopmentSuit集成开发环境的一部分,由武汉理工大学英蓓特嵌入式研发中心开发,实现此系统的目的在于向使用ARM核的最终用户提供采集并显示ARM核跟踪数据的功能,向第三方产品提供商提供扩展接口的功能,以方便第三方产品提供商产生自定义的跟踪数据。
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