在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，仿真器完成的工作是把從PC機(jī)發(fā)出的命令和數(shù)據(jù)通過JTAG命令傳送到目標(biāo)機(jī)，實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能。目前，常用的仿真器有基于PC機(jī)串行端口和并行端口的仿真機(jī)兩種類型。基于PC機(jī)串行口得功能有限，且速度很慢。基于PC機(jī)并行口得仿真機(jī)一般是采用PC機(jī)并行口外加一些鎖存器來實(shí)現(xiàn)的，并通過PC機(jī)模擬JTAG時(shí)序。PC的并口一般只有一個(gè)，加上并口帶電插拔容易損壞，當(dāng)存在多個(gè)基于并口的JTAGT調(diào)試器系統(tǒng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)使用過程中會(huì)很不方便，因此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種速度快、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉、易于實(shí)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(gòu)如圖1所示。調(diào)試系統(tǒng)包括調(diào)試主機(jī)、仿真器和調(diào)試目標(biāo)。

    調(diào)試主機(jī)是一臺(tái)運(yùn)行調(diào)試軟件(例如ADS)的計(jì)算機(jī)。調(diào)試主機(jī)可以發(fā)出高層的調(diào)試命令，例如設(shè)置斷點(diǎn)、訪問內(nèi)存等。

    仿真器用來將調(diào)試主機(jī)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?yàn)槟繕?biāo)機(jī)無法識(shí)別調(diào)試主機(jī)發(fā)送來的命令，因此就需要仿真器將調(diào)試主機(jī)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(gè)調(diào)試系統(tǒng)中起到重要的作用，其性能也決定了整個(gè)調(diào)試系統(tǒng)性能。

    2 方案設(shè)計(jì)

    本文提出了一種采用PHILIPS公司的ARM7芯片LPC2148設(shè)計(jì)，具有USB2.0通信方式、高速穩(wěn)定的ARM仿真器實(shí)現(xiàn)方案，如圖2所示。

    守護(hù)進(jìn)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(hào)并發(fā)送到I/O口，從而控制調(diào)試目標(biāo)執(zhí)行特定的操作，達(dá)到調(diào)試的目的。同理，從調(diào)試目標(biāo)返回的數(shù)據(jù)，先經(jīng)過ARM仿真器的譯碼，再經(jīng)過守護(hù)進(jìn)程返回到IDE開發(fā)環(huán)境，從而形成一個(gè)完整的調(diào)試系統(tǒng)。

    3 硬件電路設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)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(shè)備控制器，支持32個(gè)物理(16個(gè)邏輯)端點(diǎn)；支持控制、批量、中斷和同步端點(diǎn)；所有端點(diǎn)都有一個(gè)雙向的DMA通道。因?yàn)樾酒瑑?nèi)部集成了USB控制器，大大降低了電路板的設(shè)計(jì)難度和開發(fā)成本。其硬件電路框圖如圖3所示。

　　目標(biāo)Monitor相比之下要好得多，因?yàn)樗窃趯?shí)際硬件中運(yùn)行的。但是為了使Monitor程序能夠運(yùn)行起來，目標(biāo)系統(tǒng)必須是一個(gè)完整的、能夠工作的系統(tǒng)。采用仿真器后就不是這樣，仿真器在目標(biāo)系統(tǒng)硬件不完整、或者是一點(diǎn)硬件都沒有的情況下都可以運(yùn)行。然而目標(biāo)Monitor可以安裝在終產(chǎn)品的程序中，隨時(shí)都可以激活，用來進(jìn)行調(diào)試，所以這對(duì)于測(cè)試和維護(hù)來說還是有一定優(yōu)勢(shì)的。

    (1)本機(jī)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(gè)20引腳的標(biāo)準(zhǔn)JTAG插口。本設(shè)計(jì)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(fù)用，以便于將來的硬件升級(jí)。為了增強(qiáng)帶負(fù)載能力，使用一片74HC244芯片，同時(shí)為了盡量兼容大部分ARM開發(fā)板上的不同JTAG插口，本設(shè)計(jì)提供了一個(gè)20引腳的JTAG插口和一個(gè)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(shè)備與主機(jī)之間的連接，本接口電路使用P0.31(只能使用該引腳)來實(shí)現(xiàn)SoftConnect特性。當(dāng)P0.31輸出低電平時(shí)，D+線通過電阻上拉到VDD3.3，通知USB主機(jī)：USB設(shè)備與其建立連接；當(dāng)P0.31輸出高電平時(shí)，D+線斷開與VDD3.3的連接，通知USB主機(jī)：USB設(shè)備已經(jīng)斷開與USB主機(jī)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?yàn)镸OS管是電壓驅(qū)動(dòng)型，驅(qū)動(dòng)電流幾乎為0；而普通的PNP三極管是電流驅(qū)動(dòng)，需要一定的驅(qū)動(dòng)電流。導(dǎo)通時(shí)，P0.31_P17有可能被拉低，LPC2148要求該引腳在復(fù)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(shè)備控制器，用于檢測(cè)USB總線是否插入檢測(cè)引腳[4]。

    4 仿真器固件程序設(shè)計(jì)

    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(jī)軟件進(jìn)行通信，并將上位機(jī)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(hào)，并終送到相應(yīng)的引腳或者將相應(yīng)引腳的數(shù)據(jù)經(jīng)過封裝后，通過USB傳送到PC機(jī)中。圖5為應(yīng)用程序的流程圖。

    主函數(shù)首先將作為JTAG接口使用的5個(gè)引腳設(shè)置成相應(yīng)屬性，并完成USB設(shè)備初始化，配置中斷向量、開中斷，然后進(jìn)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(fù)位等。然后判斷標(biāo)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(diǎn)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(jī)程序?qū)?shù)據(jù)封裝方式進(jìn)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(yīng)的處理函數(shù)。

    軟件模擬器和目標(biāo)Monitor只能模擬系統(tǒng)運(yùn)行，然后進(jìn)行性能分析，但是它們已經(jīng)做得不錯(cuò)了;而仿真器則更進(jìn)一步，在實(shí)際硬件上面進(jìn)行性能分析，這樣就增加了。而且，使用實(shí)際的硬件能夠發(fā)現(xiàn)在軟件模擬中無法發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤。虛假中斷以及其它一些故障可能會(huì)出乎意料地消耗CPU資源，導(dǎo)致嚴(yán)重的性能問題，而且很難發(fā)現(xiàn)。利用仿真器的性能分析，這些問題很容易暴露。

    C語(yǔ)言定義的命令碼如下：
    #define UNKOWN_COMMAND     0x00    //未知指令
    #define PORT_DIRECTION     0x01       //設(shè)置端口方向?yàn)檩斎牖蜉敵?BR>    #define PORT_SET     0x02              //將JTAG端口的引腳都設(shè)為高電平
    #define PORT_GET         0x03         //讀JTAG端口的引腳數(shù)據(jù)
    #define PORT_SETBIT  0x04          //設(shè)置JTAG端口的某一位為1，由DATA[0]中數(shù)據(jù)決定設(shè)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(hào)命令
    #define READ_TDO     0x07               //讀TDO信號(hào)命令
    #define WRITE_AND_READ     0x08    //讀寫指令，對(duì)TDI寫一位，對(duì)TDO一位
    #define WRITE_TMS         0x09          //寫TMS信號(hào)命令
    #define WRITE_TMS_CHAIN 0x0A      //寫TMS掃描鏈命令

　　本文給出了基于USB接口，并通過可編程系統(tǒng)芯片實(shí)現(xiàn)的ARM仿真器，不但速度上較常用傳統(tǒng)串口、并口仿真器快很多，而且避免了傳統(tǒng)的Angel調(diào)試程序占用目標(biāo)資源的缺點(diǎn)，具有較好的實(shí)用價(jià)值，是一種易于被ARM個(gè)人開發(fā)者和團(tuán)體開發(fā)組接受的高性價(jià)比、實(shí)用型仿真器的設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn):

[1]. LPC2148 datasheet http://hbjingang.com/datasheet/LPC2148_844674.html.
[2]. ARM7TDMI-S datasheet http://hbjingang.com/datasheet/ARM7TDMI-S_1231795.html.
[3]. 74HC244 datasheet http://hbjingang.com/datasheet/74HC244_961022.html.