EmJTAG 協議轉換器的設計與實現

1 引言

協議轉換器的主要功能是接收調試服務器發來的各種調試協議信息，將它們轉換成JTAG 時序信號，控制ARM 核以及EmbeddedICE 宏單元，并返回一些數據和狀態信息給調試器。所以協議轉換器主要由兩部分組成：與調試器的通信接口部分，用于準確接收調試器發來的各種調試協議信息；與目標板的JTAG 接口部分，用于產生快速穩定的JTAG 時序信號。

各調試工具生產商所設計的協議轉換器各不相同，但歸納起來主要有3種實現模型：

1．利用PC 的并口，外部加上簡單的接口驅動電路或單片機引出JTAG 接口。這種實現模型的特點是價格便宜，沒有固件程序或只有簡單的固件程序，與調試器的接口單一，JTAG 時鐘頻率低，程序下載速度慢。網上流行的Wiggler 協議轉換器和EasyJTAG 協議轉換器就是基于這種實現模型。

2．利用單片復雜FPGA，實現與調試器的接口部分和產生快速JTAG 時序信號。這種實現模式的特點是價格昂貴，固件程序復雜，JTAG 時鐘頻率高，下載速度快。ARM 公司生產的Multi-ICE 協議轉換器就是基于這種實現模型。

3．利用通用微處理器實現與調試器的接口部分，利用簡單FPGA 或CPLD 產生快速JTAG 信號。這種實現模型是前兩種實現模型的折中，價格適中，固件程序升級容易，與調試器的接口豐富，JTAG 時鐘頻率快，程序下載速度快。

本文介紹了使用ST72651設計實現協議轉換器。利用ST72651 內部集成的USB模塊和數據傳輸協處理器（DTC）分別實現與調試器的接口和JTAG 信號的穩定高速產生。這種實現方法屬于第3 種模型，但微處理器模塊和DTC 模塊是封裝在同一個芯片里面，這保證了微處理器模塊和DTC 模塊之間數據的快速傳輸。

2 硬件設計

2.1 ST72651 的概述

ST72651 是專門為解決USB 接口的大量數據傳輸應用而設計的一款芯片。它基于ST7標準內核，內部集成了一個全速的USB接口，以及一個時鐘頻率為24M 的數據傳輸協處理器（DTC），32KB 的程序存儲空間，5KB 的RAM，支持I2C 和SPI 接口， 2.7V-5.5V 的工作電壓范圍，可用USB 接口直接供電，是一款功能強大的8 位機。

2.2 硬件原理框圖

基于ST72651的協議轉換器原理框圖如圖1所示。

圖 1 協議轉換器硬件原理框圖

USB 接口部分的電路比較簡單，只需在USB 的DP 腳上拉一個電阻，以使得USB 主機識別到該USB 設備。DTC 模塊產生的4 個JTAG 時鐘通過I/O 口引出，外部加一個接口驅動芯片，然后連到標準的JTAG接口上。TAP 控制器復位信號nTRST 和系統復位信號nSRST 通過I/O 邏輯直接控制。系統采用USB 供電模式，POWER 燈指示系統的供電狀態。BUSY 燈連到TCK 引腳上，指示系統是否處于忙狀態。內部集成的電壓校準器產生3.3V 的電壓供給接口驅動芯片。

3 固件設計

采用分模塊設計固件程序，包括下列六個模塊：DTC軟件插件程序模塊，掃描鏈操作模塊，EmbeddedICE 寄存器操作模塊，高層調試命令模塊，USB接口驅動模塊，主程序狀態機模塊。各模塊的調用關系如圖2所示。

圖 2 固件各模塊調用關系

3.1 DTC插件程序模塊

ST72651內部集成的數據傳輸協處理器（DTC）是一個通用的串行/并行通信接口。ST7 核也可以讀寫DTC 的數據傳輸緩沖區，因此需要一個仲裁電路用于防止ST7核和DTC沖突訪問該緩沖區。如果其中有一個在訪問數據傳輸緩沖區，則另一個的請求將在數據傳輸緩沖區空閑時才得到響應；如果兩個同時請求，則按優先級響應，ST7核的優先級高于DTC。ST7 核通過DTC 控制寄存器DTCCR 控制DTC的操作，通過DTC 狀態寄存器DTCSR 查詢DTC 的狀態，通過DTC 指針寄存器DTCPR 改變DTC的操作指針。DTC功能框圖如圖3所示。

圖 3 DTC功能框圖

DTC運行的插件程序非常簡單：將數據傳輸緩沖區中的數據快速移出到I/O口，或將I/O口數據快速移入到數據傳輸緩沖區。由DTC操作的I/O口為4個JTAG信號：TCK、TMS、TDI和TDO。TCK作為移入/移出數據的觸發時鐘，TDI作為移出數據出口，TDO作為移入數據進口，TMS作為輸入信號，與TCK 一起決定TAP 控制器狀態的轉移過程。執行插件程序前必須使TAP 控制器處Select-DR-Scan 狀態，執行完插件程序后TAP 控制器返回到Select-DR-Scan狀態。

3.2 掃描鏈操作模塊

掃描鏈操作模塊調用DTC 軟件插件程序，完成初始化TAP 控制器、掃描鏈1操作和掃描鏈2操作。掃描鏈1有33位，按掃描先后順序依次為：BREAKPT位（輸入），D31-D0（輸入/輸出）。掃描鏈1 操作的目的是移入BREAKPT 位和向/從數據總線移入/移出 32位數據。掃描鏈2有38位，按掃描先后順序依次為：EmbeddedICE 寄存器的D0-D31，EmbeddedICE 寄存器的A0-A4，讀/寫位。掃描鏈2 操作的目的是讀寫EmbeddedICE 宏單元的寄存器。

3.3 EmbeddedICE寄存器操作模塊

EmbeddedICE 寄存器的讀寫通過對掃描鏈2 操作實現。讀時將欲讀的EmbeddedICE 寄存器地址作為參數調用掃描鏈2 操作函數，寫時將欲寫的值和EmbeddedICE 寄存器地址作為參數調用掃描鏈2操作函數。

3.4 高層調試命令模塊

高層調試命令模塊完成的功能是：調用掃描鏈操作模塊和EmbeddedICE 寄存器操作模塊，實現各種調試控制命令，這些命令供主程序狀態機模塊調用。包括下列調試控制命令：讀寫核寄存器，讀寫存儲器，設置與清除硬件斷點，設置與清除軟件斷點，設置與清除觀察點，復位，停止運行，全速運行，單步運行，返回處理器狀態，返回設備標志位。

3.5 USB接口驅動模塊

USB接口驅動模塊主要包含五個函數：函數InitUSB( )用于初始化USB；函數USB_Polling( )用于處理USB 主機發來的USB 標準設備請求，實現USB 枚舉階段的傳輸過程，同時根據狀態寄存器的標志位調用相應的端點處理函數；CTR中斷服務程序用于處理端點上發生的各種中斷；函數USB_RecvDataEP2(unsigned char *dp, uint8 len)和USB_SendDataEP2(unsigned char *dp, uint8 len)分別用于從端點2接收和發送USB包。

ST72651內部集成的USB模塊實現兼容USB2.0規范的全速（12Mb/s）USB協議。它包括：模擬收發器、3.3V 電壓校準器、串行接口引擎（SIE）、USB 數據緩沖區接口、端點相關寄存器和各種控制狀態寄存器，如圖4所示。

圖 4 USB功能模塊

3.6 主程序狀態機模塊

主程序狀態機模塊循環調用USB 接口驅動模塊的USB_RecvDataEP2( )函數接收調試器發來的命令報文，根據命令報文的主命令號和次命令號調用高層調試命令模塊的相應命令函數， 并將命令函數返回的數據通過調用USB_SendDataEP2( )函數返回給調試器，最終根據命令函數返回的狀態通過調用USB_SendDataEP2( )函數發確認報文給調試器。

4 結束語

本文所設計的EmJTAG協議轉換器代碼下載速度、單步執行能力等各方面性能都接近ARM公司生產的Multi-ICE協議轉換器的性能。而EmJTAG支持USB接口協議與主機通信，在PC外圍接口簡化的今天，USB接口就大大方便了嵌入式軟件設計者的使用，同時價格上的優勢不言而喻的。該協議轉換器實現與現成調試器AXD的連接，而ARM公司擁有調試器AXD的知識產權。為實現一個完整的自主產權ARM嵌入式軟件開發工具鏈，還須完成的工作包括：自主產權編譯系統的實現，自主產權主機調試器的實現。筆者希望本文對ARM調試系統在國內的研究和推廣有所貢獻。

本文作者創新點：本設計選取內部集成USB模塊和數據傳輸協處理器（DTC）模塊的微處理芯片。USB模塊實現與調試器的通信，數據傳輸協處理器（DTC）模塊產生穩定高速的JTAG 時序信號。微處理器模塊和DTC 模塊封裝在同一個芯片里，這保證了微處理器模塊和DTC 模塊之間數據的快速傳輸。用封裝在一塊芯片上USB模塊、微處理器模塊和DTC 模塊實現EmJTAG 協議轉換器，以此協議轉換器為理論基礎的調試器非常方便、高速穩定和高性價比。

參考文獻：

[1] 楊峰，張根寶等，基于JTAG的ARM芯片系統調試，微計算機信息，2005年，11－2：87－89

[2] ST，ST72651 DTC Specification，Jan. 2002

[3] 馬忠梅等，ARM嵌入式處理器結構與應用基礎，北京航空航天大學出版社，2002年1月