嵌入式系统基础教程第04讲第3章嵌入式调试技术.ppt

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1、嵌入式系统原理与开发,第04讲 南京大学计算机系 俞建新主讲,第3章 嵌入式微处理器技术基础,本章主要介绍以下内容： 嵌入式处理器的调试技术 边界扫描测试技术JTAG,3.3 嵌入式系统调试技术,指令集模拟器 ROM仿真器 实时在线仿真 片上调试器与背景调试模式,基于Angle的调试方案 边界扫描测试技术和JTAG接口概述 Nexus调试标准 半主机调试方式,嵌入式系统调试技术概貌,嵌入式计算机调试基本结构 主机目标机结构 主机常常是PC平台 原因： 运算能力相对较弱 存储能力和显示能力较小 数据吞吐率较小 很难在目标程序运行的计算设备上直接进行硬件软件调试。,嵌入式系统调试技术概貌,8051

2、单片机 寻址范围：0000H FFFFH 容量64KB 地址长度：16位 片内数据存储器为8位地址，所以最大可寻址的范围为256个单元地址 DPTR是16位地址指针，寻址范围就可达到64KB keil C51,Keil C51的系统要求,主机和目标机之间调试信道,主机往往和目标机的体系结构不同。因此，需要有通信转换器对调试信息进行转换。,SDT（Software Development Kit ，软件开发工具包）介绍,ARM SDT包括一套完整的应用软件开发工具 *armcc ARM的C编译器，具有优化功能，兼容于ANSI C（American National Standards Insti

3、tute，美国国家标准学会）。 *tcc THUMB的C编译器，同样具有优化功能，兼容于ANSI C。 *armasm 支持ARM和THUMB的汇编器。 *armlink ARM连接器，连接一个和多个目标文件，最终生成ELF（ executable and linkable format ）格式的可执行映像文件 *armsd ARM和THUMB的符号调试器。,Keil简介,调试程序界面,Keil调试界面,Keil生成的hex文件（STC-ISP打开）,Hex文件和Elf文件都是程序汇编的产物。,3.3.1 指令集模拟器,指令集模拟器 ISS，Instruction Set Simulator

4、在一台计算机上模拟另外一台计算机上目标程序（机器指令）运行过程的软件工具 有时也叫做软仿真器 嵌入式系统开发的不可或缺工具,指令集模拟器的结构,指令集模拟器是一个纯软件系统 内部有一个反映目标处理器硬件的数据结构 以时序状态机的方式工作 可以根据目标机指令集定义执行目标指令 按照实现方法的不同指令集模拟器分为 解释型 编译型,解释型和编译型,编译型语言写的程序执行之前，需要一个专门的编译过程，把程序编译成为机器语言的文件，比如exe文件，翻译只做了一次，运行时不需要翻译，像C/C+、Pascal/Object Pascal（Delphi）等都是编译语言。 解释则不同，解释性语言的程序不需要编译

5、，解释性语言每执行一次就要翻译一次，效率比较低，解释是一句一句的翻译，如Java、JavaScript、VBScript、Perl、Python、Ruby、MATLAB 等等。,指令集模拟器的运行,指令集模拟器的操作界面与IDE （Integrated Development,集成开发环境）类似 模仿目标机的取指、译码和执行操作 将中间执行结果或者最终执行结果存入目标机映像数据结构 调试人员可以观察目标机映像寄存器或者映像存储器的单元，了解目标代码的执行结果 调试程序界面,指令集模拟器主要用途,指令集模拟器主要用在以下几种场合： 没有目标机开发板 有目标机开发板，但使用目标机开发板成本较高 调

6、试的程序模块不需要在实际开发板上执行，例如学习ARM汇编语言程序 模块代码的先行调试，以加快调试速度,流行的ARM指令集模拟器,有两种比较流行的指令集模拟器： ARMulator SkyEye 还有一些研究中的ARM指令集模拟器,ARM公司推出的ARMulator,ARMulator是业界著名的指令集仿真器 运行在PC平台上 ARM体系结构的指令集模拟器 集成在SDT 2.51（软件开发工具包）和ADS 1.2（ ARM Developer Suite ，全套的实时开发软件工具）上的插件 由四个部分组成：处理器核模型、存储器接口、处理器接口、操作系统接口。,指令模拟精度的级别,指令模拟精度有三

7、个级别 指令级 周期级 时序（节拍）级 ARMulator完全实现了指令级和周期级模拟精度，但是没有完全实现时序级精度。,指令集模拟器ARMulator对ARM程序运行 进行指令周期数统计的结果快照,Armulator的指令周期统计结果说明,SkyEye,一个ARM体系结构的嵌入式仿真和集成开发环境 国内开放源码的自由软件项目 运行环境：Linux平台和Windows的Cygwin（ cygwin是一个在windows平台上运行的Unix模拟环境） 能够仿真的CPU包括： 不带MMU（ Memory Management Unit，内存管理单元）的Atmel 91x40 带MMU的ARM720

8、T等 基于ARM7TDMI的内核 SkyEye还能够模拟其它一些硬件外设，如串口、网络芯片、内存、时钟等,指令集模拟器缺点,部分集成开发环境提供了指令集模拟器，可方便用户在 PC 机上完成一部分简单的调试工作，但是由于指令集模拟器与真实的硬件环境相差很大，因此即使用户使用指令集模拟器调试通过的程序也有可能无法在真实的硬件环境下运行，用户最终必须在硬件平台上完成整个应用的开发。,3.3.2 ROM仿真器,嵌入式系统的程序存储器为ROM（只读存储器）时，如果调试需要修改代码、设置断点及更新程序代码，就需要进行离线编程。 离线编程是一个费时间的工作，用RAM（随机存取存储器）替代ROM可以解决这个问

9、题 ROM(只读存储器)仿真器 用RAM（随机存储器）以及附加电路制成的替代ROM进行离线编程的工具 MCS-51单片机研发过程中常常使用ROM仿真工具,ROM仿真系统组成和结构框图,ROM仿真器原理,仿真器由两组RAM区，RAM1和RAM2区，分别被目标机和仿真器分别操作，隔离电路的动作是由仿真器CUP控制，仿真器CUP是听命于上位机指令。某一时刻仿真器CPU对应于RAM1区，目标机CUP对应于RAM2区，此时上位机可以对RAM1区的数据进行更改，而RAM2区作为目标机的ROM被使用；比如说两个RAM起始数据都为P3=0xFE，RAM1被上位机指令修改为P3=0xFF，此时的RAM2仍然被目

10、标机CUP控制，P3口输出为0xFE；,ROM仿真器原理,当上位机发出切换指令，仿真器接受此指令并且进行隔离切换，此时的仿真器CUP对应于RAM2（P3=0xFE），目标机对应于RAM1（P3=0xFF），所以目标机输出P3=0xFF，而ROM2将会继续做修改操作，直到下次切换信号到来。,ROM仿真器原理,为了避免目标机在取指或参数期间产生切换，采用 和 来进行控制。,ROM仿真器照片,支持各种51系列芯片的JY-E2300仿真器照片,3.3.3 实时在线仿真,实时在线仿真 ICE，In-Circuit Emulator 目前最为有效的调试嵌入式系统的手段 通过ICE的实际执行，开发者可以排除

11、人们难以发现的隐藏在设计方案中的逻辑错误。 ICE的另外一个主要功能是在应用系统中仿真微控制器的实际执行 优点是功能强大，软硬件均可以做到完全实时在线调试；缺点是价格昂贵。,在线仿真器,在线仿真器使用仿真头完全取代目标板上的 CPU ，可以完全仿真 ARM 芯片的行为，提供更加深入的调试功能。但这类仿真器为了能够全速仿真时钟速度高于 100MHz 的处理器，通常必须采用极其复杂的设计和工艺，因而其价格比较昂贵。在线仿真器通常用在 ARM 的硬件开发中，在软件的开发中较少使用，其价格高昂也是在线仿真器难以普及的因素。,3.3.4 片上调试技术,片上调试技术 OCD，On-Chip Debuggi

12、ng 嵌入式调试技术中运用最广泛的一种 片上调试是在CPU的内部嵌入额外的控制模块，即片上调试器；使得CPU的工作模式分为正常模式和调试模式。,常用的片上调试技术,目前常用的片上调试技术主要有三种： 背景调试模式 BDM，Background Debug Mode JTAG IEEE 1149.1 Nexus IEEE-5001 ISTO,背景调试模式,背景调试模式 Motorola（摩托罗拉）公司专有的片上调试器。 Motorola公司是第一个把片上调试器集成在处理器内核中的嵌入式微处理器厂商。 BDM首先在68300系列处理器上实现 现在在其他微控制器上得到应用,BDM与ICE的区别,传统

13、ICE调试时，使用ICE中的CPU来取代目标板中的CPU，目标板和ICE之间使用多芯扁平电缆连接。而ICE在使用时一般还需要与主机（一般是PC）连接。（ICE调试是可以完全取代目标板的CPU）。 在BDM调试方式下嵌入式处理器被停机，各种调试命令可以被发送到处理器中访问内存和寄存器。因此，满足BDM调试的微处理器内部已经包含了用于调试的微码（不是所有的芯片都可以用BDM调试的），调试时仿真器软件和目标板上CPU的调试微码通信，目标板上的CPU无需取出。（不完全取代）。,BDM的烧写及在线调试,BDM调试器内部有一个8位的MC9HC08JB16单片机，该单片机有USB接口，可与PC机信息交互。H

14、C08单片机和目标单片机间仅使用一根I/O线通信，这根相连的信号线名为BKGD。HC08单片机将BKGD置为输出，以串行发送命令，发送完成后转为输入，以接收信息。目标单片机收到命令后转为输出，根据调试器发来的命令回送信息，然后立即转入接收态。BDM工具以此方式实现目标单片机的在线调试、内部闪存的烧写等功能,BDM接口,虽然使用的是6引脚接插件，实际上有用引脚只有4个。其中BKGD连接到目标处理器的BKGD引脚，RESET连接到目标处理器的RESET引脚，GND是目标板的地信号，而VDD信号是来自目标板的电源信号。,BDM调试器与主机和目标开发板 之间的连接,3.3.5 基于Angel的调试方案

15、,Angel是ARM公司的调试监控程序 也称为调试代理 由多个程序部件组成 与传统调试监控程序相类似 驻留在目标机上 Angel接收主机上发送过来的调试命令，执行指定的调试操作，并将调试结果反馈回主机。 适用于各种ARM硬件平台。,调试监控程序/驻留监控软件,驻留监控软件（ Resident Monitors ）是一段运行在目标板上的程序，集成开发环境中的调试软件通过以太网口、并行端口、串行端口等通讯端口与驻留监控软件进行交互，由调试软件发布命令通知驻留监控软件控制程序的执行、读写存储器、读写寄存器、设置断点等。 驻留监控软件是一种比较低廉有效的调试方式，不需要任何其他的硬件调试和仿真设备。,

16、调试监控程序/驻留监控软件,ARM 公司的 Angel 就是该类软件，大部分嵌入式实时操作系统也是采用该类软件进行调试，不同的是在嵌入式实时操作系统中，驻留监控软件是作为操作系统的一个任务存在的。 驻留监控软件的不便之处在于它对硬件设备的要求比较高，一般在硬件稳定之后才能进行应用软件的开发，同时它占用目标板上的一部分资源，而且不能对程序的全速运行进行完全仿真，所以对一些要求严格的情况不是很适合。,3.3.6 边界扫描测试技术,边界扫描测试技术和JTAG接口是嵌入式系统最具特色的技术，一般情况具有两个功能： 1.测试芯片的电气特性，检测芯片是否有问题； 2.一类用于Debug,ARM处理器的JT

17、AG调试结构,ARM调试系统说明,调试系统一般包括3部分： 调试主机是运行软件调试器的计算机 例如ADW，ARM Debugger for Windows 调试主机允许发出高级命令，如设置断点或检查存储器内容。 协议转换器处理调试主机和ARM7TDMI处理器JTAG接口之间的通讯 包括调试主机发出的高级命令以及JTAG接口的低级命令。 一般通过增强型并行口进行连接。,ARM调试系统说明（续）,调试目标 ARM CPU主处理器逻辑：对调试有硬件支持。 嵌入式ICE-RT逻辑：这是用于产生调试异常(如断点)的寄存器和比较器的集合。 TAP控制器：用JTAG串行接口控制扫描链的动作。,2008年3月

18、14日,南京大学计算机系,47,3.4.3 ARM7TDMI扫描链布局,2008年3月14日,南京大学计算机系,48,ARM7TDMI内核扫描链结构,113位,38位,33位,2008年3月14日,南京大学计算机系,49,扫描链编号分配,2008年3月14日,南京大学计算机系,50,扫描链0,Scan Chain 0：有113个扫描单元，包括ARM核的所有的I/O、地址数据总线和输入输出控制信号。这条链上的信号复杂，不易控制，但是包含的信息丰富，可以通过这条链得到ARM7TDMI内核的所有信息。 从查询数据输入到输出，扫描链的顺序为： (1)数据总线位0-位31； (2)内核控制信号； (3)

19、地址总线位31-位0； (4)嵌入式ICE-RT控制信号。 嵌入式ICE-RT控制信号(特别是DBGRQI)首先被扫描输出。,2008年3月14日,南京大学计算机系,51,扫描链0单元,2008年3月14日,南京大学计算机系,52,扫描链0单元(续1),2008年3月14日,南京大学计算机系,53,扫描链0单元(续2),2008年3月14日,南京大学计算机系,54,扫描链1,扫描链1：有33个扫描单元，包括ARM核的数据总线和一个断点控制信号。这是一条很有用的链，通过控制这条链，可以控制ARM核执行指定的指令，从而实现对ARM的内部寄存器、协处理器以及外部存储器的读写操作。,2008年3月14

20、日,南京大学计算机系,55,扫描链1（续）,扫描链1的前32位用于数据值，加上在BREAKPT内核输入上的扫描单元。第33位有如下4个用途： 在正常INTEST测试条件下，允许将已知值扫描到BREAKPT的输入。 在EXTEST测试条件下，捕获从系统加到BREAKPT输入的值。 在调试期间，第33位的值决定在执行指令之前ARM7TDMI核是否同步回系统速度。 ARM7TDMI核进入调试状态后，该位第一次被捕获并被扫描输出。其值告诉调试器内核是否由断点(位33清零)或由观察点(位33置位)进入调试状态。,2008年3月14日,南京大学计算机系,56,扫描链2,Scan Chain 2共有38个扫

21、描单元，通过控制EmbeddedICE宏单元，实现对ARM执行指令的断点、观察点的控制。 从TDI到TDO的扫描链次序如下： 读/写； 寄存器地址位4-位0； 数据值位31-位0。,ARM处理器的实时JTAG仿真器 与开发板的连线图,2008年3月14日,南京大学计算机系,58,JTAG信号,TMS：测试模式选择（Test Mode Select） 通过TMS信号控制JTAG状态机的状态。 TCK：JTAG的时钟信号 TDI：数据输入信号 TDO：数据输出信号 nTRST：JTAG复位信号，复位JTAG的状态机和内部的宏单元（Macrocell）。,2008年3月14日,南京大学计算机系,59

22、,3.4.4 TAP控制器,TAP控制器内部有多个寄存器 测试数据寄存器 JTAG控制指令寄存器 旁路寄存器 ARM7TDMI器件识别码(ID)寄存器 扫描路径选择寄存器,2008年3月14日,南京大学计算机系,60,JTAG的TAP控制器结构,2008年3月14日,南京大学计算机系,61,JTAG接口的IC内部结构,2008年3月14日,南京大学计算机系,62,3.4.5 JTAG扫描链工作原理,JTAG扫描链由扫描单元组成 每一个被测试逻辑电路引出信号线同它的引脚之间配置一个扫描单元 每一个扫描单元的内部由两个D触发器和两个多路选择器组成 分别把逻辑电路输入输出线同引脚之间的穿越扫描单元的

23、电流方向成为横向，沿扫描单元串接线运动的电流方向成为纵向。 JTAG扫描链一共有四种操作：挂起、捕获、移位和更新。,2008年3月14日,南京大学计算机系,63,JTAG扫描单元构造,纵向,纵向,横向,横向,横向,四种操作: 挂起，移位，捕获，更新,2008年3月14日,南京大学计算机系,64,JTAG扫描链的组成,Logic,Pin,Pin,Pin,Pin,Logic,Logic,Logic,Logic,Pin,Pin,Logic,2008年3月14日,南京大学计算机系,65,JTAG处于挂起状态,横向直行,横向直行,如同扫描链不存在,2008年3月14日,南京大学计算机系,66,捕获JTA

24、G状态,当前引脚 信号的快照 存入扫描链,2008年3月14日,南京大学计算机系,67,移位数据,纵 向 直 行,此刻处理器的工作脉冲暂停,2008年3月14日,南京大学计算机系,68,移位结束,纵 向 直 行,此刻处理器的工作脉冲暂停,2008年3月14日,南京大学计算机系,69,数据更新,JTAG扫描链取代系统向处理器输入信号，并且替代处理器向系统输出信号。,实时在线仿真（ICE）与JTAG的区别,实时在线仿真系统的硬件主体是在线仿真器（ICE）。在8位单片机调试过程中，可以用这种ICE仿真器完全取代目标板上的MCU。因而目标系统对开发者来说完全是透明的、可控的。对16和32位的单片机还不

25、能做到完全取代。 JTAG调试在内嵌了IEEE 1149标准电路的CPU上进行，调试时不需要更换CPU。适用于8、16、32位的CPU。,英蓓特ARM仿真器的主要特征,下载速度达25KB/S； 支持主流开发环境ADS、 Embest IDE、 SDT； 支持各种ARM系列处理器； 支持标准的14/20针JTAG接口； 支持最多两个硬件断点/两个数据断点/不限数目的软件断点； 支持汇编级调试，支持ARM、THUMB及指令集交叉调试； 支持标准C语言程序调试； 支持Flash在线编程； 通过软件升级方式支持更高版本的ARM核处理器。,3.3.7 嵌入追踪宏单元ETM,跟踪追踪宏单元ETM 也称为跟

26、踪调试接口 ARM公司开发的一种高级实时软件开发调试工具，是ARM片上系统的一个组件。 在CPU运行过程中把现场信息捕捉压缩后输出，然后在PC端就可以对这些数据进行解压分析。,ETM嵌入跟踪宏单元,本质上ETM相当于一个嵌入芯片的逻辑分析仪,JTAG仿真器和ETM的功能区别,基于JTAG的仿真器debug方法是利用芯片内部的EmbeddedICE模块来控制内核，达到单步/断点等调试目的，这种方法的特点是需要把目标CPU停住后才能观察现场情况。在真正的实时系统中，停止CPU运行往往导致现场失真，ETM就能够在CPU运行过程中把现场信息捕捉压缩进行输出，然后在PC端就可以对这些数据进行解压分析；用

27、户还可以对ETM设置很多过滤及触发条件，对一些随即出现的异常进行捕捉（还能得到异常前后一段时间内的系统信息）。本质上ETM相当于一个嵌入芯片内部的逻辑分析仪。,3.3.8 Nexus调试标准,Nexus 5001论坛 飞思卡尔公司、福特汽车公司和风河公司等世界领先的嵌入式系统开发厂商于1998年成立了该论坛。 官方网址是：http:/www.nexus5001.org 属于IEEE工业标准和技术组织（IEEE-ISTO）的一个项目 目前已经有24个团体会员 该论坛提出的调试标准称为Nexus 调试标准,Nexus 5001论坛目标,Nexus 5001论坛追求提高实时可视性和多嵌入式处理器内核

28、的可控性 致力于提出一个在JTAG之上的全球范围适用的开放性嵌入式处理器调试标准 该技术标准被称为Nexus 5001标准，简称为Nexus标准,3.3.9 半主机调试方式,半主机的英文原文是“semihosting” 也称为半主机机制、半主机方式、半主机调试或者半主机调试方式。 目前的几种ARM调试器都支持的半主机调试功能。 半主机的实质是让不支持ANSI C函数库功能的目标系统使用调试主机提供的C函数库功能。 以下给出两张ADS集成开发环境的调试界面,ADS1.2 IDE的半主机方式界面,ADS1.2 IDE的主要工具窗口,英蓓特公司的ARM仿真器照片,JTAG实时在线协议转换器通常称为J

29、TAG调试器（或JTAG仿真器），由于ARM处理器广泛使用，通常也把ARM处理器的JTAG实时在线协议转换器称为ARM仿真器。,右面给出了深圳市英蓓特公司的ARM仿真器照片。,JTAG仿真器连接,JTAG仿真器连接比较方便，通过现有的JTAG边界扫描口与ARM CPU 核通信，属于完全非插入式(即不使用片上资源)调试，它无需目标存储器，不占用目标系统的任何端口，而这些是驻留监控软件所必需的。另外，由于JTAG调试的目标程序是在目标板上执行，仿真更接近于目标硬件，因此，许多接口问题，如高频操作限制、AC和DC参数不匹配，电线长度的限制等被最小化了。 使用集成开发环境配合JTAG仿真器进行开发是目前采用最多的一种调试方式。 可用于开发和调试包含JTAG接口的ARM电路板。,重点,指令集模拟器 实时在线仿真 片上调试器与背景调试模式 基于Angle的调试方案 边界扫描测试技术和JTAG接口概述 跟踪接口ETM 半主机调试方式,总结,不论什么调试方式，最后目的只有一个： 尽量模拟整个系统在工作时的状态。,Thank you,特别鸣谢：赵武老师，俞建新老师，孙德禄同学。,