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1、JTAG调试原理,目录,一、JTAG基本知识 1.1、什么是JTAG 1.2 、 JTAG的作用 1.3、 JTAG调试结构 二、 JTAG的工作原理 2.1、两个重要概念：边界扫描和TAP 2.2、JTAG的状态机 2.3、 ARM7TDMI内核结构 2.4、 JTAG扫描链结构及工作过程 2.5、 EmbeddedICE-RT Logic的结构 2.6、 EmbeddedICE的断点/观察点设置 三、 JTAG常用指令,一、JTAG基本知识,1.1、 什么是JTAG JTAG是Joint Test Action Group(联合测试行动组)的缩写，是IEEE1149.1标准。 1.2 、
2、JTAG的作用 使得IC芯片固定在PCB版上，只通过边界扫描便可以被测试。 1.3、 JTAG调试结构,（1）、DEBUG主控制器： 运行有ARM公司或是第三方提供的调试软件的PC机。如：ARM公司提供的ADS、LINUX下的arm-elf-gdb等。通过这些调试软件，可以发送高级调试命令，如：设置/取消断点，读写MEMORY，单步跟踪，全速运行等。,（2）、协议转换器（Protocol converter） 负责将Debug主控端发出的高级ARM调试命令转换为底层的ARM JTAG调试命令。 Debug主控端和协议转换器间的介质可以有很多种，如：Earthnet、USB，串口，并口等。 De
3、bug主控端和协议转换器间的通信协议可以是ARM公司的ANGEL标准，也可以是第三方自定义的标准。典型的协议转换器有：ARM公司的Multi-ICE，H-JTAG，JLink等。,H-JTAG运行界面,J-Link的运行界面,（3）、调试目标机 系统的调试对象。典型的ARM7TDMI内核的调试结构：,二、JTAG的工作原理,2.1、两个重要概念：边界扫描和TAP （1）边界扫描（Boundary-Scan）： 基本思想：在靠近芯片输入/输出管脚上增加一个移位寄存器单元（边界扫描寄存器）。 正常状态下，边界扫描寄存器对芯片来说是透明的，所以正常的运行不会受到任何的影响。,调试状态下，边界扫描寄存
4、器将芯片和外的输入输出隔离开，通过这些边界扫描寄存器可以实现对芯片输入输出信号的控制。具体控制过程如下： 、输入管脚：通过与之相连的边界扫描寄存器把信号（数据）加载到该管脚中去。 、输出管脚：通过与之相连的边界扫描 寄存器“捕获”该管脚上的输出信号。,注意： 芯片输入输出管脚上的边界扫描寄存器单元可以相互连接起来，在芯片周围形成一个边界扫描链。该链可以实现串行的输入输出，通过相应的时钟信号和控制信号，可方便的观察和控制在调试状态下的芯片。,（2）、TAP（Test Access Port） TAP是一个通用的端口，利用它可以访问芯片提供的所有DR和IR。对整个TAP的控制是通过TAP Cont
5、roller来完成的。 TAP包括5个信号接口： TCK（Test Clock Input） JTAG时钟信号位。标准强制要求 TMS（Test Mode Select） 测试模式选择，通过该信号控制JTAG状态机的状态。TMS在TCK的上升沿有效。标准强制要求,TDI（Test Data Input） 数据输入口。所有要输入到特定寄存器的数据都是通过TDI口一位一位串行输入的（TCK驱动）。标准里强制要求 TDO（Test Data Output） 数据输出口。所有要从特定的寄存器中输出的数据都是通过TDO口串行的一位一位输出的（TCK驱动）。标准里强制要求 TRST（Test Reset
6、Input） JTAG复位信号。标准里是可选的,2.2、JTAG的状态机,TAP共有16个状态机，如下图所示： 每一个状态都有其相应的功能。箭头表示了所有可能的状态转换流程。状态的转换是由TMS控制的。,2.3、ARM7TDMI内核结构,ARM7TDMI处理器结构框图：,ARM7TDMI处理器包括三大部分： ARM CPU Main Processor Logic 包括了对调试的硬件支持 Embedded ICE-RT Logic 包括一组寄存器和比较器，用来产生调试异常，设置断点和观察点。 TAP Controller 通过JTAG接口来控制和操作扫描链,ARM7TDMI还提供了3个附加的信
7、号： DBGRQ ： 调试请求，通过把DBGREQ置 “1”，可以迫使ARM7TDMI进入调试状态 DBGACK ：调试确认，通过DBGACK，可以判断当前ARM7TDMI是否在调试状态 BREAKPT ：断点信号，这个信号是输入到ARM7TDMI处理器内核的,2.4、JTAG扫描链结构及工作过程,ARM7TDMI的框图提供了3条扫描链： Scan Chain 0 113个扫描单元，包括ARM所有的I/O，地址/数据总线和输入/输出控制信号。此链很复杂，不易控制，但包含信息丰富，可通过它得到ARM7TDMI内核的所有信息。 Scan Chain 1 33个扫描单元，包括数据总线和一个断点控制信
8、号。,Scan Chain 2 38个扫描单元，通过控制EmbeddedICE宏单元，实现对ARM进行指令的断点、观察点的控制。 其实还有个Scan Chain 3，ARM7TDMI可以访问外部的边界扫描链。只不过很少用，在此不做介绍。想了解可以看ARM7TDMI手册。,一个典型的JTAG链:,JTAG扫描链的工作过程,2.5、EmbeddedICE-RT Logic的结构,通过对EmbeddedICE控制，以及通过对EmbeddedICE中寄存器的读取，可以获得ARM内核的状态，为程序设置断点观察点以及读取Debug通信通道（DCC）。 这里的断点用来标识某个地址上的一条指令，而观察点用来观
9、察某个地址上的数据变化，所以这二者是有区别的。DCC用来完成主调试器和目标机间的信息发送。,EmbeddedICE的结构如下：,EmbeddedICE的长度是38位，包括： 32位数据 5位地址，访问EmbeddedICE中的寄存器 1个读写控制位 EmbeddedICE的寄存器主要包括Debug状态和控制寄存器，Debug通信寄存器和断点设置相关的寄存器，如下图所示：,EmbeddedICE的寄存器,EmbeddedICE寄存器格式及含义,Debug Control Register 格式： DBGACK：用来控制DBGACK信号的值 DBGRQ：是调试请求信号，通过将该信号置“1”，可以强
10、制ARM7TDMI暂停当前的指令，进入调试状态 INTDIS：用来控制中断 SBZ/RAZ：任何时候都必须被置“0”,Monitor Mode Enable：用来控制是否进入Monitor模式 EmbeddedICE-RT Disable：用来控制整个EmbeddedICE-RT，是启用还是禁用 Debug Status Register 格式： DBGACK：用来标识当前系统是否处于调试状态。1，表示进入；0，表示未进入。,DBGRQ：用来标识DBGRQ信号的当前状态 IFEN：用来标识系统的中断控制状态：启用 还是禁用 cgenL：用来判断当前对调试器在调试状态下对内存的访问是否完成 TB
11、IT：该位用来判断ARM7TDMI是从ARM 状态还是THUMB状态进入到调试状态的,Abort Status Register 格式：,该寄存器的长度为1，来判断一个异常的产生的原因：断点触发？观察点触发？还是一个真的异常？,实例1：用Scan Chain 2 设置Debug Control Register,1）、 选择扫描链2，将其连接到TDI，TDO 之间。具体过程如下： 通过TAP将SCAN_N指令写入到指令寄存器当中去， TAP状态转换如下：RUN-TEST/IDLESELECT-DR-SCAN SELECT-IR-SCAN CAPTURE-IR SHIFT-IR EXIT1-IR
12、 UPDATE-IR RUN-TEST/IDLE，在SHIFT-IR状态下，将SCAN_N通过TDI写到指令寄存器中去；接下来，访问被SCAN_N指令连接到TDI,和TDO之间的扫描链选择寄存器，通过将2写入到扫描链选择寄存器当中去，以将扫描链2连接到TDI和TDO之间。将2写入扫描链选择寄存器的状态转换如下： RUN-TEST/IDLE SELECT-DR-SCAN CAPTURE-DR SHIFT-DR EXIT1-DR UPDATE-DR RUN-TEST/IDLE 在SHIFT-DR状态下，将数值2通过TDI写到扫描链选择寄存器当中去。 2）、将Scan Chain 2置为内测试模式
13、用INTEST 指令实现该操作，指令写入与SCAN_N指令的过程类似,3）、写Debug Control Register 假设要将Debug Control Register的6位全部置“1”，按照扫描链2的格式，需要写入到扫描链2第序列应该为： 1,00000,0000,0000,0000,0000,0000,0000,0011,1111 1表示写操作，00000标识的是Debug Control Register的地址，中间32位是要写入到Debug Control Register的数据。因Debug Control Register长度为6，所以只有低6位的数据序列111111有效。
14、,将上面长度为38位的序列写入到扫描链2中，TAP状态转换过程如下： RUN-TEST/IDLE SELECT-DR-SCAN CAPTURE-DR SHIFT-DR EXIT1-DR UPDATE-DR RUN-TEST/IDLE 在SHIFT-DR状态下，通过38个TCK时钟驱动，就可以将上面的序列串行输入到扫描练2当中去。在回到RUN-TEST/IDLE状态后，Debug Control Register的值就会被改写为111111。,EmbeddedICE有两个WtchPoint单元。下面介绍一下WatchPoint寄存器的使用： EmbeddedICE的一个主要作用是可以在ARM程序
15、中设置软件或硬件断点。在EmbeddedICE中，集成了一个比较器，负责把ARM处理器取指的地址A31：0，数据 D31：0以及一些控制信号与EmbeddedICE中WatchPoint寄存器中设置的数值相比较（具体说应该是进行与或运算），比较结果用来确定输出一个ARM断点(BreakPoint)信号。具体运算关系如下公式所描述：,2.6、EmbeddedICE的断点/观察点设置,Av31:0,Cv4:0 XOR A31:0,C4:0 OR Am31:0,Cm4:0 = 0 xFFFFFFFF 当上述表达式值为真时，断点/观察点信号有效，ARM内核进入Debug模式。 ARM中断点和观察点的设
16、置 首先介绍一下与之设置密切相关的WP Control Value/Mask Register。 WP Control Value/Mask Register格式：,WP Control Value/Mask Register格式含义：,ENABLE: 如果该位置0的话，意味着断点触发条件永远不成立，也就是把全部断点都给disable掉了 RANGE: 暂时不会用 CHAIN: 暂时不会用 EXTERN: 外部到EmbeddedICE-RT的输入，通过该输入，可以使得断点的触发依赖于一定的外部条件 nTRANS: 用来判断是在用户态下还是非用户态下，用户态下：nTRANS = 0，否则nTRA
17、NS = 1,nOPC: 检测当前的周期是取指令还是进行数据访问。nOPC=0，表示当前周期进行取指。 nOPC=1，表示当前周期进行普通数据的访问。（该位用的较多） MAS1:0: 和ARM7TDMI的MAS1:0信号进行比较，以探测当前总线的宽度是8位、16位还是32位 nRW: nRW = 0, 当前的是读周期，nRW = 1，当前的是写周期,断点设置的两种方式： 1）、硬件断点： 通过设置EmbeddedICE中的WP和地址相关的寄存器来实现的。通过该方式设置的断点数受到WP数目的限制。因ARM7TAMI中仅有两组WP，故最多可以设置两个断点。但是，硬件断点可在任何地方设置不受存储类型
18、限制。,2）、软件断点 通过设置EmbeddedICE中的WP和数据相关的寄存器来实现的。分为两步： (1)、将data value和data mask设为ARM的未定义指令，通常是一个特殊的32位数字，如：0 xCDCDCDCD (2)、在需要设置断点的地方将其内容替换,为(1)中的特殊数字。这样，一但程序运行到该位置，尝试从该位置取指令或者数据的时候，因为取得的数据值和WP Data Value寄存器的值相同，ARM7TDMI会暂停当前的运行，自动进入调试状态。 由上所述，软件断点数目不受ARM内核中WP数目的限制。但是，软件断点是通过替换系统断点地址的指令实现的，所以，软件断点只能在可写
19、的存储器空间中设置，如：RAM。而不能在FLASH，ROM中设置。,总之，有两个WP的ARM7TDMI内核中，断点设置有如下情况： 2个硬件断点，没有软件断点。 1个硬件断点，任意个软件断点。 没有硬件断点，任意个软件断点。 观察点设置： 将WP Address Value寄存器的值设置为需要观察的地址，WP Address Mask寄存器的值设置为0 x00000000。将WP Data Mask寄存器的值设置为0 xFFFFFFFF。同时nPOC = 1。另外，,WP Data Value/Mask Register也用来设置观察点，用以观察某个地址的数据变化。每当系统访问（读/写）完被观
20、察地址的数据的时候，ARM7TDMI就会进入调试状态，这样，我们就可以马上检查该地址上的数据。,实例2:读取通用寄存器R0的值（以下操作默认已进入调试状态）,1）、选择扫描链1 具体过程同选择扫描链2相同 2）、将扫描链1置为内测模式 3）、插入指令STR R0, R0 & BREAKPT = 0 这步相当于指令STR R0, R0的取指令周期（3级流水线） 4）、插入空指令MOV R0, R0 & BREAKPT = 0 这一步读取新指令MOV R0, R0，同时，相当于指令STR R0, R0的译指令周期（3级流水线）,5）、插入空指令MOV R0, R0 & BREAKPT = 0 这一
21、步，STR R0, R0指令处在第1个指令执行周期，在该周期，先执行地址计算 6）、通过扫描链1读出捕获数据总线上的数据 在这一步，指令STR R0, R0继续执行，指令STR R0, R0处在第2个指令执行周期。在这一步，寄存器R0的值会被放到数据总线上去，指令STR R0, R0执行完毕。所以，在这一步，从扫描链中读出的数据就是寄存器R0的值。,三、JTAG常用指令,指令名称 二进制代码 JTAG_EXTEST 0 x0 JTAG_SCAN_N0 x2 JTAG_SAMPLE_PRELOAD0 x3 JTAG_RESTART0 x4 JTAG_CLAMP0 x5 JTAG_HIGHZ0 x7 JTAG_CLAMPZ0 x9 JTAG_INTEST0 xC,指令名称 二进制代码 JTAG_IDCODE0 xE JTAG_BYPASS0 xF,谢谢大家,