（计算机应用技术专业论文）基于sopc的ice调试器设计与实现技术研究.pdf

基予s o p c 黪i c e 调试器设诗与实现技术研究 攘要 在线仿真器( i c e ) 是嵌入式微处理器开发系统的重耍组成部分， 是嵌入式系统开发鲍强大工具。本文所提出的针对a r m 7 处理器的在线 仿真器( i c e ) 是针对三星公司的a r m 7 处理器系列芯片仿真，遂种芯 片采用了a r m 7 t d m i 作为c p u 内孩，主要麟向家用电器及便携式电子 产品设计，广泛应用予音响等消费类产品中，a r m 7 处理嚣在线仿真器 的研制对a r m 7 处理器系列m c u 的应用开发具有熏耍意义。 本文详细介绍了a r m 7 处理器在线仿真器的研究与设计过程。该在 线仿真器具有下载、断点、单步运行、连续邋雩亍、谈写内存区域、对寄 存器和i o 端口操作等基本仿舆功能，基本仿真功能全部由f p g a 来实 现，并可根据实际需要对在线仿真器进行升级换代。文中，首先对嵌入 式开发系统和奁线仿真器迸幸亍了全面盼赍绍。然后对s o c 开发技术戳及 硬软件协同开发平台q u a r t j r s i i 进行介绍。再后，根据a r m 7 处理 嚣系弼m c u 静i c e 片上接口韦嚣准t a g ，提出了在线仿真器翰整体方案， 并叙述了硬件电路的设计过程，同时对仿真控制逻辑和功能软件的设计 爽琥避行了详缀的论述。该设计不仅疵霹了i pc o r es o p c 实凌技术，还 采用以太网实现宿主与i c e 通信，并在i c e 和目标机间专设串行通道提 袋罄显。魏矫，逐耀q u a r t u r s i i 软讳鼹傣翼控裁逻辑送行了寒存嚣传 输级的仿真与验证。最后，介绍了在线仿真器的测试程序和测试电路， 并绘窭英套令彷囊功能熬测试方法，蹇袋了溺试验谖， 正臻了本文掰提 出的a r m 7 处理器m c u 在线仿真器的设计方案是可行的。 本镑囊器在设诗逶穰中骞嚣大特魏，一怒采露豹蹩软硬件秘圈设诗 的方法，二是利用可编程片上系统( s o p c ) 技术来嶷现。 关键调：开发系统，在线傍豢器，a r m ，片上系统，j t a g ，n i o s 茔王i 婴曼整! 曼! 鬻照壁堡兰兰塞窭塑查黧塞 a b s t r a c t i c e ( i n - c i r c u i te m u l a t o r s ) i sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n t f o rt h ed e s i g n i n g o fe m b e d e ds y s t e m ，i t i sa l s oa s t r o n g t o o lf o r d e v e l o p i n g e m b e d e d s y e t e m t h ei c eo ft h i sp a p e ri s a i m e da tt h ea r mm u co fs u m s u n g i n c ，t h i sk i n do fc h i pa d o p t e dt h ea r m 7 t d m i a st h ec o r eo ft h ec p u 。i t u s u a l l yu s e dw i d e l yf o rt h ea u d i o p h i l ea n do t h e rc o n s u m p t i v ep r o d u c t ，s oi t i sv e r ys i g n i f i c a n tf o ru st os t u d yt h ei c ef o rt h es e r i e sc p uo f a r m w ei n t r o d u c e dt h es t u d ya n dd e s i g no f p r o c e s so ft h ei c ef o ra r m 7 s e r i e sc p ui nt h i sp a p e r t h ei c eh a st h eb a s e de m u l a t i n gp e r f o r m a n c eo f d o w n l o a d ，b r e a k p o i n t ，s t e p ，r e a da n dw r i t et h ea r e ao fm e m o r y , r e a da n dw r i t e t h er e g i s t e ra n di op o r t ，i ti sap o w e r e dt o o lf o ra p p l i c a t i o na n d d e v e l o p i n g w i t ha r m 7 p r o c e s s o r , t h es t r u c t u r eo fh a r d w a r ei sb r i e f , t h ec o s ti sl o w , a l l t h ep e r f o r m a n c eo f e m u l a t i n gr e a l i z i n gb yf p g a ，i ta l l o w e du su p d a t et h e i c e a c c o r d i n g t ot h e y o u r a c t u r a l n e c e s s i t y i n t h i s p a p e r ，a tf i r s t ，w e i n t r o d u c e dt h e s y s t e m o f d e v e l o p m e n t a n d i c e t h e n ，w e s t u d i e dt h e p l a t f o r mo fc o - d e s i g nf o rs o c ，t h i sp l a t f o r mi sq u a r t u r s l lw r i t e db ya l t e r a i n c f i n l l y , w ep r e s e n t e dak i n do fw h o l es c h e m ea n dh a v ec o m p l e t e dt h e d e s i g no fc i r c u i t ，m e a n w h i l e ，w ed e s c r i p t e de a c hp e r i o do ft h ed e s i g na n dt h e d e t a i li m f o r m a t i o no ft h eh a r d w a r ec i r c u i t t h ec o m m u n i c a t i o n w a y b e t w e e n i c ea n d t a r g e t a r er s 一2 3 2a n dj 强gi n t e r f a c ew h i c h i ss e r e i s c o m m u n i c a t i o n t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh o s ta n di c ei se t h n e ta n d p i o i na d d i t i o n ，w ev e d f i e da n de m u l a t e dt h ee m u l a t i n gl o g i cb yr e g i s t e r t r a n s f e rl a n g u a g e l a s to f a l l ，w ep r e s e n t e dt h et e s tp r o g r a ma n dc i r c u i tw i t h q u a r t u r s i i ，t h er e s u l to ft e s tp r o v et h a tt h ee m u l a t o rw ed e s i g n e di s f e a s i b l e 。 t h e r ea r et w oc h a r a c t o ro ft h i s i c e ，o n ei st h e a p p l i c a t i o n o f s o p c ，a n o t h e ri st h em e t h o do fd e s i g ni sc o d e s i g n ， k e y w o r d s ：d e v e l o p i n gs y s t e m ，i c e ，a r m ，s o c ，3 t a g ，n i o s 聃 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文怒本人在导师指导下进行的研究工 俸及取褥静研究成果。据我所稚，除了文串特别攘蔽标注和致滋盼地 方努，论文审不毽会其链大融垂至发袭或撰写过熬蒌舞究成果，也不氢含 为获得电子科技大学溅其它教育机构的学位或诚书而使用过的材料。 与我一间工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 磷的说锈并表示谢意。 熬名：丝建嗣期：细譬年；月7 目 关手论文使用授权的说明 零学位论文捧者宠全了解电子稀技大学骞关傈鏊、使雳擎篷诠文 的翘定，有权镍塑劳淘国家有关部f l 或帆梅送交论文的复印件秘磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 腑全都域部分内容编入有关数据霹进行检索，可戳采用影印、缩印或 翅箍等复赣手段僳存、汇缡学位论文。 具有很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统采用模块化软件结构 己，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保 护功能，同时也有利于软件诊断。 可扩展的处理器结构，以便能最迅速开发出满足应用的最高性能的嵌入 式微处理器。 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算 和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如功耗需要只有m w 和甚至 u w 级。 目前，嵌入式微处理器频率可以达到甚至有超过4 0 0 m h z 。嵌入式微处理器 以其高可靠性、高性能价格比向国民经济的各个领域渗透，在工业控制系统、数 据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用，并 已走入家庭，从洗衣机、微波炉到音响、汽车，到处都可见到嵌入式微处理器的 踪影。嵌入式微处理器的功能虽然很强大，但是它只是一个芯片，没有自开发能 力，必须借助专门的开发工具来编制、开发应用软件，以及对硬件电路进行诊断、 调试，所借助的仿真开发工具的优劣，将直接影响设计者的设计、调试工作的效 率。一般也把仿真、开发工具称为开发系统。下面简要介绍开发系统仿真以及开 发工具的基本概念。 苎王! 里! 竺竺! 曼! 塑述塑丝生兰壅翌苎查业塑一 1 1 课题背景 目前，嵌入式系统已经深入到人们日常生活的方方面面，嵌入式系统的应用领域 也越来越广泛，而且应用变得非常复杂。由原来单片机时代的单一任务的应用早已演 变成以嵌入式多任务操作系统为标志的多任务应用。这也给从事嵌入式系统的开发的 人员提出了更高的要求，因此，能提供一个强有力的嵌入式开发平台也就显得越来越 重要了。 1 1 1 开发系统 开发系统是计算机技术、仿真技术和逻辑分析技术综合应用的产物。它可以 提供软件开发、实时仿真调试、逻辑分析及性能分析等综合性和交互性的开发功 能。早期的开发系统与通用微型计算机系统无多大差别。它主要提供对软件开发 的支持，自从出现了在线仿真器之后，开发系统才真正具有名副其实的独立意义。 在线仿真器能够把开发系统的资源和调试功能直接扩展到目标系统中去。在调试 环境下，在线仿真器既属于开发系统，又属于目标系统无论在设计阶段，还是 在调试阶段，用户通过在线仿真器能够最大限度地调用开发系统所提供的资源。 在线仿真器通常被设计为开发系统的子系统或外部设备。对于每种类型嵌入式微 处理器的开发，都必须要有相应类型的在线仿真器。 7 1 1 2 在线仿真器 在线仿真器( i n _ c i r c u i te m u l a t o r s ，i c e ) 是嵌入式系统令域中用得最多的调 试器之一，它是一个用来设计其它计算机系统的计算机，它代替了物理目标机上 的处理器或m c u ，其表现与被代替的目标处理器完全一样，但它允许用户查看 处理器内部的数据或代码并控制c p u 的运行。【5 一般而言，i c e 对目标机处理系统的代替完全是物理上的替代，用户通常要 将目标机上的处理器物理的完全拔出，然后将i c e 的仿真探测器接口插入目标机 的c p u 插槽。在整个开发期间，目标机的c p u 就将完全被i c e 的仿真探测器盒 物理上的替代，因而目标机系统上的任何操作也将由用户通过i c e 主机的接口完 全监视和控制。当开发结束后，目标机软件硬件已经达到所预期的功能时，将不 再需要在线仿仿真器的调试功能，因此也就可以去除在线仿真器而将目标机上原 来的处理器重新插回。 基于s o p c 的i c e 调试器设计与实现技术研究 由于在线仿真器独特的技术实现途径一它完全代替了目标机上原来的处理 器，因此i c e 对目标机的访问是非干扰性的( n o n i n t r u s i v e a c c e s s ) ，也即在线仿 真器能够在不消耗目标系统上的任何资源的情况下( 例如：不消耗目标系统的堆 栈空间和内存空间、不影响目标系统的上的代码执行等) 查看目标机系统的内部 信息。正由于i c e 的这一特点，因此它除能提供普通调试器的基本功能外( 包括 检查和更改寄存器、内存单元，以及i o 等) 之外，还能提供一般调试器所不能 提供的调试手段。 有关在开发系统和线仿真技术的详细内容在第二章论述。 1 1 3 片上调试器 随着现代的微处理器封装越来越表贴化，仿真器探头的实现也就越来越困难 了，但是如果不能对微处理器实现探测，也就不能知道微处理器上正在执行的一 切操作细节信息，从而也就不能实现测试与调试的目的。另一方面，统计数据表 明，9 5 的调试过程中用户仅仅使用了简单断点，单步以及访问处理器资源内存 和外设等一些运行控制方面的基本调试手段。因此，一个自然的发展趋势是将实 时跟踪和运行控制分开来实现，而将运行控制放在c p u 核内由一个专门的调试 控制模块来实现，并用一个专用的串口信号接口开放给用户，用户可以通过c p u 内核的调试控制模块来实现停止继续c p u 的运行，并访问目标机上的各种资源 ( 包括寄存器内存和外设) ，这就是片上调试技术( o n c h i pd e b u g ，简称o c d ) 。 在o c d 接口中使用串行信号接口为了减少调试接口的引脚数目，而不用象在线 仿真探测器接口或逻辑分析仪那样要用到上百根线路去连接目标机。 摩托罗拉公司最早认识到o c d 技术这个发展趋势，并率先在6 8 3 x x 和 6 8 h c l 6 处理器上创造了b d m ( b a c h g r o u n gd e b u gm o d e ) 调试接口。随后，摩 托罗拉公司在它的c o l d f i r e 、p o w e r p c 等系列处理器中都使用了b d m 调试接口 技术。而m d s ，i n t e l ，t i ，i b m 和a r m 等则实现了基于j t a g ( j i o mt e s ta c c e s s g r o u p ) 标准的串行调试接口。尽管b d m 调试接口和j t a g 调试接口这两者在 实现细节上相差很远，但是从用户的角度看，它们都提供相似的调试功能，而且 它们的复杂程序也相差无几。由于j t a g 是i e e e 的国际标准，当前绝大多数c p u 厂商都用它来实现处理器的片上逻辑，因此，本文主要以a r m 处理器为例详细 计论基于j t a g 接口的片上调试技术。 1 2 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全统计，全 世界嵌入式处理器的品种总量已超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列。 现在几乎每个半导体制造商都在生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处 理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从6 4 k b 到4 g b ，处理器速度从 o 1 m i p s 到2 0 0 0 m i p s ，常用封装从8 个引脚到几百个引脚。根据其现状，嵌入 式计算机可分为下面几类。 1 2 1 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i 卜e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装 配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅 度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然 在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、成本、功耗、可靠性、 健壮性等方面和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成 本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括r a m 、r o m 、总线接口、各 种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器 及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，成为单板计算机。如p c i 0 4 、 s t d b u s 等。近年来，德国、日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒”式名 片大小的嵌入式计算机系列o e m 产品。嵌入式处理器目前主要有a m l 6 8 8 8 ， 3 8 6 e x ，s c - 4 0 0 0 ，p o w e r p c ，6 8 0 0 0 ，m i p s ，a r m 等系列。 1 2 2 嵌入式微黼j j m ( e m b e d d e d m j c r o c o n t r o l l e ru n i t - - e m c u ) 嵌入式微控制器又称嵌入式微处理器，就是将整个计算机系统集成到块芯 片中。嵌入式微控制器一般是以某一种微处理器为核心，芯片内部集成 r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时肼数器、w a t c h d o g 、i o 、串行口、 脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能和外设。为 适应不同的应用需求，一般一个系列的嵌入式微处理器具有多种衍生品，每种衍 生产品的处理器内核都是一样的，不同的是处理器的外设的配置和封装。与嵌入 式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和 成本下降，可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片 上外设资源比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。嵌入式微控制器目前的品 种和数量最多，具有代表性的通用系列包括8 0 5 1 、p 5 1 x a 、m c s 2 5 1 、 m c s 一9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 1 6 7 、m c 6 8 h c 0 5 1 1 1 1 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 等。另外还有许多半 通用系列：如支持u s b 接口的m c u s x c 9 3 0 9 3 1 、c 5 4 0 、c 5 4 1 ，支持 4 1 2 c ( i n t e r - i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 、c a n - b u s 、l c d 及众多专用m c u 和兼容系列。目 前m c u 占嵌入式系统约7 0 的市场份额。 1 2 3 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ， e d s p ) d s p 处理器对系统结构和和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算 法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面 d s p 算法正在大量进入嵌入式领域，d s p 的应用正从在通用嵌入式微处理器中 以普通指令实现d s p 功能，过度到采用嵌入式d s p 处理器。嵌入式d s p 处理器 有两个来源，一是d s p 处理器经过单片化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌入 式d s p 处理器，t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 1 c 5 0 0 0 等属于此范畴；二是在通用嵌入式 微处理器或s o c 中增加d s p 协处理器，例如i n t e l 的m c s - 2 9 6 和s i e m e n s 的 t r i c o r e 。推动嵌入式d s p 处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，例 如带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘， a d s l 接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都运算 量较大，特别是向量运算、指针线形寻址等较多，而这些正是d s p 处理器的长 处所在。嵌入式d s p 处理器比较有代表性的是德州仪器的t m s 3 2 0 系列和 m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。 1 2 4 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 随着e d a 的推广和v l s i 的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅 片上实现一个更为复杂的系统的时代已经来临，这就是s y s t e mo nc h i p ( s o c ) 。 s o c 是指以嵌入式系统为核心，集软、硬件于一体，追求产品系统最大包 容的集成器件。利用e d a 工具和硬件描述语言h d l ，根据产品的特定要求设计 性能价格比高的s o c ，是目前国际上广泛使用的方法。与传统的设计方法不同， 这种方法在设计开始阶段不需要具体的微控制器m c u 和开发系统以及带有外围 电路的线路板进行调试只需要由集成电路制造厂家提供的用h d l 描述的m c u 核以及各种外围器件的h d l 模块。各种通用处理器的内核将作为s o c 设计公司 的标准库，和许多其他嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中一种标准的器件， 用标准的h d l 语言来描述，存在器件库中。设计人员在e d a ( e l e c t r o n i c d e s i g n a u t o m a t i c ) 工具提供的虚拟环境下，不但可以编写和调试汇编程序，也可以用 h d l 设计、仿真、调试具有自己特色的快速算法电路和接口，并通过综合和布 线工具自动转换成电路结构，与制造厂家的单元库、宏库及硬核对应起来通过 基于s o p c 的i c e 调试器设计与实现技术研究 仿真验证后，即可投片制作专用的s o c 集成电路。这样除个别无法集成的器件 外，整个嵌入式系统的大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板 将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。目前s o c 已成为 微电子、计算机、电子设计自动化等学科相互交叉、融合、渗透的中心研究课题未 来s o c 将成为嵌入式应用的主要形态。 s o c 可分为通用和专用两类。通用系列包括i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e 、 m o t o r o l a 的m c o r e 、某些灿t m 系列器件、e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯片等。专用s o c 一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有 代表性的产品是p h i l i p s 的s m a r tx a ，它将x a 嵌入式微处理器内核和支持超过 2 0 4 8 位复杂r s a 算法的c c u 单元制作在一块硅片上，形成一个可加载j a v a 或 c 语言的专用的s o c ，用于公众互联网如i n t e m e t 安全方面。 1 2 5a r m 嵌入式处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高 性能、廉价、耗能f 氐的r i s c 处理器、相关技术及软件。技术具背隍能高、成本低和能 耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费教育类多媒体、d s p 和移动式应 用等。 a r m 将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和0 1 5 1 厂商，每个厂商得到 的都是一套独一无二的a r m 相关技术及服务。利用这种合伙关系，a r m 很快成为许多 全球性r i s c 标准的缔造者。 目前，总共有3 0 家半导体公司与a r m 签订了硬件技术使用许可协议，其中包括 i n t e l 、i b m 、l g 半导体、n e c 、s o n 、菲利浦和国民半导体这样的大公司。至于软件 系统的合伙人，则包括微软、升阳和m r i 等一系列知名公司。 a r m 架构是面向低预算市场设计的第一款r r s c 微处理器。 2 产品介绍 a r m $ 邑供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有产品均采 用一个通用的软件体系，所以相同的软件可在所有产品中运行( 理论上如此) 。典型 的产品如下。 c p u 内核 a r m 7 ：小型、快速、低能耗、集成式r i s c 内核，用于移动通信。 一a j 硼t t d m i ( t h u m b ) ：这是公司授权用户最多的一项产品，将a r m 7 指令集同t h u m b 扩展组合在起，以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入式i c e 调试技术 来简化系统设计，并用一个d s p 增强扩展来改进性能。该产品的典型用途是数字蜂窝 电话和硬盘驱动器。 基于s o p c 的i c e 调试器设计与实现技术研究 一- a r m 9 t d m i ：采用5 阶段管道化a r m 9 内核，同时配备t h u m b 扩展、调试和h a r v a r d 总线。在生产工艺相同的情况下，性能可达a r m 7 t d m i 的两倍之多。常用于连网和顶置 盒。 体系扩展 一t h u m b ：以1 6 位系统的成本，提供3 2 位r i s c 性能，特别注意的是它所需的内 存容量非常小。 嵌入式i c e 调试 由于集成了类似于i c e 的c p u 内核调试技术，所以原型设计和系统芯片的调试得 到了极大的简化。 微处理器 一a r m 7 1 0 系列，包括a r m 7 1 0 、a r m 7 1 0 t 、a r m 7 2 0 t 和a r m 7 4 0 t ：低价、低能耗、封 装式常规系统微型处理器，配有高速缓存( c a c h e ) 、内存管理、写缓冲和j t a g 。广 泛应用于手持式计算、数据通信和消费类多媒体。 一a r m 9 4 0 t 、9 2 0 t 系列：低价、低能耗、高性能系统微处理器，配有c a c h e 、内存 管理和写缓冲。应用于高级引擎管理、保安系统、顶置盒、便携计算机和高档打印机。 一_ s t r o n g a r m ：性能很高、同时满足常规应用需要的- 种微处理器技术，与d e c 联 合研制，后来授权给i n t e l 。s a ll o 处理器、s a l1 0 0p d a 系统芯片和s a l 5 0 0 多媒体处 理器芯片均采用了这一技术。 一a r m 7 5 0 0 和a r m 7 5 0 0 f e ：高度集成的单芯片r i s c 计算机，基于一个缓存式a r m 73 2 位内核，拥有内存和i 0 控制器、3 个d m a 通道、片上视频控制器和调色板以及立体 声端口；a p w 7 5 0 0 f e 则增加了一个浮点运算单元以及对e d od i o v f 的支持。特别适合电 视顶置盒和网络计算机( n c ) 。 1 3 研究目标 1 3 1 研究内容 从上面我们的论述中可以看出，本课题研究的内容如下： 1 、j t a g 技术的工作原理 2 、a r m 中j t a g 技术的使用，主要包括： 2 1 、设置取消断点 用户可以同时设置多个断点，用户程序执行到断点处时能够停下来，并且返回寄 存器和i o 端口状态信息供用户分析。当不需要断点时，可以取消断点，使用户程序 正常执行。 基于s o p c 的i c e 调试器醴计与实现技术研究 2 2 、对寄存器和i o 端口操作 用户可以查看寄存器和i o 端口的状态，并且可以修改寄存器和1 1 0 端口的内容。 2 3 、跟踪记录( t r a c e ) 在线仿真器要将用户程序运行的过程记录下来，在用户程序停在断点处后供用户 查看。 2 4 、单步运行 在线仿真器可以每执行完一条指令即停止程序运行，并且显示执行后的寄存器和 1 o 端口的状态信息。 2 5 、连续运行 在线仿真器可以连续执行用户程序，直到遇到断点时停止，并将寄存器和i o 端 口的状态信息反馈给用户进行分析。 2 6 、其它主要调试命令的实现 3 、研究软硬件协同设计技术在嵌入式系统开发中的应用 4 、研究基于s o p c 技术的原理，并f p g a 内实现基于n i o s 的仿真器 1 3 2 课题要完成的工作 1 完成在线仿真器的整体规划 在熟悉a r m t t d m i 内部结构、指令系统以及工作时序的基础上对在线仿真器进行整 体规划，找到仿真器各个仿真功能的实现方法，并完成硬件电路的设计。 2 完成仿真控制逻辑的设计 根据j t a g 仿真器的功能要求和a r m t t d m i 的内部结构对仿真控制逻辑进行模块划 分，并以a l t e r a 公司的3 2 位嵌入式处理器为核心组件，用v h d l 代码编写相应的仿真 命令的i pc o r e ( i n t e l l i g e n c ep r o p e r t yc o r e ) ，最后将所有的i p 集成在c y c l o n e 器件中形成s o c ( s y s t e mo nc h i p s 片上系统) ，进行仿真验证。 3 在f p g a ( f i e l dp r o g r a m a b t eg a t ea r r a y ) 中进行仿真逻辑验证 将在线仿真器的主要模块与n i o s 处理器集成在f p c - a 中，检测在线仿真器的各个 仿真功能是否正常。 薹量! 竺! 塑! ! ! 塑彗墅丝茎兰壅燮查堡塞 第二章嵌入式软件调试支持技术 开发系统就是稽采研制戳徽处纛机为基硝的系统( 莓标蓉统) 的通糟型设计和谲试 工具，即软件、硬件综合性研制工艇。运用开发系统设计、调试成功的目标系统最终 将不依藏予开发系统而独立工俸。 2 。 开发系统豹功链 开发系统应具鸯以下慕本功能： 1 编稔功能 单片投窭嚣上羧是一台没毒进 瀚程数微型诗冀枫，开发系绫黄蹙要簿决瓣裁是 如何编程问题。编程的方式有三种：机器语畜、汇编谣言和高级语言。 2 。撼镱动毙 开发系统必须殿有排锚功能。程序不会一次就完全编好，而经常需簧排错和修改。 3 ，仿囊凌髓 仿真就是通过仿真器的硬件和软件真实的模拟被开发应用系统的逐行。开发系统 不偿要谤蠢萃片瓤的e 您，逐髓彷蠢存储器莘拜i 0 瓣圈，氇癸仿真萃片祝中酝系统的 运行，还威使用户能最大限度的利用单片机的资源 4 程滓瑟纯功簸 它完成把调试好的程序固化到用户的程序存储器中去。 5 人枫信息交鬣功能 它包搔运行结熙显示、对运行的于预、人机对话和反汇编。不恩的开发系统都必 须舆备上述基本功熊，但对予一个较亮掇的开发系统避应具备：不占用用户单片机的任 何资源，包括内部r 枷、特殊功能寄存器，i o 端口、串雩亍端口、中断源等：提供给用户 足够的仿真r a m 空闷作为用户的程序存储器，并提供鼹够的仿真r 脒警间作为掰户的 数据存储器使用；有较齐全的软件开发工县，如配备有交叉汇编软件，将用户用汇编语 言编写的应糟程序生成可执行的蟊标文件：具有丰富斡予程序席，汇编霞寸连同用户设计 的程序一起编译成目标程序，装入仿真r a m 供调试和【围化：具有高级语蠢编译系统，用 户可以高级语言送行编程：萁有反汇编功髓，对目标程垮反汇编靛结栗可以打e p 袋存尺 磁盘等。 2 2 开发系统的组成 基于s o p c 的i c e 调试器设计与实现投球研究 一个完熬豹开发系统由硬件和软件两大部分组成，其典型硬件配黉如下图所示。 1 主处理机 它是开发系统豹核心，一般是由带监控程黪的单扳帆或者是出带有操作系统龅统 的徽计算机。开发系统的硬件动作和软件运行，都由它来控制。 2 。控铡食 控制台包括键盘和显示终端它魑实现人机对话的必备部件。操作人员可通过键 盘囊开发系统下达各转令。鑫令执行豹结果邋过显示终端显示出来，供操箨人嶷捡 查正确与否。 3 ，乡 存德器 通常指硬磁盘或软磁盘。主要是用来存放开发系统的系统软件和暂稃用户的应用 程_ | 葶。 4 打印机 在镶试软 孛静过程孛，辩常需要努鼙许多中闫痿意，疆经瓣翔应曩软 孛懿蔽簿赣 在。另外在用户最后开发工作完成时，为了整璎用户系统的资料，要打印用户程序清 单等。 5 在线仿真器( i n - c i r c u i te m u l a t o r ，简称i c e ) 程箨发系统上编掰应用程序君，一矮重要鹃工作藏楚调试穆滓，雨盈簸驽番在蕉 户环境中调试程序。在线仿真器就起这个作用。它为用户程序的调试提供运行环境， 定嚣栎硬 争( 瘸户释秽蛩与并发系统联系起来，後壤户零以在开发熬实际瓣标硬 警环境 下，仝面调试用户程序。 6 + e p r o m ( e l e c t r i c a l l yp r o g r a n m j a b l er e a d o n l ym e m o r y ，电哥编程只读存储 器) 编程器 在完成稔痔诱试赢，用户豁须把稳序帮固态数蕹写入e p r o 鹾中，使溺户祥税麟离 开发系统自己运行。e p r o m 编程器可以将已调试完毕的用户程序及固定数据从单片机 开发系统霉入e p r o m 。 7 开发系统软件 歼发系统袄俘，一般由编辑程序、汇编( 或缩i 睾) 程序及动态谪i i 濯序三部分缀成。 其中编辑程序和汇编稷序的运行并不需要在线仿真器的粥合，而幼态调试程序则娶与 在线仿真器配合才髓运行。 2 ，3 湃发系统懿分类 翳赘开发鬈绫豹 类比较多，但大致可以分为以下五类 基予s o p c 静 c e 调试嚣设诗与实现技术磺究 l 。软件模拟开发系统 这是一种完全依靠软件手段进行开发的系统。开发系统与用户系统在硬件上无任 俺联系。只惹在通耀规上醚置模拟开发软件即可对微处理器崴单片枫避行开发。该开 发软件可对微处理器的硬件结构、措令执 亍、运行状态等进行模拟。模拟开发系统的 最大缺点楚不能进行硬件部分的诊颛与实时在线仿真。 2 专用型与通用型开发系统 专用銎开发系统逶常只支持开发特定微处理器生产厂家鲮微处理器应用。遵用型 开发系统则可必支持多种微处理或荦片机的开发工作。通用嬲开发系统比专用型开发 系统在性女价格比上具有明显的优势，有缀强的竞争优势。 3 局部占用型与全透明型开发系统 局部占用型开发系统罴 蓦在绩粪时要占愿一零分羯户系绞资源，毯摇寄存嚣、存 储器、i 0 端口、中断源等，因此造成了“开发死区”，使用户对这部分被占用资源的 仿真秘调试无法进行。全逐爨型开殿系统雯g 楚使耀囊残抟系麴专f 1 硬 譬积软件系统， 通过接管目标c p u 去对用户系统进行开发。这种开发系统自铸了仿真时所需的全部资 源，因此没有“开发死区”，戆对备| f 孛复杂的用户系统进行完全的开发。 4 非交互式与众交互式开发系统 l # 交嚣式开发系统主要瞧售真爨构成，邋蘑于软孛嚣发王季# ，其傥点是价接毙比 较便宜，缺点是对硬件和安时系统戟、硬件综合调试能力较弱。 全交嚣式瑟发系统盘毯凑器、仿奏莓薅撰、逻辑分辑仪等多魏设餐稳戒，簸具 有很强的谯线仿真功能和逻辑分析功能一在交互式开发系统中，这些设备能同步工作 著糨互控制，因此爨蠢强大的软 孛开发髓力秘对实时黥统进行软、硬 譬综合键试戆力。 5 单机仿真型与多机仿真型开发系统 单辍傍真型开发系统与多规罄冀望开发系统载主要速菇g 奁子，蜃蠢爵 三l 运避多台 仿真器同时对用户系统上的多个目榕处理器戏单片机进行同步、实时仿真，而前者只 能擎独对冀中豹一令嚣标处理器或攀砖栏逮嚣绩真。 2 。4 开发糕统的结构 开发系统的结构一般分为两大类，即主从结构和单处理器结构 i 主扶结构 如图2 1 所示，该结构考题个她理器，主处理器控制所有的开发功能。开发系统 中软件是为主处理器编制的，主处璎器通常与从( 目标) 处理器不一样。从处理器与用 户样机的典型连接媲通过4 0 引脚的连接器( 引脚数随处理器的不同而变动) ，该器件将 基子s o p c 豹i c e 淫试嚣设计与实现技术醑究 主处避器和从处理器遘接起来。 此结构的优点是：当从处理器连续仿真时，主处理器可以用于编辑、汇编、工作： 主处理嚣的软 牛操终系统只霰簧编写一次，两且不管正在仿真的是什么型号的微处理 器，都能使用它：当要仿真的怒一个新的从处理器对，只需改变仿真探头郎可。 蔫并掰产群辘 图2 口1 主从结构 j 筵：结稳黪缺点是：存薅器刁涟续，瓣梵它被隧裹藏侉多块。这$ 独立豹总结续稳健 它磁某些系统中工作越来很困难。在慕些情况下，主从结构的价格高也是一个缺点。 2 。单吏毽器结构 如图2 3 2 所示，单处理器结构就是用一个处理器来完成系统操作和目标仿真。 系绕斑莲器骰嚣 譬事，& 技孬系统较黪势充当秘标楚理器。 该结构的优点是：结构简单，价格低廉。 该结祷秘绞熹是：系统软件隧霹标处理嚣的不丽舔需要改写，并且不是嚣有的存 储器都能使用。 图2 3 2 单处理器结掏 2 5 开发系统的发展趋势与在线仿真 2 , 5 。1 开发系统的发展趋势 基于s o p c 的i c e 调试器设计与实现技术研究 由于微处理器当前有两个发展方向：一个是向高速多位并行微处理器方向发展：另 一个是向多微处理器系统方向发展，构成集散控制系统、分布式系统、容错系统等多 机系统。因此开发系统也正围绕着这两个方向加速发展： 】越来越多的开发系统可支持1 6 位和3 2 位微处理器： 2 开发系统向着支持多微处理器系统的方向发展； 除了以上两个主要发展方向外，开发系统还应在以下几个方面有更大的突破：推出 全透明、高性能及高速度的仿真器：a n 强状态分析和逻辑分析能力，提高对用户系统的 软件、硬件综合测试能力：提供完善的软件支持：降低成本，使价格趋向合理化。 2 5 。2 在线仿真 在线仿真器是开发系统最重要的硬件组成部分，是开发软件和硬件最有效的手段 之一，在线仿真器的最原始概念诞生于i n t e l 公司的i c e 一8 0 ，这是种专用于位片式 处理机仿真的仿真器。i n t e l 公司以i c e - 8 0 首次在8 位微处理机领域旱提出了在线仿 真的概念，i c e - 8 0 支持微处理器8 0 8 0 微型计算机应用系统的仿真调试。 该结构的优点是：结构简单，价格低廉。 该结构的缺点是：系统软件随目标处理器的不同而需要改写，并且不是所有的存储 器都能使用。 嗣标 系统 图2 3i c e - 8 0 仿真器结构 仿真器有它自身的控制程序，它驻留在仿真器的固件内。i c e - 8 0 仿真器硬件本身 也是一台完整的微型计算机系统，其中包含了一个8 0 8 0 c p u ，它一方面能仿真运行用 户程序，另一方面要执行仿真器固件，控制仿真器的自身操作。i c e 一8 0 的数据通道如 图2 3 3 所示。 开发系统与仿真器之间通过控制模块交换控制和数据信息。开发系统里的仿真软 件把仿真启动时的初始参数设置在控制模块里，通过控制模块再传给仿真器。仿真运 行停止时，仿真器把仿真的数据传送给控制模块，以使开发系统能够知道仿真结果。 2 。5 2 1 在线仿真器的结构 在线仿真器的结构因微处理器和微控制器的结构不同而略有变化。在线仿真器的 典型结构如图2 口4 所示。基本模块包括：仿真存储器、断点控制器、存储映象控制器、 数据交换、控制单元和地址数据缓冲。目标处理器模块包括目标处理器和时钟发生器。 主机用于人机信息交互、程序输入、编辑、存储、显示当前被调试系统的信息和控制 调试过程。依靠这一结构，我们可以用相同的基本模块仿真不同型号的微处理器崩数 控制器，只需将目标处理器模块的处理器换成相应的处理器即可。 ll 一舞存i i l 脊l _ - l 地址| - l 目标处| l 数据i 。 醴曩纛1 - - | 攫存l h1 1 主帆l ：| 萎姜h 。 一瞬点羟 t ll 一制嚣 i l 对钟发生i li li - l 倒 一存健映i h 控h 墨 i 基本镶块群际处理嚣攥块 图2 0 4在线仿真器的基本模块 2 5 2 2 在线仿真器的功能 在线仿真器一般应该具有以下几种功能 1 断点功能 在线仿真器的一个重要功能是设置断点。在用户程序执行时，它能触发有条件的 间断，停止程序执行以便分析。断点功能对调试用户程序是极其有用的，用户在所希 望的程序点插入一个断点，使程序一直执行到断点处，通过检查处理器的寄存器或i o 端口，来查看执行的用户程序是否正确。当不需要断点时，即可将其删除，使程序正 常执行。 2 单步执行功能 在线仿真器在接上目标系统并进行仿真时，可以使仿真单步执行，即程序每执行 一步( 一步可以是一条指令，也可以是多条指令) ，即停止程序执行，并显示执行后的 寄存器内容与状态信息。单步执行功能有助于检查数据总线、地址总线、状态标志和 控制线的状态。通过对处理器状态的每一步检查，用户可以检测下列各类程序错误， 1 4 如不正确的转移，不正确的编址和错误的操作码等等。 3 连续执行功能 在线仿真器从当前地址开始执行，直到遇到断点时停止，并显示断点前程序运行 的信息，供用户分析。 4 跟踪( t r a c e ) 功能 跟踪功能是在线仿