基于USB的ARM仿真器的研究与设计

    基于JTAG仿真器的调试是目前ARM开发中采用最多的一种方式。大多数ARM设计采用了片上JTAG接口，并将其作为测试、调试方法的重要组成。JTAG仿真器通过ARM芯片的JTAG边界扫描口与ARM CPU核通信，实现了完全非插入式调试，不使用片上资源，不需要目标存储器，不占用目标系统的任何端口。由于JTAG调试的目标程序是在目标板上执行，使得仿真更加接近于目标硬件[1]。

    目前针对嵌入式系统开发的调试工具品种繁多，如ARM公司的AXD debugger软件与Mutil-ICE仿真器等。但是大部分嵌入式调试工具价格过高，因此设计实现一种速度快、性能稳定、价格低廉、易于实现的ARM调试工具是十分必要的。

1 ARM JTAG调试原理

    ARM典型的调试系统结构如图1所示。调试系统包括调试主机、仿真器和调试目标。

    调试主机是一台运行调试软件(例如ADS)的计算机。调试主机可以发出高层的调试命令，例如设置断点、访问内存等[2]。

    仿真器用来将调试主机发出的高层调试命令转换为底层的ARM JTAG调试命令。因为目标机无法识别调试主机发送来的高级命令，因此就需要仿真器将调试主机发出的高层调试命令转换为底层的ARM JTAG调试命令[3]。在整个调试系统中起到重要的作用，其性能也决定了整个调试系统性能。

2 方案设计

    本文提出了一种采用PHILIPS公司的ARM7芯片LPC2148设计，具有USB2.0通信方式、高速稳定的ARM仿真器实现方案，如图2所示。

    守护进程接收从IDE集成开发环境发送来的调试命令，将其通过USB总线转发到ARM仿真器，ARM仿真器再将调试命令转换成JTAG格式的信号并发送到I/O口，从而控制调试目标执行特定的操作，达到调试的目的。同理，从调试目标返回的数据，先经过ARM仿真器的译码，再经过守护进程返回到IDE开发环境，从而形成一个完整的调试系统。

3 硬件电路设计

    本设计的最大特点是采用了LPC2148作为主控芯片。该芯片内部集成了ARM7TDMI-S微控制器和完全兼容USB2.0的设备控制器，支持32个物理(16个逻辑)端点；支持控制、批量、中断和同步端点；所有端点都有一个双向的DMA通道。因为芯片内部集成了USB控制器，大大降低了电路板的设计难度和开发成本。其硬件电路框图如图3所示。

    (1)本机JTAG调试电路

    为了便于调试和烧写程序，将芯片LPC2148的JTAG接口接到一个20引脚的标准JTAG插口。本设计中使用引脚P0.8、P0.9、P0.10、P0.12、P0.14作为外部JTAG接口，尽量不用有其他接口功能的引脚，如P0.11、P0.14接口与I2C接口SCL1、SDA1功能复用，以便于将来的硬件升级。为了增强带负载能力，使用一片74HC244芯片，同时为了尽量兼容大部分ARM开发板上的不同JTAG插口，本设计提供了一个20引脚的JTAG插口和一个14引脚的JTAG插口。

    (2)USB电路(包括供电电路)

    USB接口电路如图4所示。为了使LPC2148的软件可以更灵活地控制USB设备与主机之间的连接，本接口电路使用P0.31(只能使用该引脚)来实现SoftConnect特性。当P0.31输出低电平时，D+线通过电阻上拉到VDD3.3，通知USB主机：USB设备与其建立连接；当P0.31输出高电平时，D+线断开与VDD3.3的连接，通知USB主机：USB设备已经断开与USB主机的连接。

    Q1选用的是P沟道MOS管，而不选用普通的PNP三极管，因为MOS管是电压驱动型，驱动电流几乎为0；而普通的PNP三极管是电流驱动，需要一定的驱动电流。导通时，P0.31_P17有可能被拉低，LPC2148要求该引脚在复位引脚为低电平期间不能被拉低，否则JTAG口将被禁止，因此必须选用P沟道的MOS管。LPC2148的P0.23引脚为USB设备控制器，用于检测USB总线是否插入检测引脚[4]。

4 仿真器固件程序设计

    仿真器LPC2148芯片中的固件程序实现的功能包括：通过USB与上位机软件进行通信，并将上位机发送过来的、经过封装的USB数据流转换为JTAG信号，并最终送到相应的引脚或者将相应引脚的数据经过封装后，通过USB传送到PC机中。图5为应用程序的流程图。

    主函数首先将作为JTAG接口使用的5个引脚设置成相应属性，并完成USB设备初始化，配置中断向量、开中断，然后进入无限循环函数。

    无限循环函数首先处理USB事件，如USB控制传输、USB总线复位等。然后判断标志位是否收到数据，如果未收到则继续执行无限循环；如果收到了数据，则将数据从端点缓冲区读出，再交给数据处理函数处理。数据处理函数按照上位机程序对数据封装方式进行解析，根据解析的命令(读取TDI、写TMS或TDO等)，通过分支处理跳到相应的处理函数。在这个过程中如果上位机要读取调试目标数据，可将相应的值按同样格式进行封装，然后通过USB发送到上位机。数据封装格式如图6所示。

    C语言定义的命令码如下：
    #define UNKOWN_COMMAND     0x00    //未知指令
    #define PORT_DIRECTION     0x01       //设置端口方向为输入或输出
    #define PORT_SET     0x02              //将JTAG端口的引脚都设为高电平
    #define PORT_GET         0x03         //读JTAG端口的引脚数据
    #define PORT_SETBIT  0x04          //设置JTAG端口的某一位为1，由DATA[0]中数据决定设置的具体位数
    #define PORT_GETBIT  0x05        //读取JTAG端口的某一位为1，由DATA[0]中数据决定读取的具体位数
    #define WRITE_TDI     0x06            //写TDI信号命令
    #define READ_TDO     0x07               //读TDO信号命令
    #define WRITE_AND_READ     0x08    //读写指令，对TDI写一位，对TDO一位
    #define WRITE_TMS         0x09          //写TMS信号命令
    #define WRITE_TMS_CHAIN 0x0A      //写TMS扫描链命令

    本仿真器经实际测试下载速度稳定在30 KB/s左右，具有单步、全速、设置断点(两个硬断点和无数软断点)等功能。本文提出了一种具有硬件电路设计简单、价格低廉、调试速度快的ARM仿真器设计方案，是取代传统并口方式ARM仿真器的一种确实可行的方案。