基于SOPC的M8051嵌入式调试器设计

摘要：调试器是嵌入式系统软件开发的重要工具。本文设计了一款基于USB接口并以SOPC方式实现的M8051嵌入式调试器。通过USB通信接口完成调试器与上位机的通信，保证较高的调试速度；以单独的FPGA芯片实现调试器的USB接口、调试命令解析以及JTAG时序生成等功能模块，简化系统设计的复杂度。经测试，该调试系统性能稳定、可靠。
关键词：JTAG；USB2．0；OCI；M8051调试器；SOPC；FPGA

引言
    在嵌入式系统开发过程中，上位机通过调试器完成对目标机软件的开发、下载、调试。早期的调试器与上位机之间通过串口或并口通信，存在速度慢、通用性差等缺陷。相比之下，USB接口优势明显，具备速度快、易插拔、支持多个调试器同时工作等优势。但目前的USB接口调试器一般采用USB芯片和可编程器件结合的实现方式，成本和复杂度较高。
    M8051是Mentor公司的嵌入式8051处理器，凭借良好的性能和功耗控制，占据了大量的SoC(System on a Chip)市场。该处理器集成了OCI(On-Chip Instrumentation，片上调试单元)来完成程序的调试。FS2公司设计的System Navigator是一款针对M8051的调试器，但该产品价格过于昂贵。本文通过研究M8051的调试结构，设计一款基于SOPC(System on a Programmable Chip)的M8051调试器，实现对M8051核心的高效、低成本的开发。

1 M8051片上调试技术的研究
1．1 典型的OCD调试系统
    目前，嵌入式调试领域的趋势是在MCU上集成一个专门用于调试的功能模块，并且提供一个专用接口开放给用户。用户通过该调试控制模块来实现停止／继续CPU的运行，并访问目标机上的各种资源，这就是OCD(On-Chip Debug，片上调试)技术。同时，JTAG作为应用最广泛的系统级测试技术，控制逻辑简单、实现方便，常作为片上调试模块的测试接口。
    一个完整的OCD调试系统通常包括调试主机、调试协议转换器(或调试器)、目标机三个部分。调试主机运行调试软件，并通过调试器与目标机相连；调试器将主机发出的调试命令和数据转换为基于目标机OCD模块和JTAG接口的调试数据；目标机的OCD模块接收到调试器发来的JTA G数据，完成对CPU的逻辑控制。典型的OCD调试系统如图1所示。

1．2 M8051的片上调试结构
    M8051核心的调试功能由其片上的OCI模块完成。OCI模块通过JTAG口与外部通信，其实现完全符合IEEE-1149．1。具体来说，TAP控制器接收一系列的JTAG边界扫描链读写时序，完成对扫描链上的IR和DR的读写。OCI模块内部的Tracc模块、Trigger模块和Dcbug模块根据IR和DR的内容，产生相应的控制信号给处理器，达到控制M8051处理器的运行或者读取处理器信息的目的。以上就是OCI模块的基本调试原理。M805 1OCI模块的体系结构如图2所示。

2 基于SOPC的M8051调试器的设计
2．1 调试系统的总体设计
    在研究了OCD测试技术和M8051片上调试结构OCI的基础上，本文提出了M8051调试系统的总体设计方案。该方案通过USB接口与上位机通信，调试器主体由一个FPGA芯片实现。其总体结构图如图3所示。

    上位机运行调试软件，将编译器的各种调试操作，通过调试接口函数转化为各种调试协议数据；再将这些调试协议数据通过底层通信模块发送给M8051调试器。本设计的底层通信接口是USB接口。编译器选择应用最为广泛的且具备开放调试接口函数AGDI的Keil C51编译器。
    M8051调试器本身主要由USB控制器模块、8051处理器和JTAG控制器模块组成。USH控制器在8051处理器的控制下接收来自上位机的调试协议数据；JTAG控制器模块负责将这些调试协议数据转化为基于OCI结构的底层调试命令集，并以JTAG边界扫描链读写时序发送出来。
    M8051目标机通过OCI模块的JTAG接口，接收M8051调试器发送的底层调试命令，完成对M8051目标机的调试，并将返回值通过JTAG接口送回M8051调试器。
2．2 调试器的硬件设计
    目前，市场上流行的基于USB接口的调试器，硬件一般以一个USB2．0控制芯片为核心，完成数据通信和调试协议数据解析，同时配置一个可编程器件实现JTAG边界扫描链读写时序。本文出于成本和系统复杂度的考虑，并结合FPGA的优势，创新地使用单独的FPGA芯片实现调试器的全部功能，简化电路板和系统设计，降低系统成本。硬件结构如图4所示。

    调试器的主要硬件包括：Xilinx公司高性价比的Spartan-6 FPGA，Flash配置芯片XCF04S，缓冲器芯片74LCX245作为JTAG接口的电气隔离及电源转换芯片。USB控制器、8051处理器、片内SRAM和JTAG控制器等功能模块均以IP核的彤式在FPGA上实现。USB控制器采用Mentor公司的MUSB全速(12 Mhps)控制器IP核，8051处理器采用Mcntor公司的M8051EW IP核。系统上电后，配置芯片自动完成对FPGA的配置，保证系统的非易失性。
    JTAG控制器模块是本系统硬件部分的核心模块。本文中JTAG控制器是基于M8051的OCI模块实现的，主要任务接收调试固件发送过来的调试协议数据，转化为OCI模块可识别的底层调试命令集，具体说就是一系列对于OCI模块的IR和DR的读写操作；再使用JTAG边界扫描链读写时序将这些底层命令发送给目标机。所以JTAG控制器模块分为两个部分：调试命令解析模块和JTAG边界扫描时序生成模块。JTAG控制器的结构如图5所示。

    以系统运行控制操作中的Halt8051操作为例，由OCI的结构可知，该操作由向OCI模块的IR中写入0x69来实现。在上位机中该操作的调试协议数据为0x0069。
    调试器固件在接收到来自上位机的调试协议数据后，将0x00和0x69分别写入调试命令解析模块的命令寄存器和数据寄存器。调试命令解析模块将该调试协议数据解析为向OCI的IR中写入0x69，即JTAG_CMD=IR，JTAG_Din=0x69；再由JTAG边界扫描时序生成模块产牛向IR写入0x69的JTAG时序。
   与传统的软件方法相比，由FPGA硬件实现调试命令解析和JTAG边界扫描时序牛成，不但减轻了调试器上的8051处理器的负担，而且有效提高了JTAG调试速度。
2．3 调试系统的软件设计
    本文中的软件设计分为两部分：PC端调试软件和调试器固件。两部分通过USB接口进行交互。具体的软件构架如图6所示。

2．3．1 PC端软件设计
    PC端调试软件由Keil C51编译器、AGDI调试接口函数和USB驱动程序三部分组成。通用的AGDI调试接口函数是独立于处理器体系结构的函数集，它将上层调试操作分别转化为独立于处理器的调试命令。一般来说，AGDI捌试接口函数实现的调试操作有以下儿类：系统运行控制、寄存器读写、存储器读写操作以及断点操作。
    AGDI调试接口函数设计是PC端软件设计的重点。主要工作是在通用AGDI接口函数的基础上，实现针对M8051处理器的调试接口，将来自编译器的调试操作转换为针对M8051的调试协议数据。本文中调试协议数据采用调试命令加上调试数据的形式。以系统运行控制操作中的Halt80 51操作为例：AGDI调试接口函数将Halt8051操作转化为基于M8051处理器的调试协议数据0x0069，即调试命令0x00和调试数据0x69。最后由USB驱动层将调试协议数据0x0069打包发送给调试器。
2．3．2 调试器固件设计
    调试器固件的功能分成两个方面：一方面是下行数据发送，在完成USB设备的枚举过程后，接收USB接口的调试协议数据，解析得到的调试命令和调试数据，再将调试命令和调试数据分别写入JTAG控制器模块的命令寄存器和数据寄存器；另一方面监控目标机的返回信息，并将返回信息通过USB接口发送给调试主机。
    本文中的软件部分主要负责调试协议数据的生成和传送，具体的调试命令解析和JTAG边界扫描时序的产生，全部由硬件实现，保证了调试效率的最大化。

3 M8051调试系统的测试
3．1 测试环境
    测试环境包括软件环境和硬件环境。软件环境包括Kell C51编译器和Xilinx ISE Design Suite；硬件环境包括PC机、本文开发的调试器电路板和基于M8051处理器的目标板。测试环境如图7所示。

3．2 调试系统的功能测试
    功能测试的项目主要包括：涮试开始／停止、单步运行、断点、读写寄存器、渎写存储器等。经测试，以上调试操作稳定可靠。以断点操作为例，断点操作是软件调试过程中最重要的手段之一，本文断点功能经测试完全可靠。测试结果如图8所示。CPU从PC指针为零处开始执行，到达断点地址0x0006处停止执行，并将处理器的最新状态更新到用户界面上。

3．3 调试器的主要参数
    本调试器采用USB2．0全速(12 Mbps)接口，调试器内部M8051处理器主频为48 MHz，JTAG协议数据收发速度达到8 Mbps。采用Spartan-6 xc6slx16 FPGA芯片实现，FPGA资源使用情况如下：可配置逻辑单元Slice1439个，占该资源总数的63％；嵌入式存储模块BLOCKRAM 144 KB，占该资源总数的14％；I／O接口数24个，占该资源总数的13％；时钟管理模块DCM 1个，占该资源总数的25％。

结语
    本文给出的基于USB接口、以单一FPGA芯片实现的M8051嵌入式渊试器系统，不仅突破了传统调试器的速度瓶颈，而且大大简化了系统的复杂度。经测试，本调试器系统能够高效地完成M8051处理器的软件开发，是一种易于被开发者接受的高性价比、实用的调试器方案。