基于SOPC的通用型JTAG调试器的设计

　　ARM7TDMIJTAGIPcore，仿真调试IPcore，需要自主开发。其内部逻辑用Verilog语言实现，然后按照Altera IPcore的标准编写IPcore描述文件，最后挂在三态总线上，完成全部调试功能。

　　TCK发生器，TCK脉冲产生逻辑，需要自主开发。它利用Nios的时钟生成TCK信号，作为时钟来驱动ARM7TDMIJTAGIPcore。它被做成一个小的功能模块，通过PIO与三态总线通信。

　　上述所介绍的IPcore使用Altera公司的开发工具Quartus II编译，最后下载到AlteraFPGA中。本系统使用的CPGA芯片是Cyclone系列的EPlCl2。该芯片包含12 060个逻辑单元，具有239 616位RAM，片上集成2个锁相环，最大用户I/O引脚达到249个。

　　该硬件结构很好地体现了SOPC的概念，所有的IPcore(包括Altera公司发布和自主开发的)集成在一片FPGA上。一个片上系统就基本包含了在线仿真器的绝大部分功能，任何硬件结构设计的变化都在该片FPGA上，这使得通用在线仿真器这个概念得以实现。对其他芯片在线仿真，只需更改ARM7TDMIJTAGIPcore模块，重新下载到FPGA中，便可以对另一种处理器芯片进行在线仿真。该IPcore用Verilog语言实现，保存为armjtag.v文件。通过Quartus II里的SOPCBuilder可以将该文件生成组件，再将其加入Nios系统中。器件引脚分配好后，就在Quartus II里全编译，最后生成ice.pof文件。将该文件通过编程器烧写到配置芯片EPCS4里面。这样硬件系统就完成了。

　　2.2 软件设计与实现

　　本系统的软件部分包括2个模块：一是PC端的开发调试界面，二是调试器里面的控制程序。2个模块通过TCP/IP协议通信。

　　PC端开发调试界面的主要功能是接收用户的调试命令，并显示调试结果。这是系统与用户进行交互的唯一方式。开发调试界面对上给用户提供统一的调试功能接口，对下给调试器提供统一的调试命令。本系统使用VisualC++开发。

　　调试器里的控制程序主要功能是将上层用户调试命令转换成特定的JTAG指令序列，并控制IPcore将其发送出去，同时接收JTAG反馈信息并发送回用户界面。本系统使用Nios IDE来开发。在Nios IDE的工程属性中加入LwIP和μC/OS组件。主程序首先初始化μC/0S，初始化LwIP协议栈，再启动μC/OS。所有程序控制放在μC/OS的OSStart()任务里。该任务首先建立一个套接字，然后在死循环中等待数据到来。当收到来自PC端的调试命令后，从数据包中分离出命令字和参数，将命令字转换成IPcore需要的调试命令，通过Avalon总线将其发送到IPcore，并等待IPcore工作完成。最后将IPcore传回的数据打包发回PC端。

　　目前提供的通用调试命令如表1所列。

　　在TCP/IP数据包中，有效数据为12字节。第1至4字节是命令代码，第5至8字节为命令参数1，第9到12字节为命令参数2。命令参数1和命令参数2是否有效取决于命令代码。主控制程序收到数据包后，将命令代码发往JTAG IPcore的指令端口地址，并根据命令代码向参数端口地址发送命令参数1。如果该命令代码需要命令参数2，则在下一个周期发送。

　　在SOPC的硬件系统设计中，所有的外设都是统一编址。将JTAG IPcore的指令端口地址和参数端口地址分别设置成0x00910850和0x00910860，端口位宽为32位。因此在程序里，往IPcore发送指令只需要往地址0x00910850写32位数据;往IPcore发送参数只需要往地址Ox00910860写32位数据。反馈数据端口地址设置成Ox00910870，端口位宽为32位。因此在程序里，读取JTAG反馈数据只需读取地址0x00910870的32位数据。

　　2.3 JTAG IPcore的实现

　　JTAG IPcore是本调试器的核心，下面简单介绍一下该部分的实现。

　　IPcore的接口如图3所示。

　　该IPcore的对外接口由两部分组成：一是与Avalon总线通信的接口部分，即图中的左边部分;二是与被调试CPU通信的接口部分，即图中的右边部分。另外，在整个实现中，定义了一些重要的寄存器。

　　“reg[3000：O]tms，tdo"分别用来存放完成当前操作的tms序列和tdo序列。像访问存储器这样的操作需要很长的tms序列和tdo序列，因此用了3001位。IPcore每次从这2个寄存器读取1位后，就向对应的引脚发送数据。tdi寄存器只用了134位，因为不是每个tdi输入对JTAG调试都有用。parmreg寄存器用来存放总线上传来的参数。tdidata寄存器用来存放从tdi引脚读取的有效数据，将被发送到Avalon总线。tdicolJnter寄存器用来对tdi输入数据计数。

　　Avalon总线上来的指令发送到ins[31：0]端口。在调试器主程序里判断指令，做出相应的动作。当IPcore读取到某个指令后，根据命令代码查找对应的TMS命令序列，找到以后将命令序列送到tms寄存器。同时，通过parm[31：O]端口读取命令参数，根据命令参数生成对应的TDO序列，将其送到tdo寄存器。当两个寄存器的内容准备好后，在TCK时钟的控制下，通过TMS引脚和TD0引脚分别串行输出。在TDO引脚输出的同时检测TDI引脚，并在适当时机将TDI引脚上的数据读入IPcore，经过处理后发送回总线。

　　由于TMS序列长度较长且其对应于各个调试命令是固定不变的，因此在本设计中，将TMS序列作成一个表，存放在IPcore里，而不是通过总线发送。需要时，根据不同的命令代码来读取。这样可以节约时间，提高调试速度。

　　结 语

　　本文介绍了一个基于SOPC的通用调试器的设计方案与实现过程。在开发过程中，IP复用、软硬件协同设计等先进的嵌入式设计思想对缩短开发时间、降低开发风险起到了很好的作用。同时，自主开发的ARM7TDMIJTAG IPcore和C8051 JTAG IPcore体现了该调试器的通用性。接下来还将推出基于ARM其他系列和PowerPC系列的IPcore，本调试器的应用价值将得到进一步提高。