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一种基于JTAG的CSoC在线调试器

作　者: 韩桂丽
导　师: 师恩培
学　校: 山东大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 片上调试驱动 JTAG 可配置系统芯片
分类号: TP311.52
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

在半导体业界,集成电路SoC (System on Chip,片上系统)成为目前主导的设计技术。SoC通常将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上,通过软硬件协同设计,使应用产品实现小型、轻量、低功耗、多功能、高速度和低成本。SoC集成度和复杂度的增大使测试难度和测试成本不断加大,使可测性/可调试性设计技术在SoC设计方法学中的重要性凸显,也促进了高效率和低成本的JTAG测试技术的标准化和广泛应用。SoC芯片流片后,系统的调试任务大部分集中在嵌入式软件调试,方便的嵌入式软件调试器是实现成功设计和加速上市的关键。CSoC (Configurable System on Chip,可配置SoC)是SoC实现技术中的一类。本文基于CSoC的硬件设计,设计并实现了一种基于JTAG的CSoC片上调试系统。针对市场需求,Agate Logic公司借助其APGA(Adaptable Programmable Gate Array,普适可编程门阵列)技术,在CSoC芯片中集成了高性能8051内核和FPGA (Field-Programmable Gate Array,即现场可编程门阵列)逻辑,使产品具备可编程特性的同时还能获得性价比上的优势。可以说,CSoC是一个可编程、可配置的嵌入式应用开发系统。在本课题中,目标机是Agate Logic公司内嵌高性能8051微控制器硬核的嵌入式系统CSoC,其调试接口为OCDS (On Chip Debugging System,片上调试系统),应用的调试标准为JTAG。宿主机安装业界广泛应用的Keil软件。从通用性与易用性等角度考虑,选择USB作为PC和调试器之间的连接方式。本课题的设计重点和难点是软件设计。为了方便软件代码的设计和维护,将软件划分为3个层次：Keil接口驱动层、USB驱动层和调试器固件层。调试器逻辑处理芯片选择福华先进微电子(FameG)的产品FS7805,本课题利用FS7805的APLIF (Advance Programmable Logic Interface,高效可编程逻辑接口)模块,透过软件来设定APLIF的传输特性,将APLIF模拟成JTAG波形信号控制接口,通过设计适合的波形描述符,利用芯片内部逻辑的命令方式实现调试信号的正确输出。本文中还尝试了另一种调试器的实现方法,即直接从PC推出JTAG逻辑。利用调试器内部的FIFO缓存数据,推出调试信号。论文中比较了两种实现方法的异同,从软件实现的角度认为直接从PC推出JTAG逻辑的方法更高效,移植性与可扩展性更好。在第七章对第二种方法实现的调试器从正确性角度进行了性能评估。本课题用较低的成本实现了软/硬件断点、单步、运行/停止、MCU复位、查看MCU寄存器、读取/修改外部存储器等调试功能,且调试的执行独立于MCU,保证了MCU运行的实时性,对其他SoC的设计具有一定的参考价值。

全文目录

中文摘要  10-12
ABSTRACT  12-14
第一章绪论  14-18
  1.1 课题的背景  14-15
  1.2 国内外发展现状  15-16
  1.3 课题来源及其研究意义  16-17
  1.4 本文主要研究工作和论文安排  17-18
第二章调试器系统架构  18-23
  2.1 嵌入式系统调试器综述  18-19
    2.1.1 交叉编译的概念  18
    2.1.2 调试器的基本分类  18-19
  2.2 系统整体架构设计  19-21
    2.2.1 系统框图  19-20
    2.2.2 调试主机  20
    2.2.3 调试器模块  20-21
    2.2.4 目标机模块  21
  2.3 软件分层  21-22
  2.4 实现功能  22
  2.5 调试原则  22
  2.6 本章小结  22-23
第三章调试器驱动设计  23-35
  3.1 Keil IDE  23-24
  3.2 Keil接口函数  24-32
    3.2.1 调试系统初始化  25-26
    3.2.2 AGDI地址表示  26-27
    3.2.3 存储器接口  27-30
    3.2.4 寄存器接口  30
    3.2.5 调试执行  30
    3.2.6 断点接口  30-32
  3.3 调试器接口函数  32-33
  3.4 调试器软件架构  33-34
  3.5 本章小结  34-35
第四章 JTAG协议与OCDS  35-49
  4.1 调试协议背景  35
  4.2 JTAG协议  35-43
    4.2.1 JTAG基本原理  35-38
    4.2.2 TAP控制器  38-40
    4.2.3 数据访问  40-42
    4.2.4 多器件测试及功能扩展  42-43
  4.3 OCDS  43-48
    4.3.1 OCDS结构  43-44
    4.3.2 调试接口  44
    4.3.3 JTAG指令寄存器  44-45
    4.3.4 Nexus访问  45-46
    4.3.5 特殊功能寄存器  46-48
  4.4 本章小结  48-49
第五章上位机驱动实现  49-62
  5.1 OCDS的控制  50-52
    5.1.1 Nexus寄存器读写  50-51
    5.1.2 Memory读写  51-52
    5.1.3 执行指令的实现  52
  5.2 调试器功能  52-59
    5.2.1 8051 Register控制  52-54
    5.2.2 各存储器操作  54-57
    5.2.3 Run/Step/Stop/Goto等实现  57-58
    5.2.4 软件/硬件断点  58-59
  5.3 USB驱动控制  59-61
    5.3.1 USB链接,检测,断开  59-60
    5.3.2 USB数据传输控制(读写)  60-61
  5.4 本章小结  61-62
第六章 FS7805固件与系统连接  62-73
  6.1 连接框图  62
  6.2 FS7805固件  62-71
    6.2.1 Command方式  64-69
    6.2.2 FIFO方式  69-71
  6.3 通信约定  71-72
  6.4 固件程序流程  72
  6.5 本章小结  72-73
第七章调试实现  73-79
  7.1 软件环境的建立  73-74
  7.2 硬件设置  74-75
  7.3 系统流程  75
  7.4 Keil调试  75-76
    7.4.1 开始调试  75-76
    7.4.2 复位/运行/停机/单步操作  76
  7.5 调试器性能评估  76-78
    7.5.1 两种方法分析与比较  76-77
    7.5.2 调试器性能评价  77-78
  7.6 本章小结  78-79
第八章总结与展望  79-81
附录  81-82
参考文献  82-85
致谢  85-86
攻读学位期间发表的学术论文目录  86-87
学位论文评阅及答辩情况表  87

一种基于JTAG的CSoC在线调试器

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