JTAG調(diào)試原理.ppt

1、JTAG調(diào)試原理,目錄,一、JTAG基本知識 1.1、什么是JTAG 1.2 、 JTAG的作用 1.3、 JTAG調(diào)試結(jié)構(gòu) 二、 JTAG的工作原理 2.1、兩個重要概念：邊界掃描和TAP 2.2、JTAG的狀態(tài)機(jī) 2.3、 ARM7TDMI內(nèi)核結(jié)構(gòu) 2.4、 JTAG掃描鏈結(jié)構(gòu)及工作過程 2.5、 EmbeddedICE-RT Logic的結(jié)構(gòu) 2.6、 EmbeddedICE的斷點(diǎn)/觀察點(diǎn)設(shè)置 三、 JTAG常用指令,一、JTAG基本知識,1.1、 什么是JTAG JTAG是Joint Test Action Group(聯(lián)合測試行動組)的縮寫，是IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)。 1.2 、

2、JTAG的作用 使得IC芯片固定在PCB版上，只通過邊界掃描便可以被測試。 1.3、 JTAG調(diào)試結(jié)構(gòu),（1）、DEBUG主控制器： 運(yùn)行有ARM公司或是第三方提供的調(diào)試軟件的PC機(jī)。如：ARM公司提供的ADS、LINUX下的arm-elf-gdb等。通過這些調(diào)試軟件，可以發(fā)送高級調(diào)試命令，如：設(shè)置/取消斷點(diǎn)，讀寫MEMORY，單步跟蹤，全速運(yùn)行等。,（2）、協(xié)議轉(zhuǎn)換器（Protocol converter） 負(fù)責(zé)將Debug主控端發(fā)出的高級ARM調(diào)試命令轉(zhuǎn)換為底層的ARM JTAG調(diào)試命令。 Debug主控端和協(xié)議轉(zhuǎn)換器間的介質(zhì)可以有很多種，如：Earthnet、USB，串口，并口等。 De

3、bug主控端和協(xié)議轉(zhuǎn)換器間的通信協(xié)議可以是ARM公司的ANGEL標(biāo)準(zhǔn)，也可以是第三方自定義的標(biāo)準(zhǔn)。典型的協(xié)議轉(zhuǎn)換器有：ARM公司的Multi-ICE，H-JTAG，JLink等。,H-JTAG運(yùn)行界面,J-Link的運(yùn)行界面,（3）、調(diào)試目標(biāo)機(jī) 系統(tǒng)的調(diào)試對象。典型的ARM7TDMI內(nèi)核的調(diào)試結(jié)構(gòu)：,二、JTAG的工作原理,2.1、兩個重要概念：邊界掃描和TAP （1）邊界掃描（Boundary-Scan）： 基本思想：在靠近芯片輸入/輸出管腳上增加一個移位寄存器單元（邊界掃描寄存器）。 正常狀態(tài)下，邊界掃描寄存器對芯片來說是透明的，所以正常的運(yùn)行不會受到任何的影響。,調(diào)試狀態(tài)下，邊界掃描寄存

4、器將芯片和外的輸入輸出隔離開，通過這些邊界掃描寄存器可以實現(xiàn)對芯片輸入輸出信號的控制。具體控制過程如下： 、輸入管腳：通過與之相連的邊界掃描寄存器把信號（數(shù)據(jù)）加載到該管腳中去。 、輸出管腳：通過與之相連的邊界掃描 寄存器“捕獲”該管腳上的輸出信號。,注意： 芯片輸入輸出管腳上的邊界掃描寄存器單元可以相互連接起來，在芯片周圍形成一個邊界掃描鏈。該鏈可以實現(xiàn)串行的輸入輸出，通過相應(yīng)的時鐘信號和控制信號，可方便的觀察和控制在調(diào)試狀態(tài)下的芯片。,（2）、TAP（Test Access Port） TAP是一個通用的端口，利用它可以訪問芯片提供的所有DR和IR。對整個TAP的控制是通過TAP Cont

5、roller來完成的。 TAP包括5個信號接口： TCK（Test Clock Input） JTAG時鐘信號位。標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制要求 TMS（Test Mode Select） 測試模式選擇，通過該信號控制JTAG狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)。TMS在TCK的上升沿有效。標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制要求,TDI（Test Data Input） 數(shù)據(jù)輸入口。所有要輸入到特定寄存器的數(shù)據(jù)都是通過TDI口一位一位串行輸入的（TCK驅(qū)動）。標(biāo)準(zhǔn)里強(qiáng)制要求 TDO（Test Data Output） 數(shù)據(jù)輸出口。所有要從特定的寄存器中輸出的數(shù)據(jù)都是通過TDO口串行的一位一位輸出的（TCK驅(qū)動）。標(biāo)準(zhǔn)里強(qiáng)制要求 TRST（Test Reset

6、Input） JTAG復(fù)位信號。標(biāo)準(zhǔn)里是可選的,2.2、JTAG的狀態(tài)機(jī),TAP共有16個狀態(tài)機(jī)，如下圖所示： 每一個狀態(tài)都有其相應(yīng)的功能。箭頭表示了所有可能的狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程。狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是由TMS控制的。,2.3、ARM7TDMI內(nèi)核結(jié)構(gòu),ARM7TDMI處理器結(jié)構(gòu)框圖：,ARM7TDMI處理器包括三大部分： ARM CPU Main Processor Logic 包括了對調(diào)試的硬件支持 Embedded ICE-RT Logic 包括一組寄存器和比較器，用來產(chǎn)生調(diào)試異常，設(shè)置斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)。 TAP Controller 通過JTAG接口來控制和操作掃描鏈,ARM7TDMI還提供了3個附加的信

7、號： DBGRQ ： 調(diào)試請求，通過把DBGREQ置 “1”，可以迫使ARM7TDMI進(jìn)入調(diào)試狀態(tài) DBGACK ：調(diào)試確認(rèn)，通過DBGACK，可以判斷當(dāng)前ARM7TDMI是否在調(diào)試狀態(tài) BREAKPT ：斷點(diǎn)信號，這個信號是輸入到ARM7TDMI處理器內(nèi)核的,2.4、JTAG掃描鏈結(jié)構(gòu)及工作過程,ARM7TDMI的框圖提供了3條掃描鏈： Scan Chain 0 113個掃描單元，包括ARM所有的I/O，地址/數(shù)據(jù)總線和輸入/輸出控制信號。此鏈很復(fù)雜，不易控制，但包含信息豐富，可通過它得到ARM7TDMI內(nèi)核的所有信息。 Scan Chain 1 33個掃描單元，包括數(shù)據(jù)總線和一個斷點(diǎn)控制信

8、號。,Scan Chain 2 38個掃描單元，通過控制EmbeddedICE宏單元，實現(xiàn)對ARM進(jìn)行指令的斷點(diǎn)、觀察點(diǎn)的控制。 其實還有個Scan Chain 3，ARM7TDMI可以訪問外部的邊界掃描鏈。只不過很少用，在此不做介紹。想了解可以看ARM7TDMI手冊。,一個典型的JTAG鏈:,JTAG掃描鏈的工作過程,2.5、EmbeddedICE-RT Logic的結(jié)構(gòu),通過對EmbeddedICE控制，以及通過對EmbeddedICE中寄存器的讀取，可以獲得ARM內(nèi)核的狀態(tài)，為程序設(shè)置斷點(diǎn)觀察點(diǎn)以及讀取Debug通信通道（DCC）。 這里的斷點(diǎn)用來標(biāo)識某個地址上的一條指令，而觀察點(diǎn)用來觀

9、察某個地址上的數(shù)據(jù)變化，所以這二者是有區(qū)別的。DCC用來完成主調(diào)試器和目標(biāo)機(jī)間的信息發(fā)送。,EmbeddedICE的結(jié)構(gòu)如下：,EmbeddedICE的長度是38位，包括： 32位數(shù)據(jù) 5位地址，訪問EmbeddedICE中的寄存器 1個讀寫控制位 EmbeddedICE的寄存器主要包括Debug狀態(tài)和控制寄存器，Debug通信寄存器和斷點(diǎn)設(shè)置相關(guān)的寄存器，如下圖所示：,EmbeddedICE的寄存器,EmbeddedICE寄存器格式及含義,Debug Control Register 格式： DBGACK：用來控制DBGACK信號的值 DBGRQ：是調(diào)試請求信號，通過將該信號置“1”，可以強(qiáng)

10、制ARM7TDMI暫停當(dāng)前的指令，進(jìn)入調(diào)試狀態(tài) INTDIS：用來控制中斷 SBZ/RAZ：任何時候都必須被置“0”,Monitor Mode Enable：用來控制是否進(jìn)入Monitor模式 EmbeddedICE-RT Disable：用來控制整個EmbeddedICE-RT，是啟用還是禁用 Debug Status Register 格式： DBGACK：用來標(biāo)識當(dāng)前系統(tǒng)是否處于調(diào)試狀態(tài)。1，表示進(jìn)入；0，表示未進(jìn)入。,DBGRQ：用來標(biāo)識DBGRQ信號的當(dāng)前狀態(tài) IFEN：用來標(biāo)識系統(tǒng)的中斷控制狀態(tài)：啟用 還是禁用 cgenL：用來判斷當(dāng)前對調(diào)試器在調(diào)試狀態(tài)下對內(nèi)存的訪問是否完成 TB

11、IT：該位用來判斷ARM7TDMI是從ARM 狀態(tài)還是THUMB狀態(tài)進(jìn)入到調(diào)試狀態(tài)的,Abort Status Register 格式：,該寄存器的長度為1，來判斷一個異常的產(chǎn)生的原因：斷點(diǎn)觸發(fā)？觀察點(diǎn)觸發(fā)？還是一個真的異常？,實例1：用Scan Chain 2 設(shè)置Debug Control Register,1）、 選擇掃描鏈2，將其連接到TDI，TDO 之間。具體過程如下： 通過TAP將SCAN_N指令寫入到指令寄存器當(dāng)中去， TAP狀態(tài)轉(zhuǎn)換如下：RUN-TEST/IDLESELECT-DR-SCAN SELECT-IR-SCAN CAPTURE-IR SHIFT-IR EXIT1-IR

12、 UPDATE-IR RUN-TEST/IDLE，在SHIFT-IR狀態(tài)下，將SCAN_N通過TDI寫到指令寄存器中去；接下來，訪問被SCAN_N指令連接到TDI,和TDO之間的掃描鏈選擇寄存器，通過將2寫入到掃描鏈選擇寄存器當(dāng)中去，以將掃描鏈2連接到TDI和TDO之間。將2寫入掃描鏈選擇寄存器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如下： RUN-TEST/IDLE SELECT-DR-SCAN CAPTURE-DR SHIFT-DR EXIT1-DR UPDATE-DR RUN-TEST/IDLE 在SHIFT-DR狀態(tài)下，將數(shù)值2通過TDI寫到掃描鏈選擇寄存器當(dāng)中去。 2）、將Scan Chain 2置為內(nèi)測試模式

13、用INTEST 指令實現(xiàn)該操作，指令寫入與SCAN_N指令的過程類似,3）、寫Debug Control Register 假設(shè)要將Debug Control Register的6位全部置“1”，按照掃描鏈2的格式，需要寫入到掃描鏈2第序列應(yīng)該為： 1,00000,0000,0000,0000,0000,0000,0000,0011,1111 1表示寫操作，00000標(biāo)識的是Debug Control Register的地址，中間32位是要寫入到Debug Control Register的數(shù)據(jù)。因Debug Control Register長度為6，所以只有低6位的數(shù)據(jù)序列111111有效。

14、,將上面長度為38位的序列寫入到掃描鏈2中，TAP狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程如下： RUN-TEST/IDLE SELECT-DR-SCAN CAPTURE-DR SHIFT-DR EXIT1-DR UPDATE-DR RUN-TEST/IDLE 在SHIFT-DR狀態(tài)下，通過38個TCK時鐘驅(qū)動，就可以將上面的序列串行輸入到掃描練2當(dāng)中去。在回到RUN-TEST/IDLE狀態(tài)后，Debug Control Register的值就會被改寫為111111。,EmbeddedICE有兩個WtchPoint單元。下面介紹一下WatchPoint寄存器的使用： EmbeddedICE的一個主要作用是可以在ARM程序

15、中設(shè)置軟件或硬件斷點(diǎn)。在EmbeddedICE中，集成了一個比較器，負(fù)責(zé)把ARM處理器取指的地址A31：0，數(shù)據(jù) D31：0以及一些控制信號與EmbeddedICE中WatchPoint寄存器中設(shè)置的數(shù)值相比較（具體說應(yīng)該是進(jìn)行與或運(yùn)算），比較結(jié)果用來確定輸出一個ARM斷點(diǎn)(BreakPoint)信號。具體運(yùn)算關(guān)系如下公式所描述：,2.6、EmbeddedICE的斷點(diǎn)/觀察點(diǎn)設(shè)置,Av31:0,Cv4:0 XOR A31:0,C4:0 OR Am31:0,Cm4:0 = 0 xFFFFFFFF 當(dāng)上述表達(dá)式值為真時，斷點(diǎn)/觀察點(diǎn)信號有效，ARM內(nèi)核進(jìn)入Debug模式。 ARM中斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)的設(shè)

16、置 首先介紹一下與之設(shè)置密切相關(guān)的WP Control Value/Mask Register。 WP Control Value/Mask Register格式：,WP Control Value/Mask Register格式含義：,ENABLE: 如果該位置0的話，意味著斷點(diǎn)觸發(fā)條件永遠(yuǎn)不成立，也就是把全部斷點(diǎn)都給disable掉了 RANGE: 暫時不會用 CHAIN: 暫時不會用 EXTERN: 外部到EmbeddedICE-RT的輸入，通過該輸入，可以使得斷點(diǎn)的觸發(fā)依賴于一定的外部條件 nTRANS: 用來判斷是在用戶態(tài)下還是非用戶態(tài)下，用戶態(tài)下：nTRANS = 0，否則nTRA

17、NS = 1,nOPC: 檢測當(dāng)前的周期是取指令還是進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問。nOPC=0，表示當(dāng)前周期進(jìn)行取指。 nOPC=1，表示當(dāng)前周期進(jìn)行普通數(shù)據(jù)的訪問。（該位用的較多） MAS1:0: 和ARM7TDMI的MAS1:0信號進(jìn)行比較，以探測當(dāng)前總線的寬度是8位、16位還是32位 nRW: nRW = 0, 當(dāng)前的是讀周期，nRW = 1，當(dāng)前的是寫周期,斷點(diǎn)設(shè)置的兩種方式： 1）、硬件斷點(diǎn)： 通過設(shè)置EmbeddedICE中的WP和地址相關(guān)的寄存器來實現(xiàn)的。通過該方式設(shè)置的斷點(diǎn)數(shù)受到WP數(shù)目的限制。因ARM7TAMI中僅有兩組WP，故最多可以設(shè)置兩個斷點(diǎn)。但是，硬件斷點(diǎn)可在任何地方設(shè)置不受存儲類型

18、限制。,2）、軟件斷點(diǎn) 通過設(shè)置EmbeddedICE中的WP和數(shù)據(jù)相關(guān)的寄存器來實現(xiàn)的。分為兩步： (1)、將data value和data mask設(shè)為ARM的未定義指令，通常是一個特殊的32位數(shù)字，如：0 xCDCDCDCD (2)、在需要設(shè)置斷點(diǎn)的地方將其內(nèi)容替換,為(1)中的特殊數(shù)字。這樣，一但程序運(yùn)行到該位置，嘗試從該位置取指令或者數(shù)據(jù)的時候，因為取得的數(shù)據(jù)值和WP Data Value寄存器的值相同，ARM7TDMI會暫停當(dāng)前的運(yùn)行，自動進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)。 由上所述，軟件斷點(diǎn)數(shù)目不受ARM內(nèi)核中WP數(shù)目的限制。但是，軟件斷點(diǎn)是通過替換系統(tǒng)斷點(diǎn)地址的指令實現(xiàn)的，所以，軟件斷點(diǎn)只能在可寫

19、的存儲器空間中設(shè)置，如：RAM。而不能在FLASH，ROM中設(shè)置。,總之，有兩個WP的ARM7TDMI內(nèi)核中，斷點(diǎn)設(shè)置有如下情況： 2個硬件斷點(diǎn)，沒有軟件斷點(diǎn)。 1個硬件斷點(diǎn)，任意個軟件斷點(diǎn)。 沒有硬件斷點(diǎn)，任意個軟件斷點(diǎn)。 觀察點(diǎn)設(shè)置： 將WP Address Value寄存器的值設(shè)置為需要觀察的地址，WP Address Mask寄存器的值設(shè)置為0 x00000000。將WP Data Mask寄存器的值設(shè)置為0 xFFFFFFFF。同時nPOC = 1。另外，,WP Data Value/Mask Register也用來設(shè)置觀察點(diǎn)，用以觀察某個地址的數(shù)據(jù)變化。每當(dāng)系統(tǒng)訪問（讀/寫）完被觀察地址的數(shù)據(jù)的時候，ARM7TDMI就會進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，這樣，我們就可以馬上檢查該地址上的