初步探討ARM調(diào)試技術(shù)

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在bootloader的深入學(xué)習(xí)中，深感調(diào)試的重要性。毛德操書中曾提過(guò)，在軟件開發(fā)的“生命周期”中，程序調(diào)試（debug）以及調(diào)試手段
的重要性是“怎么強(qiáng)調(diào)也不為過(guò)”的。誠(chéng)然，尤其是在bootloader這樣的底層軟件開發(fā)中，調(diào)試能起到的作用就更為突出了。下面進(jìn)行具體分析。
一、最簡(jiǎn)單的調(diào)試方法---狀態(tài)燈
   
一般地，在ARM開發(fā)板上總會(huì)留幾個(gè)Led燈，在開發(fā)bootloader或者學(xué)習(xí)不帶OS的程序編寫時(shí)，就要充分利用這幾個(gè)Led燈了。也就是說(shuō)，把
Led燈作為狀態(tài)燈。如果有n個(gè)可以自由支配的Led燈，那么可以表達(dá)2^n個(gè)狀態(tài)。比如，現(xiàn)在的EDUKIT-III實(shí)驗(yàn)箱上，有四個(gè)led，有
GPF[7:4]來(lái)控制，低電平點(diǎn)亮，高電平熄滅，電路就不必畫了，最簡(jiǎn)單的部分。在寫led燈的驅(qū)動(dòng)時(shí)，不妨采用查表法，把led的狀態(tài)做成一個(gè)表，這
樣在表達(dá)的時(shí)候要方便的多。這部分實(shí)驗(yàn)在前面已經(jīng)做過(guò)，ARM匯編和C版本都有，不再詳述。下面主要談幾點(diǎn)方法：
    ·把流程按照功能分為幾塊，在每塊的結(jié)束放一個(gè)狀態(tài)燈。這樣通過(guò)狀態(tài)燈可以顯示到了第幾個(gè)功能塊，一般要逐塊測(cè)試，放狀態(tài)燈后，加個(gè)死循環(huán)。
    ·利用條件判斷語(yǔ)句來(lái)進(jìn)行邏輯測(cè)試。比如有一個(gè)寄存器狀態(tài)，假設(shè)為register1，正常應(yīng)該是value1，那么就可以如下判斷：
               
               
               
if (register1 == value1) {
        led_state1; /* 設(shè)置燈狀態(tài)1 */
} else {
        led_state2; /* 設(shè)置燈狀態(tài)2 */
}
while (1) {
        ;
}
還有很多其他方法，不過(guò)核心還是靠自己的邏輯分析。
二、打印信息，輔助調(diào)試
   
這種方法在PC的程序調(diào)試中也比較常用。比如熟悉的printf，在Linux內(nèi)核的printk，不過(guò)這些都是打印到終端上。在嵌入式系統(tǒng)中則一般是沒(méi)
有終端的，特別是在bootloader階段，就是“裸機(jī)”啊。不過(guò)可以借助于這種思想，利用串口來(lái)實(shí)現(xiàn)打印信息（當(dāng)然，得有串口支持了。現(xiàn)在ARM一般
都會(huì)有UART外設(shè)，而且很常用的手段就是把一個(gè)rs232串口作為debug口）。在bootloader階段，可以利用狀態(tài)燈法先簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)一個(gè)串口
驅(qū)動(dòng)程序，可以采用簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式，只實(shí)現(xiàn)查詢發(fā)送就可以了。這樣，就可以需要了解的信息，通過(guò)debug口來(lái)輸出到相應(yīng)的串口調(diào)試助手上。根據(jù)這些信
息，來(lái)確定程序問(wèn)題所在，從而盡快排除故障。
    這種方式就是串口作為底層來(lái)實(shí)現(xiàn)的printf，在ARM中應(yīng)用比較廣泛。在C語(yǔ)言中，可以通過(guò)一個(gè)調(diào)試開關(guān)開控制發(fā)行版/調(diào)試版，如下所示：
#define DEBUG
//#undef DEBUG
#ifdef DEBUG
    uart_printf("debug info\n");
#endif
三 現(xiàn)代調(diào)試技術(shù)
   
調(diào)試的基礎(chǔ)是檢測(cè)，而檢測(cè)有“無(wú)損（non-intrusive）”和“無(wú)損（intrusive）”之分。理想的檢測(cè)手段應(yīng)該是不使被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)（包
括時(shí)序）因此而造成任何改變，否則測(cè)到的數(shù)據(jù)就不準(zhǔn)確了�？墒�，嚴(yán)格意義上的無(wú)損檢測(cè)不可能實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)際上是“測(cè)不準(zhǔn)”的。人們所能做到的只是盡量減少
對(duì)被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)改變，將誤差減少到可以接受的程度。這還是比較容易理解的。不過(guò)原來(lái)看ARM資料的時(shí)候，調(diào)試手段一大堆，但是都沒(méi)有深刻的印象，以致于
以前還一直在懷疑，為什么下載的jflash-s3c2410，不能通過(guò)仿真器下載呢？現(xiàn)在想想，其實(shí)對(duì)于什么是調(diào)試器，什么是仿真器，調(diào)試的模型是什么
都是非常模糊的，所以下決心首先從概念上理解調(diào)試模型。之后隨著技術(shù)深入，可以逐步深入理解調(diào)試技術(shù)。
    現(xiàn)代調(diào)試技術(shù)大致可以歸為指令級(jí)仿真調(diào)試和硬件仿真調(diào)試兩種。
1 指令級(jí)仿真調(diào)試
   
我想這個(gè)比較容易理解。指令集仿真調(diào)試屬于純軟件仿真，比如ARM公司的ARMulator。因?yàn)橛械臅r(shí)候嵌入式軟件的開發(fā)需要在目標(biāo)系統(tǒng)（硬件）并不存
在的條件下進(jìn)行，所以需要這種通過(guò)軟件來(lái)模擬目標(biāo)系統(tǒng)的CPU。現(xiàn)在有個(gè)開源項(xiàng)目skyeye，也是這樣一個(gè)指令級(jí)仿真調(diào)試工具。這一系列的軟件以數(shù)據(jù)結(jié)
構(gòu)來(lái)模擬目標(biāo)機(jī)CPU中各個(gè)寄存器和其他資源，以及目標(biāo)系統(tǒng)的有關(guān)資源（比如內(nèi)存等），并且通過(guò)軟件模擬，即逐條指令地解釋執(zhí)行目標(biāo)機(jī)可執(zhí)行映象中的程
序。例如，“mov r1,
#0”，就代表往寄存器r1的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中寫0，如此。模擬執(zhí)行的速度當(dāng)然慢一些，但是可以驗(yàn)證邏輯，在某些條件下是一種重要的手段。
2 硬件仿真調(diào)試
    這才是探討的重頭戲。在這里，就要從歷史的角度去看一下了。
   
從前的時(shí)候，元器件的面積和pcb的面積普遍較大，pcb板的層數(shù)較少，并且元器件只是安裝于pcb的一面，也就是單面板。這樣調(diào)試并不困難，加工工藝不
復(fù)雜。pcb的加工制造者可以專門為具體的pcb配套制造用于測(cè)試的模板。模板上有許多觸針，將pcb板和配套的測(cè)試模板疊在一起，模板上的觸針正好與
pcb“焊接面”許多監(jiān)測(cè)點(diǎn)接觸，從而可以監(jiān)測(cè)pcb板上各點(diǎn)的邏輯電平及其變化。另一方面，pcb板的“元件面”也可以方便的將示波器或邏輯分析儀的探
針連接到元器件的引線上。還有，當(dāng)時(shí)的許多芯片，像cpu一類的大規(guī)模芯片，都不是直接焊接在pcb上，而是采用芯片插座。這樣就可以作出特殊插頭，冒充
芯片插到其插座，而用外部的儀器來(lái)“仿真”這種芯片（通常是cpu）在整個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)中的作用和運(yùn)行，就是“在線仿真ICE（In-Circuit
Emulation）”。無(wú)論對(duì)于軟件還是硬件，ICE在當(dāng)時(shí)都是一種非常有效的開發(fā)/調(diào)試手段。我在本科時(shí)用的51單片機(jī)，但是就是采用ICE，記得有
個(gè)仿真頭，插到插座上。ICE還有一種方式，就是使用真實(shí)的cpu芯片，可以用特制的插頭騎到芯片背上，以監(jiān)測(cè)芯片的各條引線上的邏輯電平。
    可以隨著pcb板和元器件的面積越來(lái)越小，pcb板層數(shù)也越來(lái)越多，特別是“表面貼焊”式芯片的出現(xiàn)打破了元件面和焊接面的劃分，并且直接將芯片的引線焊接（而不是穿透），在pcb上，以前的那些手段都用不上了。
   
在到后來(lái)，“集成電路級(jí)”向“集成系統(tǒng)級(jí)”發(fā)展，現(xiàn)在的芯片大多是SoC，原有的測(cè)試手段就更用不上了。這些芯片設(shè)計(jì)者都是重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。專業(yè)上成為
DFT（design-for-test，可測(cè)試性設(shè)計(jì)），也就是在設(shè)計(jì)一款SoC，必須要考慮它的可測(cè)試性能。另外，為什么要在對(duì)資源要求比較苛刻的情
況下，把調(diào)試電路集成到SoC中，看似矛盾，實(shí)際上，SoC集成調(diào)試電路已經(jīng)成了普遍的共識(shí)：只有這樣，才能減少調(diào)試成本，方便開發(fā)者進(jìn)行調(diào)試，從而吸引
開發(fā)者選擇使用SoC。如果沒(méi)有良好的調(diào)試手段，我想很少有開發(fā)者會(huì)選擇使用的。好了，現(xiàn)在介紹調(diào)試檢測(cè)技術(shù)�，F(xiàn)在比較成熟的技術(shù)有如下四種：
    ·Ad-hoc test
    ·Scan-based test
    ·Build-in-self test
    ·Boundary-scan test
    因?yàn)椴皇菍�業(yè)研究這個(gè)方向，對(duì)這四個(gè)測(cè)試技術(shù)的區(qū)別也沒(méi)大有必要深究�，F(xiàn)在重點(diǎn)來(lái)看第四種技術(shù)，Bounary-scan
test，即邊界掃描技術(shù)。ARM普遍采用了邊界掃描技術(shù)，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為IEEE
1149.1，簡(jiǎn)介原來(lái)的文章也談到過(guò)了，就不必多說(shuō)了。關(guān)于JTAG，它的作用主要有如下兩個(gè)方面：
   
·映象的下載。嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)，在Host上完成目標(biāo)映象之后，要在“裸機(jī)”上實(shí)現(xiàn)第一個(gè)程序的“自舉”下載固化到flash中，就需要通過(guò)
JTAG接口下載。當(dāng)然，完成bootloader之后，也可以采用JTAG接口下載，另外也可以采用USB或者TFTP下載。后續(xù)的下載方式就多了。但
是現(xiàn)在看來(lái)，“自舉”下載方式還是比較單一的，ARM一般還得依賴于JTAG接口下載bootloader。
   
·軟件（以及硬件）的調(diào)試。更重要的是，目標(biāo)系統(tǒng)的調(diào)試也要在宿主機(jī)的控制/輔助下進(jìn)行，而JTAG接口為宿主機(jī)與目標(biāo)系統(tǒng)之間的通信、控制提供了重要的
手段�！镜�是需要注意的是，這并不是絕對(duì)的。通信手段倒是還可以借助于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，調(diào)試也可以通過(guò)gdb遠(yuǎn)程串口調(diào)試。這里的意思是，它是當(dāng)前采用的調(diào)試的
一種重要的手段�！�
    現(xiàn)在可以分析基于JTAG技術(shù)的ARM Debug Architecture。下面給出一個(gè)結(jié)構(gòu)圖：
    ·Debug Host
    ·    Protocol converter
    ·        Debug Target
    也就是ARM Debug Architecture分為三層，這也可以認(rèn)為是一個(gè)完整的調(diào)試系統(tǒng)。當(dāng)然這是理論上的劃分，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中也可以在形式上有所變通。下面先解釋一下這三層結(jié)構(gòu)。
    ·Debug Host
    Host computer running ARM or third party toolkit.
    這是調(diào)試系統(tǒng)的Host前端。也就是我們常見(jiàn)到的IDE的debugger，比如ARM提供的ADW（ARM Debugger
for Windows，相應(yīng)的unix版本為ADU，即ARM Debugger for
Unix）。它所提供的功能是提供一個(gè)良好的圖形交互界面，使用戶可以方便的進(jìn)行調(diào)試操作，也可以完成下載等。另外，它實(shí)際上完成調(diào)試命令的驅(qū)動(dòng)部分。
ARM制定了一個(gè)協(xié)議，就是ADP（Angel Debug
Protocol），這是一個(gè)比較復(fù)雜的協(xié)議，分為三層，主要就是保證可靠穩(wěn)定的與目標(biāo)機(jī)進(jìn)行通信。
    · Protocol converter
    for example， multi-ICE。
    這部分完成host端協(xié)議到j(luò)tag協(xié)議的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換過(guò)程是雙向的。這個(gè)在這里也不太容易說(shuō)，可以通過(guò)后面仿真器來(lái)進(jìn)行分析。
    ·debug target
    development system containing an ARM7TDMI processor
    也就是你的目標(biāo)SoC。
    有了這個(gè)模型作為基礎(chǔ)，就可以對(duì)現(xiàn)有的調(diào)試工具進(jìn)行一個(gè)大體的分析了。在這里，仿真器又可以稱為調(diào)試代理，它充當(dāng)了protocol converter的角色。
    ·第一層次 簡(jiǎn)易JTAG小板
    市場(chǎng)上有不少提供簡(jiǎn)易JTAG小板，大多只是具備下載功能。其中，debug
host可以是jflash-s3c2410這樣的工具，它實(shí)際上就是用軟件實(shí)現(xiàn)JTAG時(shí)序，完成“串并”和“并串”轉(zhuǎn)換。即把目標(biāo)JTAG向量中的每
個(gè)字節(jié)都逐位地轉(zhuǎn)換成JTAG接口各條引線上的串行的波形，或者反過(guò)來(lái)。而jtag小板，只是完成一個(gè)基本的電平轉(zhuǎn)換電路，最差的只有幾個(gè)電路，普通的就
是一個(gè)74HC244做驅(qū)動(dòng)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是：host（jflash-s3c2410等）--> 并口 --> jtag小板
--> SoC
JTAG接口。這樣完成了下載功能。如果在host端軟件增強(qiáng)，可以完成一些調(diào)試功能。相對(duì)而言，這樣技術(shù)是用純軟件去實(shí)現(xiàn)JTAG時(shí)序，效率比較低。市
場(chǎng)上的wiggle、H-jtag、2410jtag等都是如此，只是在對(duì)應(yīng)的引腳設(shè)置和host軟件上有所不同。
    ·第二層次 cpld/fpga實(shí)現(xiàn)jtag狀態(tài)機(jī)
    用軟件模擬jtag時(shí)序效率低，那么可以通過(guò)cpld等可編程器件實(shí)現(xiàn)jtag時(shí)序，那么host的軟件只要簡(jiǎn)單的寫字節(jié)就可以了。這樣，效率就高的多了。
    ·第三層次 mcu+cpld/fpga實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)/USB的仿真器
    其中，mcu用來(lái)實(shí)現(xiàn)tcp/ip協(xié)議，完成host調(diào)試協(xié)議的解析，cpld/fpga實(shí)現(xiàn)jtag狀態(tài)機(jī)。這種組合方式的效率又遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于第二層次�，F(xiàn)在的realview就是采用這種方案，原有的ads系列則不提供更新了。
   
我把使用的powerICE拆開看了一下，發(fā)現(xiàn)里面核心芯片就是cpld。由此可見(jiàn)，這個(gè)簡(jiǎn)化版的仿真器也只是第二層次的產(chǎn)品，硬件實(shí)現(xiàn)jtag時(shí)
序，host IDE進(jìn)行調(diào)試協(xié)議處理。原來(lái)的jflash-s3c2410不能夠使用就很明顯了，不同層次，也不會(huì)兼容。
    如果要深入研究，可以參考：
    ·IEEE 1149.1協(xié)議
    ·《嵌入式系統(tǒng)－－采用公開源代碼和StrongARM/XScale處理器》
    ·OpenJTAG論壇
    ·ARM7TDMI Datasheet
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幾個(gè)名詞：
spp： standard parallel protocol 標(biāo)準(zhǔn)并口協(xié)議
epp： enhanced parallel protocol 增強(qiáng)并口協(xié)議
dft: design for test  可測(cè)試性設(shè)計(jì)
tap: test access port 測(cè)試訪問(wèn)口
tdi: test data input  測(cè)試數(shù)據(jù)輸入
tdo: test data output 測(cè)試數(shù)據(jù)輸出
tms: test mode select 測(cè)試模式選擇
tck: test clock  測(cè)試時(shí)鐘
trst: test reset  測(cè)試復(fù)位
wdm： win32 driver model win32驅(qū)動(dòng)模型
isp： in system programming 在系統(tǒng)編程
isc： in system config  在系統(tǒng)配置
adp： angel debug protocol 調(diào)試代理協(xié)議
rsp： remote serial protocol gdb的遠(yuǎn)程串行協(xié)議
rdi： remote debug interface ARM的遠(yuǎn)程調(diào)試接口

本文來(lái)自ChinaUnix博客，如果查看原文請(qǐng)點(diǎn)：http://blog.chinaunix.net/u3/92500/showart_2163894.html

tsyj2007

不懂ARM，學(xué)習(xí)了,,,,