摘  要： 基于USB接口的仿真器,，提出了一種采用PHILIPS公司ARM7內核,、LPC2148為主控制器的設計方案，并給出了硬件電路設計,。利用本仿真器通過第三方軟件可以實現(xiàn)目標機的調試和在線編程,。硬件電路設計簡單，是取代并口方式仿真器的一種經(jīng)濟可行的方案,。
關鍵詞： ARM仿真器,；調試系統(tǒng)；USB接口,；JTAG

    基于JTAG仿真器的調試是目前ARM開發(fā)中采用最多的一種方式,。大多數(shù)ARM設計采用了片上JTAG接口，并將其作為測試,、調試方法的重要組成,。JTAG仿真器通過ARM芯片的JTAG邊界掃描口與ARM CPU核通信，實現(xiàn)了完全非插入式調試,，不使用片上資源,，不需要目標存儲器，不占用目標系統(tǒng)的任何端口,。由于JTAG調試的目標程序是在目標板上執(zhí)行,，使得仿真更加接近于目標硬件[1]。
    目前針對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的調試工具品種繁多,，如ARM公司的AXD debugger軟件與Mutil-ICE仿真器等,。但是大部分嵌入式調試工具價格過高，因此設計實現(xiàn)一種速度快、性能穩(wěn)定,、價格低廉,、易于實現(xiàn)的ARM調試工具是十分必要的。
1 ARM JTAG調試原理
    ARM典型的調試系統(tǒng)結構如圖1所示,。調試系統(tǒng)包括調試主機,、仿真器和調試目標,。

    調試主機是一臺運行調試軟件(例如ADS)的計算機,。調試主機可以發(fā)出高層的調試命令，例如設置斷點,、訪問內存等[2],。
    仿真器用來將調試主機發(fā)出的高層調試命令轉換為底層的ARM JTAG調試命令。因為目標機無法識別調試主機發(fā)送來的高級命令,，因此就需要仿真器將調試主機發(fā)出的高層調試命令轉換為底層的ARM JTAG調試命令[3],。在整個調試系統(tǒng)中起到重要的作用，其性能也決定了整個調試系統(tǒng)性能,。
2 方案設計
    本文提出了一種采用PHILIPS公司的ARM7芯片LPC2148設計,，具有USB2.0通信方式、高速穩(wěn)定的ARM仿真器實現(xiàn)方案,，如圖2所示,。

    守護進程接收從IDE集成開發(fā)環(huán)境發(fā)送來的調試命令，將其通過USB總線轉發(fā)到ARM仿真器,，ARM仿真器再將調試命令轉換成JTAG格式的信號并發(fā)送到I/O口,，從而控制調試目標執(zhí)行特定的操作，達到調試的目的,。同理,，從調試目標返回的數(shù)據(jù)，先經(jīng)過ARM仿真器的譯碼,，再經(jīng)過守護進程返回到IDE開發(fā)環(huán)境,，從而形成一個完整的調試系統(tǒng)。
3 硬件電路設計
    本設計的最大特點是采用了LPC2148作為主控芯片,。該芯片內部集成了ARM7TDMI-S微控制器和完全兼容USB2.0的設備控制器,，支持32個物理(16個邏輯)端點；支持控制,、批量,、中斷和同步端點；所有端點都有一個雙向的DMA通道,。因為芯片內部集成了USB控制器,，大大降低了電路板的設計難度和開發(fā)成本。其硬件電路框圖如圖3所示。

    (1)本機JTAG調試電路
    為了便于調試和燒寫程序,，將芯片LPC2148的JTAG接口接到一個20引腳的標準JTAG插口,。本設計中使用引腳P0.8、P0.9,、P0.10,、P0.12、P0.14作為外部JTAG接口,，盡量不用有其他接口功能的引腳,，如P0.11、P0.14接口與I2C接口SCL1,、SDA1功能復用,，以便于將來的硬件升級。為了增強帶負載能力,，使用一片74HC244芯片,，同時為了盡量兼容大部分ARM開發(fā)板上的不同JTAG插口，本設計提供了一個20引腳的JTAG插口和一個14引腳的JTAG插口,。
    (2)USB電路(包括供電電路)
    USB接口電路如圖4所示,。為了使LPC2148的軟件可以更靈活地控制USB設備與主機之間的連接，本接口電路使用P0.31(只能使用該引腳)來實現(xiàn)SoftConnect特性,。當P0.31輸出低電平時,，D+線通過電阻上拉到VDD3.3，通知USB主機：USB設備與其建立連接,；當P0.31輸出高電平時,，D+線斷開與VDD3.3的連接，通知USB主機：USB設備已經(jīng)斷開與USB主機的連接,。

    Q1選用的是P溝道MOS管,，而不選用普通的PNP三極管，因為MOS管是電壓驅動型,，驅動電流幾乎為0,；而普通的PNP三極管是電流驅動，需要一定的驅動電流,。導通時,，P0.31_P17有可能被拉低，LPC2148要求該引腳在復位引腳為低電平期間不能被拉低,，否則JTAG口將被禁止,，因此必須選用P溝道的MOS管。LPC2148的P0.23引腳為USB設備控制器,，用于檢測USB總線是否插入檢測引腳[4],。
4 仿真器固件程序設計
    仿真器LPC2148芯片中的固件程序實現(xiàn)的功能包括：通過USB與上位機軟件進行通信,，并將上位機發(fā)送過來的、經(jīng)過封裝的USB數(shù)據(jù)流轉換為JTAG信號,，并最終送到相應的引腳或者將相應引腳的數(shù)據(jù)經(jīng)過封裝后,，通過USB傳送到PC機中。圖5為應用程序的流程圖,。

    主函數(shù)首先將作為JTAG接口使用的5個引腳設置成相應屬性,，并完成USB設備初始化，配置中斷向量,、開中斷,，然后進入無限循環(huán)函數(shù)。
    無限循環(huán)函數(shù)首先處理USB事件,，如USB控制傳輸,、USB總線復位等。然后判斷標志位是否收到數(shù)據(jù),，如果未收到則繼續(xù)執(zhí)行無限循環(huán)；如果收到了數(shù)據(jù),，則將數(shù)據(jù)從端點緩沖區(qū)讀出,，再交給數(shù)據(jù)處理函數(shù)處理。數(shù)據(jù)處理函數(shù)按照上位機程序對數(shù)據(jù)封裝方式進行解析,，根據(jù)解析的命令(讀取TDI,、寫TMS或TDO等)，通過分支處理跳到相應的處理函數(shù),。在這個過程中如果上位機要讀取調試目標數(shù)據(jù),，可將相應的值按同樣格式進行封裝，然后通過USB發(fā)送到上位機,。數(shù)據(jù)封裝格式如圖6所示,。

    C語言定義的命令碼如下：
    #define UNKOWN_COMMAND     0x00    //未知指令
    #define PORT_DIRECTION     0x01       //設置端口方向為輸入或輸出
    #define PORT_SET     0x02              //將JTAG端口的引腳都設為高電平
    #define PORT_GET         0x03         //讀JTAG端口的引腳數(shù)據(jù)
    #define PORT_SETBIT  0x04          //設置JTAG端口的某一位為1，由DATA[0]中數(shù)據(jù)決定設置的具體位數(shù)
    #define PORT_GETBIT  0x05        //讀取JTAG端口的某一位為1,，由DATA[0]中數(shù)據(jù)決定讀取的具體位數(shù)
    #define WRITE_TDI     0x06            //寫TDI信號命令
    #define READ_TDO     0x07               //讀TDO信號命令
    #define WRITE_AND_READ     0x08    //讀寫指令,，對TDI寫一位，對TDO一位
    #define WRITE_TMS         0x09          //寫TMS信號命令
    #define WRITE_TMS_CHAIN 0x0A      //寫TMS掃描鏈命令
    本仿真器經(jīng)實際測試下載速度穩(wěn)定在30 KB/s左右,，具有單步,、全速、設置斷點(兩個硬斷點和無數(shù)軟斷點)等功能,。本文提出了一種具有硬件電路設計簡單,、價格低廉、調試速度快的ARM仿真器設計方案,，是取代傳統(tǒng)并口方式ARM仿真器的一種確實可行的方案,。
參考文獻
[1] 田澤．嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用[M]．北京:北京航空航天大學出版社，2004.
[2] 鄧春梅.嵌入式系統(tǒng)軟件仿真技術的研究與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學，2004.
[3] 楊晶箐．USB接口的邊界掃描測試控制器的設計與實現(xiàn)[D].成都:成都電子科技大學,，2006.
[4] 周立功,，張華．深入淺出ARM7-LPC213x/214x[M]．北京:北京航空航天大學出版社，2005.