基于SOPC的M8051嵌入式调试器设计
引言
在嵌入式系统开发过程中，上位机通过调试器完成对目标机软件的开发、下载、调试。早期的调试器与上位机之间通过串口或并口通信，存在速度慢、通用性差等缺陷。相比之下，usb接口优势明显，具备速度快、易插拔、支持多个调试器同时工作等优势。但目前的usb接口调试器一般采用usb芯片和可编程器件结合的实现方式，成本和复杂度较高。
m8051是mentor公司的嵌入式8051处理器，凭借良好的性能和功耗控制，占据了大量的 soc（system on a chip）市场。该处理器集成了oci（on-chip instrumentation，片上调试单元）来完成程序的调试。fs2公司设计的system navigator是一款针对m8051的调试器，但该产品价格过于昂贵。本文通过研究m8051的调试结构，设计一款基于sopc（system on a programmable chip）的m8051调试器，实现对m8051核心的高效、低成本的开发。
1 m8051片上调试技术的研究
1．1 典型的ocd调试系统
目前，嵌入式调试领域的趋势是在mcu上集成一个专门用于调试的功能模块，并且提供一个专用接口开放给用户。用户通过该调试控制模块来实现停止／继续cpu 的运行，并访问目标机上的各种资源，这就是ocd（on-chip debug，片上调试）技术。同时，jtag作为应用最广泛的系统级测试技术，控制逻辑简单、实现方便，常作为片上调试模块的测试接口。
一个完整的ocd调试系统通常包括调试主机、调试协议转换器（或调试器）、目标机三个部分。调试主机运行调试软件，并通过调试器与目标机相连；调试器将主机发出的调试命令和数据转换为基于目标机ocd模块和jtag接口的调试数据；目标机的ocd模块接收到调试器发来的jta g数据，完成对cpu的逻辑控制。典型的ocd调试系统如图1所示。
1．2 m8051的片上调试结构
m8051核心的调试功能由其片上的oci模块完成。oci模块通过jtag口与外部通信，其实现完全符合ieee-1149．1。具体来说，tap控制器接收一系列的jtag边界扫描链读写时序，完成对扫描链上的ir和dr的读写。oci模块内部的tracc模块、trigger模块和dcbug模块根据ir和dr的内容，产生相应的控制信号给处理器，达到控制m8051处理器的运行或者读取处理器信息的目的。以上就是oci模块的基本调试原理。m805 1oci模块的体系结构如图2所示。
2 基于sopc的m8051调试器的设计
2．1 调试系统的总体设计
在研究了ocd测试技术和m8051片上调试结构oci的基础上，本文提出了m8051调试系统的总体设计方案。该方案通过usb接口与上位机通信，调试器主体由一个fpga芯片实现。其总体结构图如图3所示。
上位机运行调试软件，将编译器的各种调试操作，通过调试接口函数转化为各种调试协议数据；再将这些调试协议数据通过底层通信模块发送给 m8051调试器。本设计的底层通信接口是usb接口。编译器选择应用最为广泛的且具备开放调试接口函数agdi的keil c51编译器。
m8051 调试器本身主要由usb控制器模块、8051处理器和jtag控制器模块组成。ush控制器在8051处理器的控制下接收来自上位机的调试协议数据；jtag控制器模块负责将这些调试协议数据转化为基于oci结构的底层调试命令集，并以jtag边界扫描链读写时序发送出来。
m8051目标机通过oci模块的jtag接口，接收m8051调试器发送的底层调试命令，完成对m8051目标机的调试，并将返回值通过jtag接口送回m8051调试器。
2．2 调试器的硬件设计
目前，市场上流行的基于usb接口的调试器，硬件一般以一个usb2．0控制芯片为核心，完成数据通信和调试协议数据解析，同时配置一个可编程器件实现 jtag边界扫描链读写时序。本文出于成本和系统复杂度的考虑，并结合fpga的优势，创新地使用单独的fpga芯片实现调试器的全部功能，简化电路板和系统设计，降低系统成本。硬件结构如图4所示。
调试器的主要硬件包括：xilinx公司高性价比的spartan-6 fpga，flash配置芯片xcf04s，缓冲器芯片74lcx245作为jtag接口的电气隔离及电源转换芯片。usb控制器、8051处理器、片内 sram和jtag控制器等功能模块均以ip核的彤式在fpga上实现。usb控制器采用mentor公司的musb全速（12 mhps）控制器ip核，8051处理器采用mcntor公司的m8051ew ip核。系统上电后，配置芯片自动完成对fpga的配置，保证系统的非易失性。
jtag控制器模块是本系统硬件部分的核心模块。本文中jtag控制器是基于m8051的oci模块实现的，主要任务接收调试固件发送过来的调试协议数据，转化为oci模块可识别的底层调试命令集，具体说就是一系列对于 oci模块的ir和dr的读写操作；再使用jtag边界扫描链读写时序将这些底层命令发送给目标机。所以jtag控制器模块分为两个部分：调试命令解析模块和jtag边界扫描时序生成模块。jtag控制器的结构如图5所示。
以系统运行控制操作中的halt8051操作为例，由oci的结构可知，该操作由向oci模块的ir中写入0x69来实现。在上位机中该操作的调试协议数据为0x0069。
调试器固件在接收到来自上位机的调试协议数据后，将0x00和0x69分别写入调试命令解析模块的命令寄存器和数据寄存器。调试命令解析模块将该调试协议数据解析为向oci的ir中写入0x69，即jtag_cmd=ir，jtag_din=0x69；再由jtag边界扫描时序生成模块产牛向ir写入 0x69的jtag时序。
与传统的软件方法相比，由fpga硬件实现调试命令解析和jtag边界扫描时序牛成，不但减轻了调试器上的8051处理器的负担，而且有效提高了jtag调试速度。
2．3 调试系统的软件设计
本文中的软件设计分为两部分：pc端调试软件和调试器固件。两部分通过usb接口进行交互。具体的软件构架如图6所示。
2．3．1 pc端软件设计
pc端调试软件由keil c51编译器、agdi调试接口函数和usb驱动程序三部分组成。通用的agdi调试接口函数是独立于处理器体系结构的函数集，它将上层调试操作分别转化为独立于处理器的调试命令。一般来说，agdi捌试接口函数实现的调试操作有以下儿类：系统运行控制、寄存器读写、存储器读写操作以及断点操作。
agdi 调试接口函数设计是pc端软件设计的重点。主要工作是在通用agdi接口函数的基础上，实现针对m8051处理器的调试接口，将来自编译器的调试操作转换为针对m8051的调试协议数据。本文中调试协议数据采用调试命令加上调试数据的形式。以系统运行控制操作中的halt80 51操作为例：agdi调试接口函数将halt8051操作转化为基于m8051处理器的调试协议数据0x0069，即调试命令0x00和调试数据 0x69。最后由usb驱动层将调试协议数据0x0069打包发送给调试器。
2．3．2 调试器固件设计
调试器固件的功能分成两个方面：一方面是下行数据发送，在完成usb设备的枚举过程后，接收usb接口的调试协议数据，解析得到的调试命令和调试数据，再将调试命令和调试数据分别写入 jtag控制器模块的命令寄存器和数据寄存器；另一方面监控目标机的返回信息，并将返回信息通过usb接口发送给调试主机。
本文中的软件部分主要负责调试协议数据的生成和传送，具体的调试命令解析和jtag边界扫描时序的产生，全部由硬件实现，保证了调试效率的最大化。
3 m8051调试系统的测试
3．1 测试环境
测试环境包括软件环境和硬件环境。软件环境包括kell c51编译器和xilinx ise design suite；硬件环境包括pc机、本文开发的调试器电路板和基于m8051处理器的目标板。测试环境如图7所示。
3．2 调试系统的功能测试
功能测试的项目主要包括：涮试开始／停止、单步运行、断点、读写寄存器、渎写存储器等。经测试，以上调试操作稳定可靠。以断点操作为例，断点操作是软件调试过程中最重要的手段之一，本文断点功能经测试完全可靠。测试结果如图8所示。cpu从pc指针为零处开始执行，到达断点地址0x0006处停止执行，并将处理器的最新状态更新到用户界面上。
3．3 调试器的主要参数
本调试器采用usb2．0全速（12 mbps）接口，调试器内部m8051处理器主频为48 mhz，jtag协议数据收发速度达到8 mbps。采用spartan-6 xc6slx16 fpga芯片实现，fpga资源使用情况如下：可配置逻辑单元slice1439个，占该资源总数的63％；嵌入式存储模块blockram 144 kb，占该资源总数的14％；i／o接口数24个，占该资源总数的13％；时钟管理模块dcm 1个，占该资源总数的25％。
结语
本文给出的基于usb接口、以单一fpga芯片实现的m8051嵌入式渊试器系统，不仅突破了传统调试器的速度瓶颈，而且大大简化了系统的复杂度。经测试，本调试器系统能够高效地完成m8051处理器的软件开发，是一种易于被开发者接受的高性价比、实用的调试器方案。
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目前，嵌入式调试领域的趋势是在mcu上集成一个专门用于调试的功能模块，并且提供一个专用接口开放给用户。用户通过该调试控制模块来实现停止／继续cpu 的运行，并访问目标机上的各种资源，这就是ocd（on-chip debug，片上调试）技术。同时，jtag作为应用最广泛的系统级测试技术，控制逻辑简单、实现方便，常作为片上调试模块的测试接口。
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agdi 调试接口函数设计是pc端软件设计的重点。主要工作是在通用agdi接口函数的基础上，实现针对m8051处理器的调试接口，将来自编译器的调试操作转换为针对m8051的调试协议数据。本文中调试协议数据采用调试命令加上调试数据的形式。以系统运行控制操作中的halt80 51操作为例：agdi调试接口函数将halt8051操作转化为基于m8051处理器的调试协议数据0x0069，即调试命令0x00和调试数据 0x69。最后由usb驱动层将调试协议数据0x0069打包发送给调试器。
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3．1 测试环境
测试环境包括软件环境和硬件环境。软件环境包括kell c51编译器和xilinx ise design suite；硬件环境包括pc机、本文开发的调试器电路板和基于m8051处理器的目标板。测试环境如图7所示。
3．2 调试系统的功能测试
功能测试的项目主要包括：涮试开始／停止、单步运行、断点、读写寄存器、渎写存储器等。经测试，以上调试操作稳定可靠。以断点操作为例，断点操作是软件调试过程中最重要的手段之一，本文断点功能经测试完全可靠。测试结果如图8所示。cpu从pc指针为零处开始执行，到达断点地址0x0006处停止执行，并将处理器的最新状态更新到用户界面上。
3．3 调试器的主要参数
本调试器采用usb2．0全速（12 mbps）接口，调试器内部m8051处理器主频为48 mhz，jtag协议数据收发速度达到8 mbps。采用spartan-6 xc6slx16 fpga芯片实现，fpga资源使用情况如下：可配置逻辑单元slice1439个，占该资源总数的63％；嵌入式存储模块blockram 144 kb，占该资源总数的14％；i／o接口数24个，占该资源总数的13％；时钟管理模块dcm 1个，占该资源总数的25％。
结语
本文给出的基于usb接口、以单一fpga芯片实现的m8051嵌入式渊试器系统，不仅突破了传统调试器的速度瓶颈，而且大大简化了系统的复杂度。经测试，本调试器系统能够高效地完成m8051处理器的软件开发，是一种易于被开发者接受的高性价比、实用的调试器方案。
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