嵌入式調(diào)試?yán)锏慕涌跇?biāo)準(zhǔn)JTAG

大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家講的是嵌入式調(diào)試?yán)锏慕涌跇?biāo)準(zhǔn) JTAG。

嵌入式開(kāi)發(fā)中，大家免不了需要仿真調(diào)試代碼，尤其是當(dāng)應(yīng)用工程功能邏輯復(fù)雜到一定程度時(shí)，免不了在寫代碼時(shí)會(huì)引入一些邏輯 bug，僅靠代碼審查有時(shí)候并不一定能排除所有 bug，所以在線調(diào)試便成為排除 bug 最有效直接的方式，今天我們要聊的是調(diào)試?yán)镒罨A(chǔ)的東西，即接口標(biāo)準(zhǔn)。ARM 內(nèi)核原生支持 2 種業(yè)界通用的接口標(biāo)準(zhǔn)，分別是 JTAG 和 SWD。本節(jié)課痞子衡先給大家詳細(xì)講講 JTAG 接口。

一、JTAG 接口標(biāo)準(zhǔn)

JTAG 全稱“Joint Test Action Group”，既是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也是個(gè)組織，這是個(gè)由幾家主要的電子制造商（IBM、AT&T、TI、Philips 等）成立于 1985 年的組織，這個(gè)組織成立的目的是發(fā)起制訂一種 PCB 和芯片測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

JTAG 標(biāo)準(zhǔn)于 1990 年被 IEEE 批準(zhǔn)為 IEEE1149.1 測(cè)試訪問(wèn)端口和邊界掃描結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。JTAG 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了進(jìn)行邊界掃描所需要的硬件和軟件，主要應(yīng)用于電路的邊界掃描測(cè)試和可編程芯片的在線系統(tǒng)編程。

1.1 IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)

IEEE 1149.1 工作組 http://grouper.ieee.org/groups/1149/1/

最初版手冊(cè) 1149.1-1990 http://standards.ieee.org/findstds/standard/1149.1-1990.html

最新版手冊(cè) 1149.1-2013 http://standards.ieee.org/findstds/standard/1149.1-2013.html

1.2 JTAG 接口信號(hào)

JTAG 接口，總稱測(cè)試訪問(wèn)接口 TAP（Test Access Port），使用如下信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)邊界掃描操作：

TCK（測(cè)試時(shí)鐘）：同步內(nèi)部狀態(tài)機(jī)操作的時(shí)鐘信號(hào)。

TMS（測(cè)試模式選擇）：控制內(nèi)部狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換的模式信號(hào)（TCK 上升沿采樣）。

TDI（測(cè)試數(shù)據(jù)輸入）：移入器件測(cè)試或編程邏輯的數(shù)據(jù)（TCK 上升沿采樣）。

TDO（測(cè)試數(shù)據(jù)輸出）：移出器件測(cè)試或編程邏輯的數(shù)據(jù)（TCK 下降沿采樣）。
　　

除了以上信號(hào)線外，還有 1 個(gè)可選的信號(hào)：

TRST（測(cè)試重置）：重置 TAP 控制器的狀態(tài)機(jī)的復(fù)位信號(hào)。

1.3 JTAG 系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)造

JTAG 系統(tǒng)內(nèi)部最基本的單元是邊界掃描單元（其掃描獲取的值存在邊界掃描寄存器 BSR（Boundary Scan Register）中），每個(gè)邊界掃描單元都位于目標(biāo)器件的邊界上，所以很多時(shí)候 JTAG 測(cè)試也被稱為邊界掃描。
　　

所有目標(biāo)器件核心邏輯與針腳之間的信號(hào)都會(huì)被串聯(lián)的邊界掃描單元所攔截。正常運(yùn)行時(shí)，這些邊界掃描單元是不可見(jiàn)的。但是，在測(cè)試模式下這些單元可以被用來(lái)設(shè)置 / 讀取目標(biāo)器件針腳或核心邏輯的值。

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除了上述 BSR 之外，JTAG 系統(tǒng)還需要以下 3 個(gè)寄存器：

指令寄存器：存儲(chǔ)當(dāng)前的指令，指令內(nèi)容被 TAP 控制器用來(lái)決定如何處理接收到的信號(hào)。

旁路寄存器（BYPASS）：把信息從 TDI 傳到 TDO 的單位寄存器。

識(shí)別碼寄存器（IDCODES）：含有器件的識(shí)別碼和版本序號(hào)，該信息可以使器件和它的邊界掃描描述語(yǔ)言（BSDL）文件相關(guān)聯(lián)。
　　

JTAG 系統(tǒng)最核心的是 TAP 控制器，TAP 控制器被設(shè)計(jì)用來(lái)與 JTAG 系統(tǒng)內(nèi)部寄存器相互動(dòng)，TAP 控制器是一個(gè)被 TMS 信號(hào)控制轉(zhuǎn)換的同步狀態(tài)機(jī)，控制著 JTAG 系統(tǒng)的行為。

如上圖所示，TAP 控制器的內(nèi)部狀態(tài)機(jī)一共 16 個(gè)狀態(tài)，關(guān)于各個(gè)狀態(tài)具體含義可查閱 IEEE1149.1 手冊(cè)。TAP 控制器的基本功能是產(chǎn)生 BSR 和指令寄存器正常工作所需要的時(shí)鐘和控制信號(hào)，其主要功能有以下幾點(diǎn)：

提供信號(hào)將指令裝入指令寄存器。

提供信號(hào)將輸入數(shù)據(jù)從 TDI 管腳移入內(nèi)部寄存器、把輸出數(shù)據(jù)從內(nèi)部寄存器移出到 TDO 管腳。

執(zhí)行相應(yīng)功能，如捕獲、移位和更新數(shù)據(jù)等。
　　

指令寄存器是用來(lái)存儲(chǔ)需要解釋執(zhí)行的指令的，IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 JTAG 兼容器件必須要具備的指令：

BYPASS：用單一單元旁路寄存器傳送數(shù)據(jù)，縮短 JTAG 鏈上不必要的掃描鏈路。

EXTEST：將已知值（存在 BSR）驅(qū)動(dòng)到芯片針腳上。

SAMPLE/PRELOAD：將捕獲到的芯片針腳值裝入 BSR。
　　

除了必備的指令外，IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了如下可選的指令：

IDCODE：將 IDCODES 寄存器中的數(shù)據(jù)移出。

INTEST：將已知值（存在 BSR）驅(qū)動(dòng)到芯片核心邏輯上。

RUNBIST：當(dāng) TAP 進(jìn)入測(cè)試運(yùn)行空閑狀態(tài)時(shí)，芯片進(jìn)行自檢。

1.4 JTAG 調(diào)試工具 pinout

通常支持 JTAG 接口的調(diào)試編程工具其實(shí)只是利用了 JTAG 技術(shù)的四線 TAP 通信協(xié)議，而除了標(biāo)準(zhǔn) TAP 信號(hào)線外，有時(shí)還加入其他輔助信號(hào)線構(gòu)成完整 pinout，對(duì)于 ARM JTAG 調(diào)試工具來(lái)說(shuō)，有兩種比較通用的 pinout 標(biāo)準(zhǔn)，即 ARM20 JTAG header 和 ARM14 JTAG header：

上述兩種 ARM JTAG header 中除了標(biāo)準(zhǔn) TAP 信號(hào)線外，其他輔助信號(hào)線含義如下：

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上述兩種 ARM JTAG header 中除了標(biāo)準(zhǔn) TAP 信號(hào)線外，其他輔助信號(hào)線含義如下：

二、JTAG 接口進(jìn)階

前面講完了 JTAG 基礎(chǔ)知識(shí)，下面痞子衡再給大家多介紹一些 JTAG 相關(guān)的“黑科技”。

2.1 BSDL 文件

現(xiàn)如今支持 JTAG 接口的芯片越來(lái)越多，為了統(tǒng)一各芯片廠商的具體 JTAG 實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)整個(gè)電子行業(yè)的一致性，IEEE1149.1 標(biāo)準(zhǔn)制訂了 BSDL 語(yǔ)言規(guī)范。BSDL 是 JTAG 設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言，它的語(yǔ)法是 VHDL 的子集，是對(duì) JTAG 器件的邊界掃描特性的描述，主要用來(lái)溝通芯片廠商、用戶與測(cè)試工具之間的聯(lián)系。

開(kāi)源的 JTAG BSDL 庫(kù)網(wǎng)站（http://bsdl.info/），涵蓋主流廠商的主流芯片的 BSDL 文件

痞子衡隨便找一款芯片的 BSDL 文件（Freescale K60_1M（K24_144QFP））簡(jiǎn)單分析下：

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2.2 JTAG 菊花鏈

當(dāng)你的系統(tǒng)中有多個(gè) JTAG 設(shè)備時(shí)，為解決 JTAG 口過(guò)多占用 PCB 的問(wèn)題，JTAG 支持如下菊花鏈方式連接（在 FPGA 應(yīng)用尤其廣泛）：

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從上圖可以看出 TMS、TCK 是一主多從并聯(lián)的結(jié)構(gòu)（設(shè)備過(guò)多時(shí) TMS,TCK 電路需加緩沖器（如 74LVC245）增加驅(qū)動(dòng)能力）；TDI、TDO 是一主一從串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，這種菊花鏈方式使得 PCB 上只需要一個(gè) JTAG 接口便可以訪問(wèn)所有 JTAG 設(shè)備。

至此，嵌入式調(diào)試?yán)锏慕涌跇?biāo)準(zhǔn) JTAG 痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~