基于SOPC的M8051嵌入式調試器設計

引言
在嵌入式系統開發過程中，上位機通過調試器完成對目標機軟件的開發、下載、調試。早期的調試器與上位機之間通過串口或并口通信，存在速度慢、通用性差等缺陷。相比之下，USB接口優勢明顯，具備速度快、易插拔、支持多個調試器同時工作等優勢。但目前的USB接口調試器一般采用USB芯片和可編程器件結合的實現方式，成本和復雜度較高。
M8051是Mentor公司的嵌入式8051處理器，憑借良好的性能和功耗控制，占據了大量的SoC(System on a Chip)市場。該處理器集成了OCI(On-Chip Instrumentation，片上調試單元)來完成程序的調試。FS2公司設計的System Navigator是一款針對M8051的調試器，但該產品價格過于昂貴。本文通過研究M8051的調試結構，設計一款基于SOPC(System on a Programmable Chip)的M8051調試器，實現對M8051核心的高效、低成本的開發。

1 M8051片上調試技術的研究
1．1 典型的OCD調試系統
目前，嵌入式調試領域的趨勢是在MCU上集成一個專門用于調試的功能模塊，并且提供一個專用接口開放給用戶。用戶通過該調試控制模塊來實現停止／繼續CPU的運行，并訪問目標機上的各種資源，這就是OCD(On-Chip Debug，片上調試)技術。同時，JTAG作為應用最廣泛的系統級測試技術，控制邏輯簡單、實現方便，常作為片上調試模塊的測試接口。
一個完整的OCD調試系統通常包括調試主機、調試協議轉換器(或調試器)、目標機三個部分。調試主機運行調試軟件，并通過調試器與目標機相連；調試器將主機發出的調試命令和數據轉換為基于目標機OCD模塊和JTAG接口的調試數據；目標機的OCD模塊接收到調試器發來的JTA G數據，完成對CPU的邏輯控制。典型的OCD調試系統如圖1所示。

1．2 M8051的片上調試結構
M8051核心的調試功能由其片上的OCI模塊完成。OCI模塊通過JTAG口與外部通信，其實現完全符合IEEE-1149．1。具體來說，TAP控制器接收一系列的JTAG邊界掃描鏈讀寫時序，完成對掃描鏈上的IR和DR的讀寫。OCI模塊內部的Tracc模塊、Trigger模塊和Dcbug模塊根據IR和DR的內容，產生相應的控制信號給處理器，達到控制M8051處理器的運行或者讀取處理器信息的目的。以上就是OCI模塊的基本調試原理。M805 1OCI模塊的體系結構如圖2所示。

2 基于SOPC的M8051調試器的設計
2．1 調試系統的總體設計
在研究了OCD測試技術和M8051片上調試結構OCI的基礎上，本文提出了M8051調試系統的總體設計方案。該方案通過USB接口與上位機通信，調試器主體由一個FPGA芯片實現。其總體結構圖如圖3所示。

上位機運行調試軟件，將編譯器的各種調試操作，通過調試接口函數轉化為各種調試協議數據；再將這些調試協議數據通過底層通信模塊發送給M8051調試器。本設計的底層通信接口是USB接口。編譯器選擇應用最為廣泛的且具備開放調試接口函數AGDI的Keil C51編譯器。
M8051調試器本身主要由USB控制器模塊、8051處理器和JTAG控制器模塊組成。USH控制器在8051處理器的控制下接收來自上位機的調試協議數據；JTAG控制器模塊負責將這些調試協議數據轉化為基于OCI結構的底層調試命令集，并以JTAG邊界掃描鏈讀寫時序發送出來。
M8051目標機通過OCI模塊的JTAG接口，接收M8051調試器發送的底層調試命令，完成對M8051目標機的調試，并將返回值通過JTAG接口送回M8051調試器。