jtag的基本原理与调试原理

　　JTAG最初是用来对芯片进行测试的，基本原理是在器件内部定义一个TAP（Test Access Port？测试访问口）通过专用的JTAG测试工具对进行内部节点进行测试。JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试。现在，JTAG接口还常用于实现ISP（In-System Programmable？在线编程），对FLASH等器件进行编程。

　　JTAG编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程实现再装到板上因此而改变，简化的流程为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而大大加快工程进度。JTAG接口可对PSD芯片内部的所有部件进行编程

　　简单地说，JTAG的工作原理可以归结为：在器件内部定义一个TAP（TestAccessPort，测试访问口），通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试和调试。

　　边界扫描

　　边界扫描（Boundary-Scan）即在芯片的每个输入输出管脚上都增加一个移位寄存器单元（Boundary-Scan Register Cell），因为这些移位寄存器单元分布在芯片的边界上，所以被称为边界扫描寄存器。在JTAG 调试中，边界扫描是一个很重要的概念，当需要调试芯片时，这些寄存器将芯片与外围电路隔离，实现对芯片输入输出信号的观察和控制：对于输入管脚，可以通过与之相连的边界扫描寄存器单元把数据加载到该管脚中；对于输出管脚，可以通过与之相连的边界扫描寄存器“捕获”（CAPTURE）该管脚上的输出信号；正常运行状态下，这些边界扫描寄存器单元对芯片是透明的，所以正常的运行不会受到影响。另外，芯片输入输出管脚上的边界扫描（移位）寄存器单元可以相互连接起来，在芯片的周围形成一个边界扫描链（Boundary-Scan Chain），它可以串行的输入和输出，通过相应的时钟信号和控制信号，实现对处在调试状态下的芯片的输入和输出状态的观察和控制。

　　在CPU外围，处理器内部包含了JTAG的硬件实现，并且向外界提供接口，也就是上面所说的TMS、TCK、TDI、TDO四个引脚。

　　这里的CPU：是指运算处理单元，只包含了内部寄存器以及运算单元等基本部件。

　　这里的处理器：是指CPU 扩展芯片，不是SoC。

　

　　JTAG如何用于芯片测试呢？　其中用到的最主要部件就是边界扫描链。命名为边界扫描链，是由于它位置处于处理器的边界上。

　　我们知道CPU是通过引脚与外围交流的，所有的数据都会通过引脚输入或者输出，而JTAG就是通过监控引脚的信号达到芯片测试的目的。而边界扫描链就是在引脚上的一个部件。如下图：

　

　　通过边界扫描链，当有信号输入的时候，边界扫描链就能获取信号，当CPU要输出信号的时候，边界扫描链也能获取要输出的信号。另外，也可以通过边界扫描链来直接向外部输出信号。

　　无论是信号的抓取还是输出，都需要有接口来保存这些信号，TDI 跟 TDO 就是做这样一些工作的。如图：

　　

　　本来边界扫描链保存着引脚上的信号，当通过TDI引脚输入我们自己的信号的时候，会发生沿上面红线方向的移位操作，

　　TDI ——〉 边界扫描链 —— 〉 TDO

　　就能从TDO获取边界扫描链上的信号，我们从TDI输入的信号也会到边界扫描链上去。

　　在CPU跟外界通信的引脚上的数据无非就是 指令 跟 数据信号（包括地址跟数据） 两种。但是这两者的结合形成了一个完整的程序，能对它们进行监控就表明我们能进行程序的调试。一般的芯片都会提供几条独立的边界扫描链，对边界扫描链的控制主要是通过 TAP（Test Access Port） Controller来完成的。

　　上面的只是jtag最基本的原理，要对程序更好的调试还需要控制部件，还有更多寄存器的结合等等。

　　下面是一个完整的jtag调试部件：

　　

　　下面来讲讲arm上的jtag调试，openocd就是一个jtag的调试工具

　　我们在调试程序的时候，通常需要设置断点，断点也就是指令所在的位置，

　　断点分为两种：硬件断点跟软件断点

　　硬件断点：指令的地址。当cpu要去某个地址取指令的时候，就暂停cpu的运行。在s3c2440上只支持两个硬件断点

　　软件断点：软件断点不限制断点的个数，因此硬件断点的方法是不可用的。当我们需要在某个指令上打断点的时候，openocd会先去取得断点的地址，然后把每个断点处的值替换成某个特定的值（如deeedeee），当cpu取数据的时候得到该特定的值，就知道到达了断点地址，暂停cpu的运行，去除断点的时候再把原本的值换回去。如果没指定硬件断点的话，一般都默认是软件断点。

　　另外openocd对于软件断点有特定的要求：

　　1.程序必须位于它的链接地址上，即如果指定了。 = 0x30000000，那么程序必须实际上是位于0x30000000这个地方，也就是说程序必须已经重定位好，位于它的链接地址。

　　2.程序必须按照某种特定的顺序排放：

　　SECTIONS{

　　。 = 0x30000000;

　　.text ：{

　　head.o（.text）

　　init.o（.text）

　　nand.o

　　*（.text）

　　}

　　.rodata ALIGN（4） ： {*（.rodata）}

　　.data ALIGN（4） ： {*（.data）}

　　.bss ALIGN（4） ： {*（.bss） *（COMMON）}

　　}

　　gdb调试就是基于软件断点的调试，我们可以用gdb对程序代码的某一行进行断点设置，那么它是如何定位到某个指令的地址的？

　　这就需要有调试信息，也就是在编译的时候加上 -g 给程序添加调试信息。

　　eclipse对gdb进行了进一步的封装（GUI），我们可以通过对eclipse进行某些设置达到调试arm程序的目的。

　　1.首先把文件加入工程

　　2.设置调试配置：

　　点工具栏上的小虫子

　　Debug Configurations.。。

　　新建一个调试配置

　　选择选项卡Main，在C/C++ Application：　　选项上选择要调试的elf文件

　　选择选项卡Debugger，GDB debugger： 选择为arm-elf-gdb

　　选择选项卡Commands， ‘Initialize’conmmands 下输入命令：

　　target remote 127.0.0.1:3333　　　　//连接openocd

　　load　　　　　　　　　　　　　　　　//加载程序到内存

　　break _start　　　　　　　　　　　　//设置断点到_start

　　c　　　　　　　　//continue继续执行

　　然后Apply ，最后Debug开始调试

　　3.当然，上述程序是在内存执行的，但是开发板一开始的时候内存还没初始化，是不可用的，因此我们需要先设置内存

　　在openocd的命令控制台上（telnet 127.0.0.1 4444进入openocd控制台）

　　halt　　　　//暂停cpu

　　load_image　　init.bin　　0 　　//加载内存初始化程序 init.bin 到 0 地址

　　resume 　0　　　　//在0地址开始运行

　　halt　　//暂停cpu

　　然后就可以Debug了

　　Debug时，当运行到断点处的时候，我们可以看到某些寄存器或者变量的值，这些值在eclipse上显示：

　　

　　测试访问口TAP

　　TAP（TestAccessPort）是一个通用的端口，通过TAP 可以访问芯片提供的所有数据寄存器（DR）和指令寄存器（IR）。对整个TAP的控制是通过TAP控制器（TAPController）来完成的。下面先 分别介绍一下TAP的几个接口信号及其作用。其中，前4个信号在IEEE1149.1标准里是强制要求的。

　　TCK：时钟信号，为TAP的操作提供了一个独立的、基本的时钟信号。

　　TMS：模式选择信号，用于控制TAP状态机的转换。

　　TDI：数据输入信号。

　　TDO：数据输出信号。

　　TRST：复位信号，可以用来对TAPController进行复位（初始化）。这个信号接口在IEEE1149.1标准里并不是强制要求的，因为通过TMS也可以对TAPController进行复位。

　　STCK：时钟返回信号，在IEEE1149.1标准里非强制要求。

　　简单地说，PC机对目标板的调试就是通过TAP接口完成对相关数据寄存器（DR）和指令寄存器（IR）的访问。

　　系统上电后，TAPController 首先进入 Test-LogicReset 状态，然后依次进入Run-Test/Idle、Selcct-DR- Scan、Select-IR-Scan、Capture-IR、Shift-IR、Exitl-IR、Update-IR状态，最后回到 Run- Tcst/Idle 状态。在此过程中，状态的转移都是通过TCK信号进行驱动（上升沿），通过TMS信号对TAP的状态进行选择转换的。其中，

　　在 Capture-IR状态下，一个特定的逻辑序列被加载到指令寄存器中；

　　在Shift-IR状态下，可以将一条特定的指令送到指令寄存器中；

　　在 Update—IR状态下，刚才输入到指令寄存器中的指令将用来更新指令寄存器。

　　最后，系统又回到Run—Test/Idle状态，指令生效，完成对指令寄存器的访问。

　　当系统又返回到Run—Test/Idle状态后，根据前面指令寄存器的内容选定所需要的数据寄存器，开始执行对数据寄存器的工作。其基本原理与指令寄存器的访问完全相同，依次为seIect—DR—Scan、Capture—DR、Shift—D、Exitl一DR、Update—DR， 最后回到 Run-Tcst/Idle 状态。通过TDl和TDO，就可以将新的数据加载到数据寄存器中。经过一个周期后，就可以捕获数据寄存器中的数据，完 成对与数据寄存器的每个寄存器单元相连的芯片引脚的数据更新，也完成了对数据寄存器的访问。

　　

　　Keil、IAR、DS-5、ADS开发工具软件等都有一个公共的调试接口RDI，那么我们如何完成 RDI -》JTAG调试协议的转换呢？两种做法：

　　在电脑上写一个服务程序，把Keil、IAR、DS-5中的RDI命令解析成相关的JTAG协议，然后通后一个物理转换接口（注意，这个转换只是电气物理层上的转换，就像RS232那样的作用）发送你的的目标板。H-JTAG就是这样的。H-JTAG的硬件就仅是一个物理电平的转换接口，所以很简单。 而电脑中装的H-JTAG软件就是前面说到的服务程序，负责协议转换的。

　　做一个板，用此板直接接收来自Keil、IAR、DS-5等软件的调试命令，由此板做RDI -》 JTAG协议的转换。然后与目标板通信，这就是JLINK、ULINK2等仿真器的工作原理。

　　由上可以看出，H-JTAG由于是软件作协议转换的，所以速度较慢，但是硬件简单。而第二种方法的JLINK一般带一个强劲的CPU，作硬件协议转换，把以硬件复杂，但速度快。目前，市场上的JTAG接口仿真器有14引脚和20引脚两种。其中，以20引脚为主流标准，但也有少数的目标板采用14引脚。经过简单的信号转换后，可以将它们通用。