- 32位ARM嵌入式处理器的调试技术

EmbeddedICE逻辑单元存在于ARM7TDMI、ARM9TDMI、ARM9E和ARM10内核中。它枯JTAG口的基础上，增加了硬件断点寄存器、比较器，通过断点寄存器的值可以进行硬件断点的设置，不仅对地址还可以对数据、控制总线的信号进行复杂的触发控制设定，而不是单单在指令级别进行中断（如软中断），从而满足对特定事件的中断响应，极大的增加了灵活性，同时可以在ROM中设置断点和观察点，极大地方便调试。其示意如图3。

实时监控则是进一步在ARM9E和ARM10中的改进。它改变EmbeddedICE在触发中断后时入调试模式状态而停止内核运行的弊端，进入一段非常小的中断监控程序中，得到所需要的信息后迅速把控制权转让给先前的任务（这是与远程监控器最大的区别）。在监控程序内处理器完全可以再接收外界的中断和其他触事件，而不是停止运行。这种方式综合了JTAG和远程调试的优点，它可以增加以下两个好处：

·在不禁止中断的前提下调试前景任务（即中断时正在运行的任务）；

·不用停止处理器的运行就可以读写和修改存储器（对于机电设备非常重要）。

更为强大的是ARM的实时跟踪解决方案，它由三部分组成：

·嵌入跟踪微核；

·跟踪分析仪；

·跟踪调试软件。

通过这三种工具可实现完全的实时跟踪。跟踪微核存在于芯片，它可以不停止CPU的运行而实时监视芯片总线的信息，并把设定触发范围内的所有信息在CPU运行的同时通过压缩的方式送到外部的跟踪分析仪器里。分析跟踪仪器从芯片外部通过跟踪口（另外一个不同于JTAG的接口）收取信息。因为是压缩的数据，所以分析仪不需要采用与跟踪微核实时跟踪相同的速度。这大大降低了分析的成本，并增加了存储的容量。而PC端的跟踪软件则来自分析仪的数据重新组织起来，从而重现处理器的历史状态和数据、程序流程。同时还可以把执行代码与源代码链接起来，使调试者快速理解跟踪数据。ARM的这种方式通过芯片内部的实时跟踪硬件加上低成本的分析仪器，解决了传统在线仿真器（ICE）和逻辑分析仪的诸多弊端。其示意如图4。

3 Nexus标准

自从JTAG IEEE1149.1标准出来后，越来越多的高端嵌入芯片生产商开始采用这个标准。但是1149.1标准只能提供一种静态的调试方法，如处理器的启动和停止、软件断点、单步执行、修改寄存器，而不能提供处理器实时运行时的信息。于是各个厂家在自己的芯片上，把原有的JTAG的基本功能进行了加强和扩展，如前面提到的E-TRACE、背景调试模式BDM（Background Debugging Mode）和片上仿真OnCE(On-Chip Emulation)等，在处理器不停止运行的前提下，进行实时的调试。

由于这些增强的JTAG版本之间各有差异，而且即使同一厂家的不同产品之间也在存着不同。所以一些芯片厂商和调试工具开发公司于1998年成立了Nexus 5001论坛，以期提出一个在JTAG之上的嵌入式处理器调度的统一标准。

Nexus将调试开发分成四级，从第一级开始，每级的复杂度都在增加，并且上级功能覆盖下一级。第一级使用JTAG的简单静态调试；第二级支持编程跟踪和实时多任务的跟踪，并欢用户用I/O引脚作为多路复用辅助调试口；第三级包括处理器运行时的数据写入跟踪和存储器的读写跟踪；第四级增加了存储替换并触发复杂的硬件断点。从第二级开始，Nexus规定了可变的辅助口。辅助口使用3～16个数据引脚，用来帮助其他仿真器和分析仪之类的辅助调试工具。其示意如图5。

通过Nexus标准可以解以下问题：

·调试内部总线没有引出的处理器，如含有片内内存器的芯片；

·传统在线仿真器无法实现的高速调试；

·深度流水线和有片上Cache的芯片，能够探测具体哪条指令被取和最终执行；

·可以稳定地进行多内核处理器的调试。

4 调试技术的展望

通过上面的分析可以看出，目前的调试技术可以在频率100MHz、内部总线外部不可见、需要进行实时跟踪的情况下分发挥优势，弥补传统的远程调试器和在线仿真器的不足，并且成本非常低廉。