嵌入式调试器原理和各类调试器集锦

Posted 2020-08-06 吴跃前

        工欲善其事，必先善其器。调试器在嵌入式开发调试中的重要性不言而喻，单步、断点和监察的效率远高于串口打印。但是，调试器对于一般开发人员往往是一个黑匣子。今天我们就来谈谈调试器的原理，顺便把自己的几类调试器接线和注意事项记录下来，以便查找。我常常要面对几个方案，而各个方案的调试器都不一样，接线有时连自己都记不住。所以这个帖子应值得嵌入式开发工程师收藏。

 

一、嵌入式调试多样性

我们先来回想调试的场景，思考一下这几个问题：

1. ARM开发环境有Keil、IAR、ADS等等，我们发现这几个平台都能用同一个调试器去调试ARM。

2.一个调试器可以调试多种不同型号的CPU，包括STM32控制器和高端的处理器。

3.一个调试器有时接20个pin的JTAG接口，有时接4个pin的SWD接口。

4.开发环境KEIL不仅支持ARM调试，还支持51单片机调试。

5.如果自己研发了一颗SOC芯片，并在JTAG的基础上增加一些定制的功能，又该如何实现？

 

二、JLink调试原理

OK，我们来分析一下JLINK的调试架构。我们都知道，JLINK是调试ARM体系的。

网上的资料有时旧了，有时抄来抄去出错了。我们就以官方的版本为例来说明。我们安装了JLINK驱动后，会在Doc\\Manuals目录有一个文件《UM08001_JLink.pdf》，这个文件就是Jlink的官方文档资料。

我们用这个架构图来一一解释上一节的问题，解开疑惑。

1.     对于第一个问题，JLINK定义了一个软件调试层面的RDI接口标准，即Remote debug interface. Keil、IAR、ADS这些开发环境按照RDI标准进行定制，即可以支持JLINK调试。RDI底层使用USB传输，当然，其他硬件接口也是可以的。

2.     对于第三个问题，ARM体系原先是支持JTAG硬件调试接口的，随着cortex系列增加SWD调试规范，现在越来越多的调试器选择SWD接口。其接线少，速率高，也比较稳定。JTAG 20个口太占用pin资源了。JLINK V6开始支持SWD，现在V8支持已经足够好了。

3.     对于第二个问题，不管是低端控制器，还是高端处理器，调试接口规范都是ARM体系的标准内容。ARM CPU原生支持JTAG/SWD调试协议接口。

OK，那JLINK这个角色是做什么的？

-----将RDI接口协议转换为JTAG/SWD接口协议！！！

例如，IDE上可以设置一个断点，那IDE会使用RDI的设置断点的API，而JLINK在实现这个API里面，就转化为JTAG/SWD标准规范里面的设置断点功能，并通过JTAG/SWD硬件接口输出到ARM CPU上。

 

三、IDE的调试开发

       第四个和第五个问题都涉及到IDE。如何回答这两个问题？

1.     从JLINK架构来看，调试包括：IDE->远程调试接口->调试器->硬件调试接口->CPU。

2.     对于KEIL支持51单片机，调试器必须要支持51 CPU的ISP调试规范。51单片机的调试似乎没有一家像JLINK那么有影响力的调试厂商。也许是因为51调试器相当简单吧，淘宝30块左右就能买到。

       那现在就剩下远程调试接口这个环节了，这个问题解决了，就把第五个问题也解决了，因为不管是通用的SOC，还是定制的SOC，CPU核心都是一致的，要么是ARM，要么是MIPS，要么51等等。每种CPU在其体系标准里面就决定了硬件调试规范了。要想调试CPU，其调试器必须要将上层的要求转化为符合其支持的硬件调试规范。

      那么，我们来重新思考IDE的设计。IDE在立项研发的时候显然希望能支持到不同体系的CPU，否则不是作死自己吗？所以，我们可以想象，IDE其实也面向第三方调试厂商开放自己的接口。这样各大厂商才能利用已经成熟的IDE。

      所以，我们来重新回答第四和第五个问题：

3.     IDE->第三方厂商实现KEIL的接口->第三方厂商的远程调试接口->第三方调试器->硬件调试接口->CPU. 所以，我们在JLINK架构图中看到，RDI接口其实是JLINK厂商定义的接口，而不是IDE厂商定义的。

4.     第四个问题：KEIL->第三方厂商实现KEIL的接口->第三方厂商的远程调试接口->第三方调试器->51调试规范->51 CPU

5.     第五个问题：从以上看来，其实第三方调试器厂商是可以在实现硬件调试规范的基础上，对于远程调试接口做灵活的定制的。甚至可以，在一款调试器的基础上，实现支持多种CPU。一般集成电路设计公司，都有自己的调试器，其要开发多种CPU体系的芯片，所以自己研发的调试器肯定能够多种不同的CPU的。

Ok，原理就说到这里，大家应该对调试器有较为深入的理解了吧。对于硬件调试规范，以后有时间再细谈吧。

 

四、ARM各类调试汇总

1. JLINK

       1. JLINK有不同的软件版本。不同版本的pin脚定义可能不一样，尤其是VCC. 这点，我倒是记忆犹新。

2.jlinkV6开始支持SWD模式。

JLINK的JTAG/SWD调试接口。VTref是输入，接目标板的VDD.

       3. 国内卖JLINK的厂商基本上都是抄人家的，所以自己在使用JLINK时也要以实测为准。我手上两个JLINK就截然不同。下图左边的JLINK,第19脚说是5v输出，实测是0。对于右边的JLINK的，1脚的VTref居然会输出V3.3，所以目标板可以直接以这个为电源来调试。对于左边的JLINK，目标板必须要提供电源给JLINK的1脚。

       4. JLINK可以支持STM32等cortex M3系列等等，A8等高级CPU也可以。蓝牙DA14580和NRF51822都是基于cortex M0，也可以。

2. STLINK

       STLINK是ST公司研发的，专门针对ST公司的产品，一般支持SWD模式。原理跟上面接收的相仿。ST意法半导体还研发了STM8微控制器，其还有一种调试模式是SWIM单总线调试接口。即只需要一个口来调试，当然还要VCC,GND和RST口。

3. TI的CC254X调试器

以上介绍的JTAG是20pin，其实JTAG还有10pin标准接口的，TI的CC254X调试器即是此种。

4.51调试器

一时找不到，不知道放到哪里了。