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一、JTAG簡介 目前RISC-V官方支持的調試方式是JTAG(Joint Test Action Group)，而ARM支持的調試方式有JTAG和SWD(Serial Wire Debug)這兩種。 JTAG是一種國際標準的調試方式(IEEE1149.1)，而SWD是ARM開發的。標準JTAG采用四線方式，分別是TCK、TMS、TDI和TDO，有一個可選的TRST引腳。 ● TCK：測試時鐘輸入。 ● TMS：測試模式選擇。 ● TDI：測試數據輸入。 ● TDO：測試數據輸出。 在調試時需要用到一個工具，比如JLink或者CMSIS-DAP，對于這個工具，在這里稱為JTAG主機(JTAG host)，而嵌入在芯片內部的JTAG稱為JTAG從機(JTAG slave)，需要注意的是上面這些信號的輸入輸出方向是對于JTAG從機來說的。下文中如無特別說明，JTAG都是指JTAG從機。 一個JTAG主機可以同時對多個JTAG從機進行調試，這通過JTAG掃描鏈(JTAG Scan Chain)完成，如圖1所示。 圖1 一個JTAG主機連接多個JTAG從機 JTAG內部有一個TAP(Test Access Port)控制器(或者說狀態機)，通過TCK和TMS信號來改變狀態機的狀態。這個狀態機的核心是兩路SCAN，分別是IR SCAN和DR SCAN，TAP狀態機如圖2所示。 圖2 TAP狀態機 箭頭上的0或1表示的是TMS信號的電平。JTAG在每一個TCK信號的上升沿采樣TMS信號和TDI信號，決定狀態機的狀態是否發生變化，在每一個TCK信號的下降沿輸出TDO信號。可以看到，無論TAP目前處于哪一個狀態，只要TMS保持高電平并持續5個TCK時鐘，則TAP一定會回到Test-Logic-Reset狀態。 JTAG內部有一個IR(instruction register)寄存器和多個DR(data register)寄存器，IR寄存器決定要訪問的是哪一個DR寄存器。DR寄存器有IDCODE、BYPASS等。在Test-Logic-Reset狀態下IR寄存器默認選擇的是IDCODE這個DR寄存器。 JTAG主機通過IR SCAN設置IR寄存器的值，然后通過DR SCAN來讀、寫相應的DR寄存器。 二、RISC-V調試Spec 調試模塊在CPU芯片設計里是最為不起眼的，但又是最為復雜的模塊之一，大部分開源的處理器IP都沒有調試模塊。 下面的內容基于RISC-V debug spec 0.13版本。 目前RISC-V的官方調試上位機是openocd，調試工具可以是JLink或者CMSIS-DAP，RISC-V調試系統框架如圖3所示。 圖3 RISC-V調試系統框架 可以看到主要分為3個部分，分別是Debug Host，可以理解為PC；Debug Hardware，可以理解為JLink或者CMSIS-DAP這樣的調試工具；第三部分就是嵌入在芯片內部的調試模塊。在調試模塊內部，與調試工具直接交互的是DTM模塊，DTM模塊通過DMI接口與DM模塊交互。 1>DTM模塊 在DTM模塊里實現了一個TAP控制器(狀態機)，其中IR寄存器的長度最少為5位，當TAP控制器復位時，IR的值默認為5\'b00001，即選擇的是IDCODE寄存器。DTM模塊的寄存器(DR寄存器)定義如圖4所示。 圖4 DTM寄存器 其中紅色框起來的寄存器是必須要實現的。下面簡單介紹一下這幾個寄存器。 ① IDCODE寄存器(0x01) 當TAP狀態機復位時，IR寄存器的值默認為0x01，即選擇的是IDCODE寄存器。IDCODE寄存器的每一位含義如圖5所示。IDCODE是只讀寄存器。 圖5 IDCODE寄存器 ● Version：只讀，版本號，可為任意值。 ● PartNumber：只讀，可為任意值。 ● Manufld：只讀，廠商號，遵循JEP106標準分配，實際中可為任意值，只要不與已分配的廠商號沖突即可。 ② DTM控制和狀態寄存器(dtmcs，0x10) dtmcs寄存器的每一位含義如圖6所示。 圖6 dtmcs寄存器 ● dmihardreset：DTM模塊硬復位，寫1有效。 ● dmireset：清除出錯，寫1有效。 ● idle：只讀，JTAG 主機在Run-Test-Idle狀態停留的時鐘周期數，0表示不需要進入Run-Test-Idle狀態，1表示進入Run-Test-Idle狀態后可以馬上進入下一個狀態，以此類推。 ● dmistat：只讀，上一次操作的狀態。0表示無出錯，1或者2表示操作出錯，3表示操作還未完成。 ● abits：只讀，dmi寄存器中address域的大小(位數)。 ● version：只讀，實現所對應的spec版本，0表示0.11版本，1表示0.13版本。 ③ DM模塊接口訪問寄存器(dmi，0x11) dmi寄存器的每一位含義如圖7所示。 圖7 dmi寄存器 ● address：可讀可寫，DM寄存器的長度(位數)。 ● data：可讀可寫，往DM寄存器讀、寫的數據，固定為32位。 ● op：可讀可寫，讀或者寫這個域時有不同的含義。當寫這個域時，寫0表示忽略address和data的值，相當于nop操作；寫1表示從address指定的寄存器讀數據；寫2表示把data的數據寫到address指定的寄存器。寫3為保留值。當讀這個域時，0表示上一個操作正確完成；1為保留值；2表示上一個操作失敗，這個狀態是會被記住的，因此需要往dtmcs寄存器的dmireset域寫1才能清除這個狀態。3表示上一個操作還未完成。 在Update-DR狀態時，DTM開始執行op指定的操作。在Capture-DR狀態時，DTM更新data域。 ④ BYPASS寄存器(0x1f) 只讀，長度為1，值固定為0。 2>DM模塊 從圖3可知，DM模塊訪問RISC-V Core有兩種方式，一種是通過abstract command，另一種是通過system bus。abstract command方式是必須要實現的，system bus的方式是可選的。 DM模塊的寄存器都為32位，定義如圖8所示。 圖8 DM寄存器 下面介紹一下紅色框起來這幾個重要的寄存器。 ① data寄存器(data0-data11，0x04-0x0f) 這12個寄存器是用于abstract command的數據寄存器，長度為32位，可讀可寫。 ② DM控制寄存器(dmcontrol，0x10) dmcontrol寄存器的每一位含義如圖9所示。 圖9 dmcontrol寄存器 ● haltreq：只寫，寫1表示halt(暫停)當前hart(hart表示CPU核，存在多核的情況)。 ● resumereq：只能寫1，寫1表示resume(恢復)當前hart，即go。 ● hartreset：可讀可寫，寫1表示復位DM模塊，寫0表示撤銷復位，這是一個可選的位。 ● ackhavereset：只能寫1，寫1表示清除當前hart的havereset狀態。 ● hasel：可讀可寫，0表示當前只有一個已經被選擇了的hart，1表示當前可能有多個已經被選擇了的hart。 ● hartsello：可讀可寫，當前選擇的hart的低10位。1位表示一個hart。 ● hartselhi：可讀可寫，當前選擇的hart的高10位。1位表示一個hart。如果只有一個hart，那么hasel的值為0，hartsello的值為1，hartselhi的值為0。 ● setresethaltreq：只能寫1，寫1表示當前選擇的hart復位后處于harted狀態。 ● clrresethaltreq：只能寫1，寫1表示清除setresethaltreq的值。 ● ndmreset：可讀可寫，寫1表示復位整個系統，寫0表示撤銷復位。 ● dmactive：可讀可寫，寫0表示復位DM模塊，寫1表示讓DM模塊正常工作。正常調試時，此位必須為1。 ③ DM狀態寄存器(dmstatus，0x11) dmstatus寄存器是一個只讀寄存器，每一位含義如圖10所示。 圖10 dmstatus寄存器 ● impebreak：1表示執行完progbuf的指令后自動插入一條ebreak指令，這樣就可以節省一個progbuf。當progbufsize的值為1時，此值必須為1。 ● allhavereset：1表示當前選擇的hart已經復位。 ● anyhavereset：1表示當前選擇的hart至少有一個已經復位。 ● allresumeack：1表示當前選擇的所有hart已經應答上一次的resume請求。 ● anyresumeack：1表示當前選擇的hart至少有一個已經應答上一次的resume請求。 ● allnonexistent：1表示當前選擇的hart不存在于當前平臺。 ● anynonexistent：1表示至少有一個選擇了的hart不存在于當前平臺。 ● allunavail：1表示當前選擇的hart都不可用。 ● anyunavail：1表示至少有一個選擇了的hart不可用。 ● allrunning：1表示當前選擇的hart都處于running狀態。 ● anyrunning：1表示至少有一個選擇了的hart處于running狀態。 ● allhalted：1表示當前選擇的hart都處于halted狀態。 ● anyhalted：1表示至少有一個選擇了的hart處于halted狀態。 ● authenticated：0表示使用DM模塊之前需要進行認證，1表示已經通過認證。 ● authbusy：0表示可以進行正常的認證，1表示認證處于忙狀態。 ● hasresethaltreq：1表示DM模塊支持復位后處于halted狀態，0表示不支持。 ● confstrptrvalid：1表示confstrptr0~3寄存器保存了配置字符串的地址。 ● version：0表示DM模塊不存在，1表示DM模塊的版本為0.11，2表示DM模塊的版本為0.13。 ④ abstract控制和狀態寄存器(abstractcs，0x16) abstractcs寄存器定義如圖11所示。 圖11 abstractcs寄存器 ● progbufsize：只讀，program buffer的個數，取值范圍為0~16，每一個的大小為32位。 ● busy：只讀，1表示abstract命令正在執行，當寫command寄存器后該位應該馬上被置位直到命令執行完成。 ● cmderr：可讀、只能寫1，cmderr的值僅當busy位為0時有效。0表示無錯誤，1表示正在操作command、abstractcs、data或者progbuf寄存器，2表示不支持當前命令，3表示執行命令時出現異常，4表示由于當前hart不可用，或者不是處于halted/running狀態而不能被執行，5表示由于總線出錯(對齊、訪問大小、超時)導致的錯誤，7表示其他錯誤。寫1清零cmderr。 ● datacount：只讀，所實現的data寄存器的個數。 ⑤ abstract命令寄存器(command，0x17) 當寫這個寄存器時，相應的操作就會被執行。command寄存器只能寫，定義如圖12所示。 圖12 command寄存器 ● cmdtype：只寫，命令類型，0為表示訪問寄存器，1表示快速訪問，2表示訪問內存。 ● control：只寫，不同的命令類型有不同的含義，說明如下。 當cmdtype為0時，control定義如圖13所示。 圖13 訪問寄存器 ● cmdtype：值為0。 ● aarsize：2表示訪問寄存器的最低32位，3表示訪問寄存器的最低64位，4表示訪問寄存器的最低128位。如果大于實際寄存器的大小則此次訪問是失敗的。 ● aarpostincrement：1表示成功訪問寄存器后自動增加regno的值。 ● postexec：1表示執行progbuf里的內容(指令)。 ● transfer：0表示不執行write指定的操作，1表示執行write指定的操作。 ● write：0表示從指定的寄存器拷貝數據到arg0指定的data寄存器。1表示從arg0指定的data寄存器拷貝數據到指定的寄存器。 ● regno：要訪問的寄存器。 綜上，可知： Ⅰ. 當write=0，transfer=1時，從regno指定的寄存器拷貝數據到arg0對應的data寄存器。 Ⅱ. 當write=1，transfer=1時，從arg0對應的data寄存器拷貝數據到regno指定的寄存器。 Ⅲ. 當aarpostincrement=1時，將regno的值加1。 Ⅳ. 當postexec=1時，執行progbuf寄存器里的指令。 arg對應的data寄存器如圖14所示。 圖14 arg對應的data寄存器 即當訪問的寄存器位數為32位時，arg0對應data0寄存器，arg1對應data1寄存器，arg2對應data2寄存器。 當cmdtype為1時，control定義如圖15所示。 圖15 快速訪問 ● cmdtyte：值為1。 此命令會執行以下操作： 1）halt住當前hart。 2）執行progbuf寄存器里的指令。 3）resume當前hart。 當cmdtype為2時，control定義如圖16所示。 圖16 訪問內存 ● cmdtype：值為2。 ● aamvirtual：0表示訪問的是物理地址，1表示訪問的是虛擬地址。 ● aamsize：0表示訪問內存的低8位，1表示訪問內存的低16位，2表示訪問內存的低32位，3表示訪問內存的低64位，4表示訪問內存的低128位。 ● aampostincrement：1表示訪問成功后，將arg1對應的data寄存器的值加上aamsize對應的字節數。 ● write：0表示從arg1指定的地址拷貝數據到arg0指定的data寄存器，1表示從arg0指定的data寄存器拷貝數據到arg1指定的地址。 ● target-specific：保留。 綜上，可知： Ⅰ. 當write=0時，從arg1指定的地址拷貝數據到arg0指定的data寄存器。 Ⅱ. 當write=1時，從arg0指定的data寄存器拷貝數據到arg1指定的地址。 Ⅲ. 當aampostincrement=1時，增加arg1對應的data寄存器的值。 ⑥ 系統總線訪問控制和狀態寄存器(sbcs，0x38) sbcs寄存器定義如圖17所示。 圖17 sbcs寄存器 ● sbversion：只讀，0表示system bus是2018.1.1之前的版本，1表示當前debug spec的版本，即0.13版本。 ● sbbusyerror：只讀，寫1清零，當debugger要進行system bus訪問操作時，如果上一次的system bus訪問還在進行中，此時會置位該位。 ● sbbusy：只讀，1表示system bus正在忙。在進行system bus訪問前必須確保該位為0。 ● sbreadonaddr：可讀可寫，1表示每次往sbaddress0寄存器寫數據時，將會自動觸發system bus從新的地址讀取數據。 ● sbaccess：可讀可寫，訪問的數據寬度，0表示8位，1表示16位，2表示32位，3表示64位，4表示128位。 ● sbautoincrement：可讀可寫，1表示每次system bus訪問后自動將sbaddress的值加上sbaccess的大小(字節)。 ● sbreadondata：可讀可寫，1表示每次從sbdata0寄存器讀數據后將自動觸發system bus從新的地址讀取數據。 ● sberror：可讀，寫1清零，0表示無錯誤，1表示超時，2表示訪問地址錯誤，3表示地址對齊錯誤，4表示訪問大小錯誤，7表示其他錯誤。 ● sbasize：只讀，system bus地址寬度(位數)，0表示不支持system bus訪問。 ● sbaccess128：只讀，1表示system bus支持128位訪問。 ● sbaccess64：只讀，1表示system bus支持64位訪問。 ● sbaccess32：只讀，1表示system bus支持32位訪問。 ● sbaccess16：只讀，1表示system bus支持16位訪問。 ● sbaccess8：只讀，1表示system bus支持8位訪問。 ⑦ 系統總線地址0寄存器(sbaddress0，0x39) 可讀可寫，如果sbcs寄存器中的sbasize的值為0，那么此寄存器可以不用實現。 當寫該寄存器時，會執行以下流程： Ⅰ. 設置sbcs.sbbusy的值為1。 Ⅱ. 從新的sbaddress地址讀取數據。 Ⅲ. 如果讀取成功并且sbcs.sbautoincrement的值為1，則增加sbaddress的值。 Ⅳ. 設置sbcs.sbbusy的值為0。 ⑧ 系統總線數據0寄存器(sbdata0，0x3c) 可讀可寫，如果sbcs寄存器中的所有sbaccessxx的值都為0，那么此寄存器可以不用實現。 當寫該寄存器時，會執行以下流程： Ⅰ. 設置sbcs.sbbusy的值為1。 Ⅱ. 將sbdata的值寫到sbaddress指定的地址。 Ⅲ. 如果寫成功并且sbcs.sbautoincrement的值為1，則增加sbaddress的值。 Ⅳ. 設置sbcs.sbbusy的值為0。 當讀該寄存器時，會執行以下流程： Ⅰ. 準備返回讀取的數據。 Ⅱ. 設置sbcs.sbbusy的值為1。 Ⅲ. 如果sbcs.sbautoincrement的值為1，則增加sbaddress的值。 Ⅳ. 如果sbcs.sbreadondata的值為1，則開始下一次讀操作。 Ⅴ. 設置sbcs.sbbusy的值為0。 三、RISC-V調試上位機分析 RISC-V官方支持的調試器上位機是openocd。openocd是地表最強大(沒有之一)的開源調試上位機，支持各種target(ARM(M、A系列)、FPGA、RISC-V等)，支持各種調試器(Jlink、CMSIS-DAP、FTDI等)，支持JTAG和SWD接口。 這里不打算詳細分析整個openocd的實現，只是重點關注針對RISC-V平臺的初始化、讀寫寄存器和讀寫內存這幾個流程。 1>openocd啟動過程 openocd啟動時需要通過-f參數制定一個cfg文件，比如： openocd.exe -f riscv.cfg riscv.cfg文件的內容如下： adapter_khz1000 reset_config srst_only adapter_nsrst_assert_width 100 interface cmsis-dap transport select jtag set _CHIPNAME riscv jtag newtap $_CHIPNAME cpu -irlen 5 -expected-id 0x1e200a6d set _TARGETNAME $_CHIPNAME.cpu target create $_TARGETNAME riscv -chain-position $_TARGETNAME ■ 第一行設置TCK的時鐘為1000KHz。 ■ 第二行表示不支持通過TRST引腳復位，只支持TMS為高電平并持續5個TCK時鐘這種方式的復位。 ■ 第三行是復位持續的延時。 ■ 第四行指定調試器為CMSIS-DAP。 ■ 第五行指定調試接口為JTAG。 ■ 第六行指定調試的target類型為riscv。 ■ 第七行指定生成一個IR寄存器長度為5位、IDCODE為0x1e200a6d的JTAG TAP。 ■ 第八、九行指定生成一個riscv target。 openocd啟動時的主要流程如圖18所示。 圖18 openocd啟動流程 下面重點關注一下examine target這個流程。 這里的target是指riscv，對于riscv，首先會讀取dtmcontrol這個寄存器，因為openocd支持0.11和0.13版本的DTM，通過這個寄存器可以知道當前調試的DTM是哪一個版本。這里選擇0.13版本來分析。通過讀取dtmcontrol，還可以知道idle、abits這些參數。接下來會將dmcontrol這個寄存器的dmactive域寫0后再寫1來復位DM模塊。接下來再讀取dmstatus，判斷version域是否為2。接下來還會讀取sbcs和abstractcs寄存器，最后就是初始化每一個hart的寄存器。 2>read register過程 讀寄存器時，先構建command寄存器的內容，首先將cmdtype的值設為0，aarsize的值設為2(寄存器的寬度為32位)，transfer的值設為1，regno的值設為要讀的寄存器的number，其他值設為0，然后寫到command寄存器里。然后一直讀取abstractcs寄存器，直到abstractcs寄存器的busy位為0或者超時。然后再判斷abstractcs寄存器的cmderr的值是否為0，如果不為0則表示此次讀取寄存器失敗，如果為0則繼續讀取data0寄存器，這樣就可以得到想要讀的寄存器的值。 3>write register過程 寫寄存器時，先將需要寫的值寫到data0寄存器，然后構建command寄存器的內容，首先將cmdtype的值設為0，aarsize的值設為2(寄存器的寬度為32位)，transfer的值設為1，write的值設為1，regno的值設為要寫的寄存器的number，其他值設為0，然后寫到command寄存器里。然后一直讀取abstractcs寄存器，直到abstractcs寄存器的busy位為0或者超時。然后再判斷abstractcs寄存器的cmderr的值是否為0，如果不為0則表示此次寫寄存器失敗，如果為0則表示寫寄存器成功。 4>read memory過程 如果progbufsize的值大于等于2，則會優先使用通過執行指令的方式來讀取內存。這里不分析這種方式，而是分析使用system bus的方式。通過前面的分析可知，system bus有兩個版本V0和V1，這里以V1版本來說明。 先將sbcs寄存器的sbreadonaddr的值設為1，sbaccess的值設為2(32位)，然后將要讀內存的地址寫入sbaddress0寄存器。接著讀sbdata0寄存器，最后讀sbcs寄存器，如果其中的sbbusy、sberror和sbbusyerror都為0，則從sbdata0讀取到的內容就是要讀的內存的值。 5>write memory過程 和read memory類似，同樣以V1版本來說明。 先將要寫的內存地址寫到sbaddress0寄存器，然后將要寫的數據寫到data0寄存器，最后讀sbcs寄存器，如果其中的sbbusy、sberror和sbbusyerror都為0，則此次寫內存成功。 四、RISC-V JTAG的實現 通過在STM32F103C8T6上實現(模擬)RISC-V調試標準，進一步加深對RISC-V JTAG調試的理解。 使用STM32的四個GPIO作為JTAG信號的四根線，其中TCK所在的引腳設為外部中斷，即上升沿和下降沿觸發方式，實現了可以通過openocd以RISC-V的調試標準來訪問STM32的寄存器和內存。程序流程如圖19所示。 圖19 JTAG實現的程序流程 五、參考資料 1、在STM32上模擬RISC-V JTAG的實現：stm32_riscv_jtag_slave 2、一個從零開始寫的易懂的RISC-V處理器核：tinyriscv

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原創聲明：該文章是個人在項目中親歷后的經驗總結和分享，如有搬運需求請注明出處。 這是“深入淺出系列”文章的第一篇，主要記錄和分享程序設計的一些思想和方法論，如果讀者覺得所有受用，還請“一鍵三連