JTAGulator调试

前言

在线调试(OCD,On-Chip Debugging)接口可以提供对目标设备的芯片级控制,是工程师、研究人员、黑客用来提取程序固件代码或数据、修改存储器内容或改变设备操作的主要途径。如果你熟悉硬件电路或嵌入式系统,那么你肯定知道JTAG(Joint Test Action Group)和UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)可以说是使用最多的串行通信接口。

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JTAG规范没有标准的接口定义,所以你可以在各种PCB硬件上中见到4-20pin的JTAG Header,而且各个引脚的功能定义也无法确定,这给调试工作造成了很大的麻烦,下图列举了4种接口定义,有ARM公司的定义,有ST公司的定义等等。

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那如何知道引脚定义呢?传统的做法是通过逻辑分析仪做信号分析来解决,但是这样既费时费力又容易出错。于是自动化识别JTAG接口的设备便诞生了,例如有JTAGulator、JTAGenum、JTAG Finder、JTAG Pinout Tool等等,目前来说最好用的还是JTAGulator。

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图 1.3.5.3.4 - img

JTAGulator是一个开源硬件工具,可用于识别目标设备上测试点、过孔或元件焊盘的OCD连接,进而可以使用Attify Badge接线并读取程序固件。

JTAG规范

JTAG 在上一节 JTAG 调试中做过简单的介绍,JTAG 是联合测试工作组(Joint Test Action Group)的简称,是在名为标准测试访问端口和边界扫描结构的IEEE的标准1149.1的常用名称。此标准用于验证设计与测试生产出的印刷电路板功能。

1990年JTAG正式由IEEE的1149.1-1990号文档标准化,在1994年,加入了补充文档对边界扫描描述语言(BSDL)进行了说明。从那时开始,这个标准被全球的电子企业广泛采用。边界扫描几乎成为了JTAG的同义词。

JTAG的主要三大功能:

  1. 下载器,即下载程序固件到设备FLASH芯片。
  2. DEBUG,类似于医生的听诊器,可以探听芯片内部的错误。
  3. 边界扫描,可以访问芯片内部的型号逻辑状态,还有芯片引脚的状态等等。

在JTAG接口中,最常用的信号有五个,分别是TCK / TMS / TDO / TDI / TRST,其中4个是输入信号接口,另外1个是输出信号接口。

JTAG最初是用来对芯片进行测试的,其基本原理是在器件内部定义一个TAP(Test Access Port)并规定TAP状态机的行为,通过专用的测试工具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),对Flash等器件进行编程。下面,我们介绍一下这5个接口:

  • Test Clock Input (TCK) TCK在IEEE1149.1标准里是强制要求的。TCK为TAP的操作提供了一个独立的、基本的时钟信号,TAP的所有操作都是通过这个时钟信号来驱动的。
  • Test Mode SelectionInput (TMS) TMS信号在TCK的上升沿有效。TMS在IEEE1149.1标准里是强制要求的。TMS信号用来控制TAP状态机的转换。通过TMS信号,可以控制TAP在不同的状态间相互转换。
  • Test Data Input (TDI) TDI在IEEE1149.1标准里是强制要求的。TDI是数据输入的接口。所有要输入到特定寄存器的数据都是通过TDI接口一位一位串行输入的(由TCK驱动)。
  • Test Data Output (TDO) TDO在IEEE1149.1标准里是强制要求的。TDO是数据输出的接口。所有要从特定的寄存器中输出的数据都是通过TDO接口一位一位串行输出的(由TCK驱动)。
  • Test Reset Input (TRST) 这个信号接口在IEEE 1149.1标准里是可选的,并不是强制要求的。TRST可以用来对TAPController进行复位(初始化)。因为通过TMS也可以对TAP Controll进行复位(初始化)。所以有四线JTAG与五线JTAG之分。

JTAG接口可以一对一的使用,也可以组成菊花链的一对多拓扑结构,两种拓扑结构如下图所示。多核的芯片,其芯片内部已经接成了菊花链的形式。

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制作JTAGulator

JTAGulator官方售价$169,某宝代购价人民币1500元左右,自己DIY成本可以控制在每块板子人民币500元以内。

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JTAGulator的官网可以下载制作JTAGulator所需的所有资料,GERBER光绘文件,BOM元件列表等等。

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把GERBER光绘文件发往工厂打样PCB,等待2-3天即可到货,然后购买BOM表中的电子元器件。PCB我是在嘉立创打样,电子元件在立创商城购买。

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按照官网提供的PCB装配图将电子元器件用烙铁和焊锡焊接在PCB电路板上面。焊接完成后用洗板水清理松香和助焊剂的残留,在上电之前仔细检查是否存在虚焊和短路现象。

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通过Mini USB数据线连接电脑,打开“设备管理器”会看到一个串行通信端口。

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硬件测试没问题后在Github下载程序固件源码,给设备烧录程序固件需要安装芯片的烧录工具Propeller Tool

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将下载的程序固件源码解压出来,打开里面的"JTAGulator.eeprom"文件,点击"Load ARM"就可以烧录固件进板子。

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烧录完毕用串口调试工具打开JTAGulator对应的COM端口,波特路115200,按一下回车键,返回数据即可,"H"查看帮助,"I"查看版本。

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JTAG识别

用一块STM32开发板做测试,假装不知道它的引脚定义,板子单独供电,先用万用表测出GND引脚,然后把需要识别的引脚和GND引脚用杜邦线接到JTAGulator上。

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输入"J"进入JTAG模式,"V"设置电压,"I"是IDCODE扫描,然后设置通道范围,成功识别出引定义。

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UART识别

拿一台网件的路由器做测试,一样的步骤,先用万用表测出GND引脚,然后把剩下的脚接到JTAGulator上。

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成功识别出TX和RX引脚。

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还可以用JTAGulator通过UART串口调试路由器。

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总结

JTAGulator能够快速识别哪些引脚可能是JTAG,并找出这些引脚的顺序,在这里感谢作者Joe Grand开源这款硬件工具。

没有条件DIY的朋友可以尝试另一个比较便宜的方案JTAGenum,使用Arduino Nano开发板或树莓派烧录程序即可 。

JTAGulator和JTAGenum两者之间的差别是,JTAGulator硬件内置了电平转换和输入保护,就软件方面而言JTAGulator提供UART扫描,JTAGenum目前并不支持,JTAGulator还提供扫描未记录的JTAG接口功能,这也是JTAGenum目前不支持的功能。

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图 1.3.5.3.20 - img

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