[hpm_application] 先楫硬件SPI模拟JTAG调试协议实现(一)

一、前言

本篇也是基于先楫单片机的调试器实现，模拟JTAG部分还是一样分为几篇进行阐述。对于JTAG协议，在ARM cortex-M中相对于SWD来说，并不常用。但随着riscv的发展，标准的riscv debug也是使用JTAG，JTAG对于调试器来说还是有一席之地的。

SPI模拟JTAG的文章，会分开几篇进行阐述，包括单SPI实现JTAG，双SPI实现JTAG，实际效果以及代码开源。

本篇使用先楫单SPI模拟JTAG时序原理，然后依次以IO模拟JTAG，FT2232，jlinkV11 plus的时序波形进行比较。

二、JTAG状态机

JTAG协议也就是IEEE 1149.1标准，起初是为了测试集成电路的逻辑信号提供的标准化协议，后扩展使用JTAG接口去做debug进行软件的数据寄存器、地址总线等调试。本文不做详细阐述，具体可参阅IEEE1149.1标准文档。

这里阐述下其状态机已经相关JTAG引脚作用。

（一）TAP控制器状态机

如下图的TAP控制器，所有的JTAG操作都是由以下16个同步状态机控制构成，状态的跳转由TMS的状态决定，左边代表控制数据寄存器（DR），右边代表控制指令寄存器（IR）。

比如DR一次完成的传输必须按照以下状态机进行，在一次CLOCK周期内

1、TMS=1，状态机由RUN_TEST/IDLE切换到SELECT_DR_SCAN

2、TMS=0，SELECT_DR_SCAN切换到CAPTURE_DR

3、TMS=0, CAPTURE_DR切换到SHIFT_DR，在这阶段TDO/TDI开始串行输入输出

4、TMS=1，SHIFT_DR切换到EXTI1_DR,这里也是SHIFT阶段最后一个bit传输。

5、TMS=0，EXTI1_DR切换到PAUSE_DR

6、TMS=1，PAUSE_DR切换到EXTI2_DR

7、TMS=1，EXTI2_DR切换到UPDATE_DR

8、TMS=0，UPDATE_DR切换到RUN_TEST/IDLE

（二）JTAG引脚作用

在1149.1标准中，定义了必须使用的JTAG引脚：TDI  TDO TMS TCK

从上图简单概括就是：

TCK 时钟，上升沿捕获输入，下降沿变更输出。

TMS 状态选择，仿真器在 TCK 下降沿输出，被测芯片在 TCK 上升沿捕获。

TDI 串行数据输入，仿真器在 TCK 下降沿输出，被测芯片在 TCK 上升沿捕获。

TDO 串行数据输出，被测芯片在 TCK 下降沿输出，仿真器在 TCK 上升沿捕获。

三、单SPI模拟JTAG实现

在上述阐述的JTAG时序，在单SPI实现上使用GPIO模拟JTAG TMS切换，而SPI的SCLK，MISO，MOSI分别模拟JTAG的TCK，TDI，TDO。以下参考：

从时序上看，SPI需要SCLK空闲时为低电平，第一个边沿采集（数据在SCLK的上升沿被采集）。也就是SPI模式0，在hpm_sdk中可定义：

在单SPI模拟JTAG有三个比较棘手的问题，也是极大拖累一次传输的带宽利用的问题：

（一）除SHIFT_DR/IR状态下的其他状态切换问题

由于每次状态的切换需要由TMS决定，除了SHIFT可保持TMS为低。导致带来的一个问题每个状态的切换都只能一次SPI位时钟，也就是1位SPI传输。

在一次SPI传输中，需要配置位宽，传输的长度，开启传输等寄存器，从赋值这几个寄存器的指令时间，比IO翻转一次赋值可能慢，唯一能加速的就是SHIFT数据移位阶段的提升。

（二）SHIFT_DR/IR状态最后一位的问题

shift_dr/ir状态的数据最后一位移位是在TMS切换到EXTI1_DR/IR时候完成，这也导致shift状态因为最后一位而导致TCK不连续下降了带宽利用。

（三）DAP源码对JTAG序列的处理问题

由于DAP源码的通用性，加之JTAG状态机存在的以上特殊点，DAP源码对于JTAG序列的处理也是分开为不同状态机的分包处理。

针对以上的问题，在不改变DAP源码的情况下，可根据先楫SPI的功能进行些许优化 。

（一）SPI的直接引脚控制功能

先楫的HPM5300系列的SPI有个直接引脚控制功能，该功能可以通过直接控制SPI的相关引脚实现特定时序。这个功能需要注意的是，但再次使用SPI传输时，需要关闭掉该功能。

这个可以在1位传输阶段，比如TCK的翻转以及TDI，TDO的赋值，能相对于IO模拟和SPI单bit传输提高一定的传输效率。

（二）SPI的FIFO利用

先楫HPM5300具有8个字的FIFO，总共算起来有32字节的FIFO，这对于JTAG的序列传输是相当足够的。

可根据FIFO的剩余依次赋值对应的TDI或者TDO。

四、单SPI效果性能

本验证使用openocd烧录下载HPM6750，使用RAM下载，jlinkV11 Plus使用segger gdb server（但无参考意义，因为烧录过程有读取过程损失）。

openocd设置的频率都是15M

波形使用一次TAP DR 41bit传输，从SELECT_DR_SCAN到UPDATE_DR阶段，计算一次传输所消耗的时间。

单SPI模拟的JTAG的一次DR传输在15M下5.878us，在25M下4.776us，可见通过提高SPI频率是可以提升TAP一次传输效率。

（一）相比于IO模拟的TAP传输的9.44us，单SPI模拟JTAG可提升两倍以上性能。

（二）相比与FT2232的15Mclk，单SPI模拟JTAG弱于50%性能。

（三）相比与Jlink V11plus的15M clk，单SPI模拟JTAG弱于96%性能。

（四) openocd下，FT2232和hpm5301使用单SPI模拟JTAG，15M固件烧录如下，FT2232 374KB/s，而Hpm5301使用单SPI模拟JTAG 279KB/S，但相对IO模拟的速度160KB/S已经提升不少。

在上述的性能比较中可知，单SPI对于带宽的利用不如FT2232和Jlink，这是由于JTAG时序状态切换不连续引起的时间损耗。

五、总结

1、对比IO模拟JTAG，单SPI模拟JTAG相对来说提升两倍性能以上，并且频率可调整。

2、对比于市面的FT2232，单SPI模拟JTAG的烧录速度明显较弱。

3、通过FT2232和JLINK时序观测，要保证其TAP传输阶段带宽最大化，必须保证TCK传输连续化以及TMS同步。要实现该性能，可通过双SPI模拟实现JTAG，一个SPI作为从机推TMS，一个SPI作为主机推TCK, TDI, TDO。这也是下篇文章的阐述内容，敬请期待。