使用EJTAG调试操作系统内核

江雪+钟逸+邵晨龙+曹子钰+李洋

摘要：本文简述了EJTAG的相关基础概念，探究了使用EJTAG对操作系统内核进行调试的可行性。

关键词：EJTAG；内核调试

1 前言

在gdb里调试普通应用程序时，执行r命令，程序才会运行起来。而直到程序遇到事先设置的断点，它才会停下。然而，对操作系统内核调试却不能遵循这个流程，因为系统启动后，内核就已经在运行了。本文简述了EJTAG的相关基础概念，探究了使用EJTAG对操作系统内核进行调试的可行性。

2 EJTAG介绍

EJTAG（Enhanced Joint Test Action Group）是MIPS公司根据IEEE 1149.1协议的基本构造和功能扩展而制定的规范，是一个硬件/软件子系统，在处理器内部实现了一套基于硬件的调试特性，用于支持片上调试。

EJTAG由ARM的JTAG发展而来，而JTAG的设计，原意便是对制作好的CPU进行测试。因此，它“够底层”，能够在不依赖于上层操作系统的前提下，直接对CPU进行操作，令CPU执行指定的机器码指令。而能够控制CPU执行特定指令，理论就可以让电脑执行任意操作，当然也就可以读写寄存器，读写内存，设置断点。

3 调试模式

要想让内核停止下来，只有使用EJTAG进入调试模式。调试模式下，内核停止运行，系统可供EJTAG观察和调试，类似于gdb调试应用程序时进入断点的情况。

要想使用EJTAG进入调试模式，比较常见的方式有这么几种：CPU执行SDBBP指令、EJTAG断点寄存器置位、单步调试等。这里让正在运转的内核进入调试模式，一般采用将EJTAG断点寄存器置位的办法。

其实在gdb中，也可以通过信号使程序暂停运行以供调试。而较为成熟的IDE，一般也都提供了调试时暂停的功能，比如开源跨平台的Eclipse。

总之，调试模式是一种程序停止运行的状态。在调试模式这一时间停止的状态下，才能对内核进行各种状态的观察，才能控制内核的运行情况。本文中的EJTAG调试均是在調试模式下完成的。

4 边界扫描

边界扫描是EJTAG调试中一个很重要的概念，其特点是在待测试芯片的每个引脚上添加一个移位寄存器，由于移位寄存器在芯片的边界上，所以被称作是边界扫描寄存器（Boundary-Scan Register Cell）。

正常工作的时候，这些移位寄存器是透明的，并不会对芯片的输入输出造成任何影响；而在调试的时候，配合TAP状态机的各种状态，移位寄存器可起到直接控制引脚的输入输出。简单的说，Capture-DR/Capture-IR状态和Update-DR/Update-IR状态，可以将引脚上的数据捕获到移位寄存器，或是从移位寄存器更新引脚上的数据。而在Shift-DR/Shift-IR状态下，这些移位寄存器可以通过TDI和TDO进行数值的移位输入输出，从而设置或是读取芯片各引脚的电平。

5 TAP原理

对边界扫描链的控制主要是通过TAP（Test Access Port）控制器来完成的。EJTAG标准中定义了TAP控制器，可以使EJTAG通过状态机实现相对比较复杂的功能。通过给TMS引脚输入不同的信号，即可让TAP控制器进入不同的状态，实现特定的功能。

TAP控制器的状态转化图如图1所示。可以看到图中有许多以DR和IR为后缀的状态，这些状态表示当前正对数据寄存器（Data Register）或指令寄存器（Instruction Register）进行操作。由于这两类状态的原理类似，只是面向的操作对象不同，因此下面对状态转换图中的重要状态进行介绍时，若状态以DR/IR为后缀，仅以数据寄存器（Data Register）为例来进行描述。

简单的说来，操作TAP控制器一般是如下流程（以Run-Test/Idle起，Run-Test/Idle止为例）：先通过设置TMS进入Shift-IR状态（TMS依次输入1100即可，下同），设置五位的IR寄存器来选择指令；然后经过Update-IR返回Run-Test/Idle。再之后进入Shift-DR来设置DR寄存器来设置刚刚所选指令的值，最后经过Upadate-IR返回Run-Test/Idle。比如，在Shift-IR状态下，TDI输入01010，可选中EJTAG控制寄存器；随后在Shift-DR状态下，TDI即可设置EJTAG控制寄存器的值。

6 小结

本文讲述了EJTAG的基础知识，并逐步讲述了设置EJTAG控制寄存器的方式。按照此种思路，能够实现系统内核的指令集调试乃至源码级调试，验证了EJTAG调试系统内核的可行性。

参考文献

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