ARM芯片架构之调试访问端口（DAP）
ARM CoreSight™ SoC-400
调试访问端口（Debug Access Port, DAP）说明
具体寄存器字段、位定义及长段原文请参考官方英文手册。
1 DAP 概述
Debug Access Port (DAP) 是 SoC 调试系统的核心组成部分，用于将外部调试器连接到片上资源。
关键特性：
- 统一的调试入口，可通过 JTAG 或 Serial Wire Debug (SWD) 接口。
- 由 调试端口（DP） 和一个或多个 访问端口（AP） 组成。
- 支持 AXI、AHB、APB 等多种 AMBA 总线访问。
- 可跨多电源域、异步时钟域，实现低功耗设计。
典型应用：
- 在芯片上下载/调试程序
- 访问片上存储器和外设寄存器
- 系统级跟踪和断点
2 SWJ-DP（Serial Wire / JTAG Debug Port）
SWJ-DP 既可以作为 JTAG-DP，也可以作为 SW-DP 工作，并能自动检测和切换模式。
主要功能：
- 模式切换：上电后可通过特定序列在 JTAG 与 SWD 之间切换。
- 可配置 IR 长度：4 位或 8 位 JTAG 指令寄存器。
- 电源管理握手：提供 cdbgpwrupreq、csyspwrupreq 等信号，与系统电源域协同。
关键接口：
| 信号 | 描述 |
|---|---|
| SWCLK / TCK | 时钟输入（SWD 或 JTAG） |
| SWDIO / TMS | 数据输入/输出或模式选择 |
| TDI | JTAG 输入 |
| TDO | JTAG 输出 |
| nRESET | 目标芯片复位控制 |
| nTRST | 可选的 JTAG 复位信号 |
2. 1架构与组成
SWJ-DP 实际上是一个调试访问端口（DAP，Debug Access Port）的变体，通常包括以下子模块：
-
DP 控制逻辑
- 管理调试器访问状态。
- 支持 SWD 和 JTAG 切换。
- 控制访问优先级和锁定状态。
-
寄存器接口
- CTRL/STAT 寄存器：DP 的全局控制和状态监控。
- SELECT 寄存器：选择要访问的 AP（Access Port）和 bank。
- RDBUFF 寄存器：读缓冲，保证连续访问一致性。
-
AP 访问桥
- 支持 AHB/APB 互连访问。
- 提供对 SoC 内存和外设的访问能力。
2.3. 关键寄存器
以下是 SWJ-DP 常用寄存器及功能描述：
| 寄存器 | 偏移 | 功能说明 |
|---|---|---|
| DPIDR | 0x00 | 设备 ID 寄存器，包含 SWJ-DP 的版本信息 |
| CTRL/STAT | 0x04 | 控制和状态寄存器，管理 DP 锁定、错误标志、调试器占用 |
| SELECT | 0x08 | 选择当前要访问的 AP 和 bank |
| RDBUFF | 0x0C | 读缓冲寄存器，确保多次访问数据一致性 |
| RESEND / ABORT | 0x0C/0x10 | 中止操作或重新发送请求 |
CTRL/STAT 寄存器字段示例：
| 位 | 名称 | 功能 |
|---|---|---|
| 0 | CDBGPWRUPREQ | 请求调试电源启动 |
| 1 | CDBGPWRUPACK | 调试电源启动确认 |
| 2 | CSYSPWRUPREQ | 系统电源请求 |
| 3 | CSYSPWRUPACK | 系统电源启动确认 |
| 4 | MASKLANE | 屏蔽访问线错误 |
| 5 | STICKYERR | 错误标志，保持直至清除 |
| 6 | ORUNERR | 总线访问超时错误 |
| 7 | WDATAERR | 写数据错误 |
2.4. 协议接口
SWJ-DP 支持两种访问协议：
2.4.1 SWD（Serial Wire Debug）
- 仅需两条信号线：SWCLK 和 SWDIO。
- 支持单调调试访问，适合低引脚设计。
- 数据传输使用序列化读写请求，DP 控制访问 AP。
.2 4.2 JTAG
- 使用标准 4-5 pin 接口：TCK、TMS、TDI、TDO、可选 nTRST。
- 提供 TAP 状态机控制访问。
- 适合传统调试工具和 FPGA/JTAG 仿真场景。
2.5. 调试访问流程
-
初始化 DP
- 配置 CTRL/STAT，确认调试电源开启。
- 检查 DP 锁定状态，确保调试器可以访问。
-
选择 AP 和 bank
- 写 SELECT 寄存器，确定要访问的外设或内存空间。
-
发起读写操作
- 写入数据或读缓冲寄存器。
- 监控 STICKYERR、ORUNERR 等错误标志。
-
完成访问
- 使用 ABORT 或 RESEND 清理状态。
- 可释放 DP 以允许其他调试器访问。
2.6. 注意事项
- SWJ-DP 可在 SWD 和 JTAG 模式间切换，但切换前必须确保总线处于空闲状态。
- 错误标志必须在后续访问前清除，否则会阻塞访问。
- 调试电源和系统电源状态必须正确设置，否则 AP 访问可能失败。
- SWJ-DP 的引脚与目标芯片设计相关，需要注意拉高/拉低电平配置。
3 DAPBUS Interconnect
DAPBUS 是 DP 与各 AP 之间的内部互连总线。
- 特点：组合逻辑互连、单电源域。
- 配置：支持 1–32 个主接口，易于扩展。
- 用途：实现来自不同 AP 的并发访问和仲裁。
4 DAPBUS Asynchronous Bridge
- 作用：在两个异步时钟域之间传输调试数据。
- 低功耗接口 (LPI)：支持跨电源域的电源管理。
- 配置模式：可作为纯主接口、纯从接口或完整桥接模块。
5 DAPBUS Synchronous Bridge
- 功能：在不同但同步的时钟域之间传输数据。
- 特点：
- 支持 1:1、1:n、n:1 等同步模式。
- 可选寄存器切片（前向、反向或完整）以简化时序收敛。
- 可选低功耗接口 (LPI)。
6 JTAG-AP
JTAG Access Port 提供 JTAG 主接口，用于驱动芯片内部 JTAG 链。
- 允许调试器直接访问多个 TAP 控制器。
- 支持多路并行 JTAG 端口。
- 常见信号包括 cstck、cstms、cstdo、cstdi 等。
7 AXI-AP
AXI Access Port 是一个 AXI4 主接口，可让调试器发起 AXI 事务以访问系统存储器。
主要特性：
- 32/64 位地址与数据宽度可配置。
- 支持 ACE-Lite 事务（ReadOnce、WriteUnique 等）。
- 仅支持对齐访问，不支持乱序和写数据交织。
AXI-AP (AXI Access Port) 是 CoreSight Debug Access Port (DAP) 的一种访问端口，用于让外部调试器通过 AXI4 总线访问片上系统存储器和外设。
它遵循 ARM ADIv5 规范，并实现 AMBA AXI4 主接口。
7.1. 主要功能
- 调试访问
允许外部调试工具在处理器停止或运行时直接读写系统内存、外设寄存器。 - 宽总线支持
32 位或 64 位地址宽度可配置；数据总线支持 32、64、128 位等实现。 - 非侵入式操作
通过 DAP 访问系统总线，不干扰正常的处理器执行流程。 - 多电源域/时钟域
可与 DAPBUS 异步桥或低功耗接口配合，实现跨电源域调试。
7.2. 接口信号示例
| 信号 | 方向 | 说明 |
|---|---|---|
| ACLK | Input | AXI 总线时钟 |
| ARESETn | Input | AXI 总线复位，低有效 |
| AWADDR | Output | 写地址总线 |
| AWPROT | Output | 写保护属性（安全/非安全、特权/用户等） |
| AWVALID | Output | 写地址有效指示 |
| WDATA | Output | 写数据总线 |
| WSTRB | Output | 写字节选通 |
| WVALID | Output | 写数据有效指示 |
| BREADY | Output | 写响应准备 |
| ARADDR | Output | 读地址总线 |
| ARPROT | Output | 读保护属性 |
| ARVALID | Output | 读地址有效指示 |
| RREADY | Output | 读数据准备 |
| RDATA | Input | 读数据 |
| RRESP | Input | 读响应 |
注：具体位宽和信号集合可能因实现而异，上表为典型 AXI4-Lite/AXI4 接口示例。
7.3. 事务类型与限制
- 支持的访问：
- 单次读写（Single Transfer）
- 增量型突发传输（Incrementing Burst）
- 不支持的访问：
- 乱序（Out-of-Order）
- 未对齐访问
- 数据交织写（Write Interleave）
7.4. 调试寄存器概览
AXI-AP 通过一组内存映射寄存器与 DAP 通信。典型寄存器包括：
| 寄存器 | 地址偏移 | 描述 |
|---|---|---|
| CSW | 0x00 | 控制与状态字，用于设置访问大小、自动增量等 |
| TAR | 0x04 | 传输地址寄存器，指定访问目标地址 |
| DRW | 0x0C | 数据读写寄存器 |
| CFG | 0xF4 | 配置寄存器，用于选择 AXI 属性、域等 |
具体寄存器字段请参考对应的 SoC 或 IP 提供商文档。
–
7.5. 调试场景示例
-
内存读取
- 调试器写 TAR 为目标地址。
- 设置 CSW 访问大小（如 32 位）并触发读操作。
- 从 DRW 读取数据。
-
内存写入
- 写 TAR 为目标地址。
- 向 DRW 写入数据，DAP 自动经 AXI 总线完成写事务。
7.6. 设计注意事项
- 时钟域跨越：若 DAP 和系统 AXI 总线位于不同的时钟域，需要使用异步桥。
- 安全属性：利用 AXI PROT 信号区分安全与非安全访问，以配合 TrustZone。
- 性能影响：在大规模调试访问中可能影响系统带宽，应合理规划。
8 AHB-AP
AHB Access Port 作为 AHB-Lite 主接口工作。
- 兼容 AMBA 2 AHB 和 TrustZone 扩展。
- 限制：不支持突发、排他或非对齐访问。
- 典型用途：访问共享内存、外设寄存器。
AHB-AP (AHB Access Port) 是 CoreSight DAP（Debug Access Port）的一种访问端口，用于让外部调试器通过 AMBA AHB-Lite 总线访问 SoC 的系统资源。
8.1. 功能概述
- 外部调试访问
允许调试器在处理器暂停或运行时直接读写片上存储器、外设寄存器。 - 符合 ADIv5 规范
与 ARM Debug Interface v5 配套使用。 - 主机角色
作为 AHB-Lite 主设备发起读写事务，而不是被动从设备。 - 跨电源/时钟域
可与 DAPBUS 异步桥和低功耗接口 (LPI) 配合，适用于多电源域 SoC。
8.2. 接口信号示例
| 信号 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| HCLK | Input | AHB 总线时钟 |
| HRESETn | Input | AHB 复位，低有效 |
| HADDR | Output | 地址总线（通常 32 位，可扩展） |
| HWDATA | Output | 写数据总线 |
| HRDATA | Input | 读数据总线 |
| HWRITE | Output | 传输方向：1 = 写，0 = 读 |
| HSIZE | Output | 访问大小（8/16/32 位） |
| HTRANS | Output | 传输类型（IDLE / NONSEQ） |
| HBURST | Output | 突发类型（AHB-AP 常用 SINGLE） |
| HPROT | Output | 保护属性（特权/用户、安全/非安全等） |
| HREADY | Input | 从设备准备就绪信号 |
| HRESP | Input | 从设备响应（OKAY/ERROR/RETRY/SPLIT） |
实际实现的位宽和信号集合可能因芯片而异，上表为典型 AHB-Lite 接口示例。
8.3. 访问能力与限制
- 支持的访问
- 单次读写（Single Transfer）
- 增量型突发（Incrementing Burst，通常限制为 4/8 beat）
- 限制
- 不支持非对齐访问
- 不支持排他访问（Exclusive Access）
- 不支持交织或乱序事务
8.4. 主要寄存器（通过 DAP 访问）
| 寄存器 | 偏移 | 描述 |
|---|---|---|
| CSW | 0x00 | Control/Status Word：设置访问大小、自动增量等 |
| TAR | 0x04 | Transfer Address Register：目标地址 |
| DRW | 0x0C | Data Read/Write：读写数据通道 |
| CFG | 0xF4 | Configuration：选择安全属性、调试域等 |
具体字段定义请参考对应 SoC 或 IP 提供商的文档。
8.5. 调试操作示例
内存读取
- 调试器写
TAR为目标地址。 - 配置
CSW（访问大小、是否自动递增）。 - 读取
DRW获取数据。
内存写入
- 调试器写
TAR为目标地址。 - 将数据写入
DRW，AHB-AP 自动发起写事务。
8.6. 设计注意事项
- 时钟域跨越
如 DAP 与系统 AHB 时钟不同，需搭配异步桥以确保数据可靠。 - 安全/特权属性
利用HPROT与 TrustZone 配合实现安全访问。 - 性能影响
大规模调试访问可能暂时占用总线带宽，需要在系统设计中考虑仲裁策略。
9 APB-AP
APB Access Port 负责访问 CoreSight 调试 APB 总线。
- 固定 32 位数据宽度。
- 支持 PADDR31 信号，用于区分外部调试器访问和片上调试软件访问。
APB-AP (APB Access Port) 是 ARM CoreSight DAP（Debug Access Port）的一种访问端口。
它提供 AMBA APB3 主接口，让外部调试器能够访问片上的 Debug APB 总线，用于控制和配置各种 CoreSight 组件（如 ETM、CTI、Funnel 等）。
9.1 功能概述
-
调试总线桥接
- 通过 DAP 将外部调试器与 SoC 内部的 APB 总线连接。
- 实现 CoreSight 模块的寄存器读写，而无需干扰处理器运行。
-
32 位固定数据宽度
- 读写事务均为单次 32 位传输。
- 访问简单、低延迟，适合寄存器级调试。
-
符合 ADIv5 规范
- 与其他 Access Port 一样通过标准 DAP 总线访问和配置。
9.2. 接口信号示例
| 信号 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| PCLK | Input | APB 总线时钟 |
| PRESETn | Input | APB 总线复位，低有效 |
| PADDR | Output | 32 位地址总线 |
| PWDATA | Output | 32 位写数据总线 |
| PRDATA | Input | 32 位读数据总线 |
| PWRITE | Output | 1 = 写操作，0 = 读操作 |
| PSEL | Output | 片选信号 |
| PENABLE | Output | 访问阶段使能信号 |
| PREADY | Input | 从设备准备就绪 |
| PSLVERR | Input | 从设备错误指示 |
上表为标准 AMBA APB3 接口信号，具体位宽可随实现微调。
9.3. 访问流程
-
写访问
- 调试器向
TAR（Transfer Address Register）写入目标地址。 - 将数据写入
DRW（Data Read/Write），APB-AP 通过 APB 发起写事务。
- 调试器向
-
读访问
- 写入
TAR为目标寄存器地址。 - 读取
DRW获得从设备返回的数据。
- 写入
9.4. 主要寄存器（通过 DAP 访问）
| 寄存器 | 偏移 | 描述 |
|---|---|---|
| CSW | 0x00 | Control/Status Word：配置访问大小（固定 32 位）、自动增量等 |
| TAR | 0x04 | Transfer Address Register：目标寄存器地址 |
| DRW | 0x0C | Data Read/Write：实际数据读写通道 |
| CFG | 0xF4 | Configuration：配置安全属性、调试域等 |
具体字段与位定义请参考芯片或 IP 提供商的详细文档。
9.5. 特性与限制
- 固定 32 位数据宽度：不支持 8/16 位访问。
- 单周期访问：所有事务为单拍 (single transfer)。
- 调试器专用：常用于配置 ETM、CTI、TPIU、Funnel 等 CoreSight 模块。
9. 6. 设计与使用注意事项
- 低功耗设计
- APB-AP 可与 DAPBUS 异步桥搭配，在 SoC 分电源域时仍可访问。
- 安全属性
- 通过配置寄存器选择 Secure/Non-secure 访问，以配合 TrustZone 架构。
- 带宽与性能
- 由于 APB 本身为低带宽协议，适合配置寄存器而非大规模数据传输。