谈谈单片机常用调试的接口：SWD、JTAG、Jlink、Ulink、STlink

搞嵌入式开发和ARM开发搞了半辈子了，调试程序是不可避免的。接触了那么多的调试规范、调试工具、调试手段，彼此之间的关系却也不是特别清楚，今天就来捋一捋：

JTAG协议

JTAG（Joint Test Action Group，联合测试行动小组）是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持JTAG协议，如ARM、DSP、FPGA器件等。标准的JTAG接口是4线：TMS、 TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。 相关JTAG引脚的定义为：

· TMS：测试模式选择，TMS用来设置JTAG接口处于某种特定的测试模式；

· TCK：测试时钟输入；

· TDI：测试数据输入，数据通过TDI引脚输入JTAG接口；

· TDO：测试数据输出，数据通过TDO引 脚从JTAG接口输出；

JTAG协议在定义时，由于当时的计算机（PC机）普遍带有并口，因而在连接计算机端是定义使用的并口。而计算机到了今天，不要说笔记本电脑，现在台式计算机上面有并口的都很少了，取而代之的是越来越多的USB接口。所以，目前市场上已经很少看到它的身影了。

SWD接口

串行调试（Serial Wire Debug），应该可以算是一种和JTAG不同的调试模式，使用的调试协议也应该不一样，所以最直接的体现在调试接口上，与JTAG的20个引脚相比，SWD只需要4个（或者5个）引脚，结构简单，但是使用范围没有JTAG广泛，主流调试器上也是后来才加的SWD调试模式。

SWD和传统的调试方式区别：

· SWD模式比JTAG在高速模式下面更加可靠。在大数据量的情况下面JTAG下载程序会失败，但是SWD发生的几率会小很多。基本使用JTAG仿真模式的情况下是可以直接使用SWD模式的，只要你的仿真器支持，所以推荐大家使用这个模式。

· 在大家GPIO刚好缺一个的时候，可以使用SWD仿真，这种模式支持更少的引脚。

· 在大家板子的体积有限的时候推荐使用SWD模式，它需要的引脚少，当然需要的PCB空间就小啦！比如你可以选择一个很小的2.54间距的5芯端子做仿真接口。

RDI接口

远程调试接口（Remote Debug Interface），是ARM公司提出的标准调试接口，主要用于ARM芯片的仿真，由于各个IDE厂商使用的调试接口各自独立，硬件无法进行跨平台的调试。现在众多的IDE厂家都逐步采用标准RDI作为ARM仿真器的调试接口，因此使跨平台的硬件调试成为可能。EasyJTAG由于使用标准RDI调试接口，因此在任何使用标准RDI接口的IDE调试环境中都可以使用，例如ARM公司的ADS1.2/IAR公司的EWARM 3.30 。

JLink仿真器

J-Link是德国SEGGER公司推出基于JTAG的仿真器。简单地说，是给一个JTAG协议转换盒，即一个小型USB到JTAG的转换盒，其连接到计算机用的是USB接口，而到目标板内部用的还是jtag协议。它完成了一个从软件到硬件转换的工作。

JLINK是一个通用的开发工具，可以用于KEIL、IAR、ADS 等平台。速度，效率，功能都很好，据说是众多仿真器里最强悍的。

ULink仿真器

ULINK是ARM/KEIL公司推出的仿真器，目前网上可找到的是其升级版本，ULINK2和ULINK Pro仿真器。ULINK/ULINK2可以配合Keil软件实现仿真功能，并且仅可以在Keil软件上使用，增加了串行调试（SWD）支持，返回时钟支持和实时代理等功能。开发工程师通过结合使用RealView MDK的调试器和ULINK2，可以方便的在目标硬件上进行片上调试（使用on-chip JTAG，SWD和OCDS）、Flash编程。

但是要注意的是，ULINK是KEIL公司开发的仿真器，专用于KEIL平台下使用，ADS、IAR下不能使用。

ST-Link仿真器

ST-LINK是专门针对意法半导体STM8和STM32系列芯片的仿真器。ST-LINK /V2指定的SWIM标准接口和JTAG / SWD标准接口，其主要功能有：

· 编程功能：可烧写FLASH ROM、EEPROM、AFR等；

仿真功能：支持全速运行、单步调试、断点调试等各种调试方法，可查看IO状态，变量数据等；

仿真性能：采用USB2.0接口进行仿真调试，单步调试，断点调试，反应速度快；

· 编程性能：采用USB2.0接口，进行SWIM / JTAG / SWD下载，下载速度快；

详解单片机的IO接口

MCS-51系列单片机有4组I/O接口：P0、P1、P2和P3。前面简单介绍了一下各个端口，要学好单片机技术，非常有必要详细了解这些端口的内部结构及工作原理。

P0端口

P0 端口有 P0.0～P0.7 共 8 个引脚，这些引脚除了可作 I/O 引脚外，在外接存储器时，还可作地址 / 数据总线引脚。 P0端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图2-6所示。

图2-6 P0端口内部电路结构

(1)当P0端口用作输出端口时

如果要将P0端口用作输出端口，单片机内部的CPU会发出一个“0”到与门的控制端。控制端的“0”一方面关闭与门(即与门的一端为“0”时，不管另一端输入何种信号，输出都为“0”)，使地址/数据总线送来的信号无法通过与门;另一方面控制电子开关，让电子开关与锁存器的Q端接通。

此时若给锁存器的写锁存器端送写脉冲信号，内部总线送来的数据就可以通过D端进入锁存器并从Q和Q端输出，如D端输入“1”，则Q端输出“0”(Q端输出“1”)，该“0”经电子开关送到场效应管VT2的栅极，VT2截止，从P0端口输出“1”。

也就是说，当给P0端口内部的与门控制端送“0”，同时给写锁存器端送写脉冲信号时，单片机内部总线的信号就可以通过接口电路从P0端口输出。

(2)当P0端口用作输入端口时

当将P0端口用作输入端口时，P0端口的信号既送到三态门，又送到VT2的漏极。如果锁存器之前锁存的为“0”，即Q=0、Q=1，其中Q=1会使VT2导通，P0端口被钳在“0”电平上，“1 ”将无法送入P0端口。

解决的方法是：在将数据输入P0端口前，先通过内部总线向锁存器写“1”，即让Q=0，VT2截止，P0端口输入的“1”就可以送到三态门的输入端，此时再给三态门的读引脚送一个读控制信号，“1”就可以通过三态门送到内部总线。

也就是说，要将P0端口作为输入端口，先要将P0端口的锁存器写“1”，然后再给输入三态门送读控制信号，P0端口的数据就可以通过接口电路，送到单片机内部的总线上。

(3)当P0端口用作地址/数据总线引脚时

如果要将P0端口用作地址/数据总线引脚，先要给与门的控制端送“1”，于是与门打开，同时电子开关和非门输出端接通。当地址/数据总线为“1”时，“1”一方面通过与门送到VT1的栅极，VT1导通，另一方面送到非门，经反相变为“0”，再经电子开关送到VT2的栅极，VT2截止，VT1导通，VT2截止使P0端口输出为“1”;当地址/数据总线为“0”时，VT1导通，VT2也导通，P0端口输出为“0”。

也就是说，当给与门的控制端送“1”时，内部地址/数据总线上的信号就可以从P0端口输出，P0端口就可当作地址/数据总线引脚使用。

P1端口

P1 端口有 P1.0～P1.7 共 8 个引脚，这些引脚可作 I/O 引脚。 P1端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图2-7所示。

图2-7 P1端口内部电路结构

从图2-7中可以看出，P1端口的结构较P0端口简单很多，由于P1端口内部采用了一只场效应管，并且与电源之间接了一只上拉电阻，所以不需要在P1端口的外部接上拉电阻。

(1)当P1端口用作输出端口时

如果要将P1端口用作输出端口，应给锁存器的写锁存器CL端送写脉冲信号，内部总线送来的数据就可以通过D端进入锁存器并从Q和Q端输出，如D端输入“1”，则Q端输出“0”(Q端输出“1”)，该“0”送到场效应管的栅极，场效应管截止，从P1端口输出“1”。

(2)当P1端口用作输入端口时

当将P1端口用作输入端口时，如果锁存器以前锁存的为“0”，即Q=0、Q=1，其中Q=1会使场效应管导通，P1端口被钳在“0”电平上，“1”将无法送入P1端口。所以与P0端口一样，在将数据输入P1端口前，先要通过内部总线向锁存器写“1”，让Q=0，场效应管截止，P1端口输入的“ 1”就可以送到输入三态门的输入端，此时再给三态门的读引脚送一个读控制信号，“1”就可以通过输入三态门送到内部总线。

P2端口

P2端口有P2.0～P2.7共8个引脚，P2端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图2-8所示。

图2-8 P2端口内部电路结构

从图2-8中可以看出，P2端口的内部结构与P0端口很相似。P2 端口也可作 I/O 引脚，在外接存储器时，还可以作为地址总线引脚。

(1)当P2端口用作地址总线引脚时

如果要将P2端口用作地址总线引脚，单片机内部的CPU会发出一个控制信号到电子开关的控制端，让电子开关与内部地址总线接通，地址总线上的信号就可以在通过电子开关、非门和场效应管后从P2端口引脚输出。

(2)当P2端口用作I/O接口时

如果要将P2端口用作I/O接口，单片机内部的CPU会发出一个控制信号到电子开关的控制端，让电子开关与锁存器接通。

当将P2端口用作输出端口时，给锁存器的CL端送写脉冲信号，内部总线上的数据就被锁存进锁存器并从Q端输出，再通过电子开关、非门和场效应管从P2端口引脚输出。

当将P2端口用作输入端口时，如果锁存器以前锁存的为“0”，即Q=0，经非门反相后会使场效应管导通，P2端口被钳在“0”电平上，“1”将无法送入P2端口。所以与P0、P1端口一样，在将数据输入P2端口前，先通过内部总线向锁存器写“1”，让Q=1，场效应管截止，P2端口输入的“1 ”就可以送到输入三态门的输入端，此时再给读引脚送一个读控制信号，“1”就可以通过三态门送到内部总线。

P3端口

P3 端口有 P3.0～P3.7 共 8 个引脚， P3 端口可作为 I/O 接口，还可以用于其他方面。P3端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图2-9所示。

图2-9 P3端口内部电路结构

(1)当P3端口用作I/O接口时

如果要将P3端口用作I/O接口，应让与非门的选择输出功能端为“1”，以开通与非门。

当将P3端口用作输出端口时，给锁存器的CL端送写脉冲信号，内部总线送来的数据就可以通过D端进入锁存器并从Q端输出，再通过与非门和场效应管从P3端口引脚输出。

当将P3端口用作输入端口时，应先通过内部总线向锁存器写“1”，让Q=1，场效应管截止，P3端口输入的信号就可以通过缓冲器、输入三态门送到内部总线。

(2)当P3端口用作第二功能时

P3端口用作第二功能(又称复用功能)时，实际上也是在该端口输入或输出信号，只不过输入、输出的是一些特殊功能的信号。所以当P3端口用作第二功能时，其内部电路的工作原理与用作I/O接口时是一样的，在用作输入功能时，端口的锁存器同样要先置“1”。

P3端口8个引脚的第二功能详见表2-1。例如P3.2引脚用作第二功能时，该端口可输入由外部设备送到的中断请求信号，该信号通过缓冲器、输入三态门送到内部总线。

P3端口除了可以接收外界的输入信号外，还可以接收内部的替代输入功能端送来的信号，该信号通过输入三态门送到内部总线。

总之，P0、P1、P2 和 P3 端口的功能是：都可以作输入或输出端口; P0、P2、P3 端口具有第二功能，各种端口的第二功能见表2-1。例如，表中说明P0端口的第二功能可以用作低8位地址总线/ 数据总线，P2端口可用作高8位地址总线，P3.0端口可用作串行数据接收端。

表2-1 MCS-51系列单片机各端口的第二功能

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