하드웨어 디버깅을 위한 필수 장비: 오실로스코프

  하드웨어 디버깅을 진행하다 보면, 단순한 전압 측정이나 신호 파형 분석만으로는 문제를 해결하기 어려운 경우가 많습니다. 특히, 임베디드 시스템에서 소프트웨어와 하드웨어가 복합적으로 얽혀 있는 문제를 파악하는 데에는 한계가 있죠. 이럴 때, JTAG 디버거는 매우 유용한 도구로 작용합니다. 

1. JTAG 디버거란?

  JTAG(IEEE 1149.1 표준)은 원래 회로 기판의 테스트를 위해 개발된 기술로, 칩 내부의 상태를 외부에서 확인할 수 있는 표준 인터페이스입니다. JTAG 디버거는 이 인터페이스를 활용하여 프로세서나 마이크로컨트롤러, FPGA 등의 내부 상태를 실시간으로 분석하고, 디버깅할 수 있는 장비입니다. JTAG 디버거는 다음과 같은 기능을 수행할 수 있습니다:

1)  프로세서 내부 레지스터 및 메모리 접근

JTAG 인터페이스를 통해 CPU의 레지스터나 시스템 메모리에 접근하여, 값의 변경이나 상태 확인이 가능합니다.

2) 실행 제어

코드의 실행을 중단하거나, 특정 지점에서 일시정지(Breakpoint)하고 상태를 분석할 수 있습니다. 이는 복잡한 코드의 버그를 추적하는 데 매우 유용합니다.

3) 단계별 디버깅(Single-Step Debugging)

코드의 실행을 한 줄씩 단계적으로 수행하면서, 각 단계에서 시스템의 상태를 분석할 수 있습니다.

4) 펌웨어 업로드 및 검증

JTAG을 이용해 새로운 펌웨어를 칩에 업로드하고, 성공적으로 업로드되었는지 확인할 수 있습니다.

2. JTAG 디버거의 동작 원리

  JTAG 디버거는 주로 TCK(테스트 클록), TMS(테스트 모드 셀렉트), TDI(테스트 데이터 입력), TDO(테스트 데이터 출력), TRST(테스트 리셋) 등의 핀을 통해 타깃 장치와 연결됩니다. 이 인터페이스를 통해 디버거는 타깃 장치의 내부 회로에 직접 접근할 수 있습니다.

  JTAG의 동작은 TAP(Test Access Port) 컨트롤러를 통해 이루어지며, TAP 컨트롤러는 JTAG 명령어를 해석하여 특정 레지스터에 데이터를 읽고 쓰는 작업을 수행합니다. 이를 통해 디버거는 시스템의 다양한 부분을 제어하고 상태를 모니터링할 수 있게 됩니다.

3.  JTAG 디버거의 장점

1) 실시간 디버깅

  JTAG 디버거는 시스템의 동작을 실시간으로 분석할 수 있어, 소프트웨어와 하드웨어가 결합된 문제를 빠르게 파악할 수 있습니다.

2) 비침입적 디버깅(Non-intrusive Debugging)

  JTAG 디버거는 시스템의 동작을 크게 방해하지 않으면서 내부 상태를 분석할 수 있습니다. 이는 특히 임베디드 시스템에서 중요한 기능입니다.

3) 광범위한 지원

  JTAG은 거의 모든 현대 마이크로컨트롤러, 프로세서, FPGA에서 지원되며, 다양한 칩 제조사들이 이를 표준으로 채택하고 있습니다. 덕분에 JTAG 디버거는 매우 다양한 환경에서 사용 가능합니다.

4) 다양한 기능 통합

  최신 JTAG 디버거는 단순한 디버깅 기능뿐만 아니라, 프로파일링, 성능 분석, 전력 소비 분석 등 다양한 기능을 제공하여, 시스템의 최적화를 돕습니다.

4. JTAG 디버거 사용 시 유의점

  JTAG 디버거는 강력한 도구이지만, 올바르게 사용하지 않으면 하드웨어에 손상을 줄 수도 있습니다. 따라서 JTAG 디버거를 사용할 때는 다음 사항에 유의해야 합니다:

1) 정확한 핀 연결

  JTAG 핀을 잘못 연결하면 디버깅이 불가능할 뿐만 아니라, 장비 자체에 손상을 줄 수 있습니다. 따라서 핀 매핑을 정확히 확인한 후 연결해야 합니다.

2) 적절한 전원 공급

  디버깅 중에도 타깃 장치에 안정적인 전원을 공급해야 합니다. 전원이 불안정하면 디버깅 중에 시스템이 오작동할 수 있습니다.

3) 보안 설정

  일부 장치에서는 JTAG을 통한 무단 접근을 방지하기 위해 보안 설정이 필요합니다. 이를 무시할 경우, 시스템의 보안에 취약점이 발생할 수 있습니다.

 

  JTAG 디버거는 하드웨어 디버깅의 필수 도구로, 복잡한 임베디드 시스템의 문제를 해결하는 데 큰 도움이 됩니다. 그 강력한 기능과 광범위한 지원 덕분에, 하드웨어 엔지니어와 임베디드 개발자들에게 없어서는 안 될 장비 중 하나로 자리 잡고 있습니다. 개발의 필수 아이템입니다. 저는 MCU를 ST사를 사용해 ST-Link를 사용하고 있습니다. 어떤 MCU를 사용하냐에 따라 사용 JTAG도 다 다르니 잘 알아보시고 선정하시기 바랍니다.