嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師必備的在線ARM仿真器知識

　　本文提供了一些關(guān)于在線 ARM 仿真器的信息，以及給作為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師的你帶來的好處。根據(jù)你的需要，你將在產(chǎn)品開發(fā)中對開發(fā)工具作出更恰當(dāng)?shù)倪x擇。

　　一、嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)周期

　　典型的嵌入式微控制器開發(fā)項目的第一個階段是用C編譯器從源程序生成目標(biāo)代碼，生成的目標(biāo)代碼將包括物理地址和一些調(diào)試信息。目前代碼可以用軟件模擬器、目標(biāo)Monitor或在線仿真器來執(zhí)行和調(diào)試。軟件模擬器是在PC機(jī)或工作站平臺上，以其CPU(如x86)及其系統(tǒng)資源來模擬目標(biāo)CPU(如P51XA)，并執(zhí)行用戶的目標(biāo)代碼;而目標(biāo)Monitor則是將生成的目標(biāo)代碼下載到用戶目標(biāo)板的程序存儲器中，并在下載的代碼中增加一個Monitor任務(wù)軟件，用來監(jiān)視和控制用戶目標(biāo)代碼的執(zhí)行，用戶通過目標(biāo)板上的串行口或其它調(diào)試端口，利用桌面計算機(jī)來調(diào)試程序。

　　程序的調(diào)試是通過設(shè)置斷點(diǎn)、使程序在指定的指令位置停止運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)的。在程序中止的時候，檢查存儲器和寄存器的內(nèi)容，作為發(fā)現(xiàn)程序錯誤的線索。

　　程序經(jīng)過調(diào)試、找到所有的錯誤后，修改源代碼，重新編譯，以一種標(biāo)準(zhǔn)格式生成目標(biāo)代碼文件，比如Intel HEX。這個目標(biāo)代碼將被存儲在最終產(chǎn)品的非揮發(fā)存儲器，比如EPROM或FLASH中。

　　二、為什么需要仿真器

　　軟件模擬器和目標(biāo) Monitor提供了一種經(jīng)濟(jì)的調(diào)試手段，對于很多設(shè)計來說已經(jīng)足夠。但是也有很多場合，需要利用仿真器來找到程序錯誤。 無論在哪一種場合，仿真器都能夠減少調(diào)試時間、簡化系統(tǒng)集成、增加可靠性、優(yōu)化測試步驟，從而使其物有所值。更常見的情況是工程師在項目的不同階段同時使用軟件模擬器和仿真器，特別是在大的開發(fā)項目中。

　　軟件模擬器和軟件調(diào)試器在斷點(diǎn)之外只提供了很少的幾種功能，比如顯示端口內(nèi)容和代碼覆蓋。沒有檢測事件和條件、然后作出反應(yīng)的手段，也沒有辦法記錄MCU的總線周期、然后判斷程序的執(zhí)行究竟發(fā)生了什么情況。如果你的MCU有片上EPROM或FLASH存儲器，并且運(yùn)行在單片模式，則只有仿真器才能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，而不嚴(yán)重占用和消耗MCU資源。

　　在線仿真器可以很容易地做到這些事情，并且還能夠提供很多其它功能。仿真器是軟件和硬件之間的橋梁。在項目進(jìn)行的某些階段，你必須讓程序在實(shí)際的硬件上面運(yùn)行。仿真器可以很容易地幫助你了解如何在調(diào)試階段充分利用仿真器。

　　三、仿真器究竟是什么?

　　仿真器可以替代你的目標(biāo)系統(tǒng)中的MCU，仿真其運(yùn)行。 仿真器運(yùn)行起來和實(shí)際的目標(biāo)處理器一樣，但是增加了其它功能，使你能夠通過桌面計算機(jī)或其它調(diào)試界面來觀察MCU中的程序和數(shù)據(jù)，并控制MCU的運(yùn)行。仿真器是調(diào)試嵌入式軟件的一個經(jīng)濟(jì)、有效的手段。Nohau的EMUL51XA-PC仿真器系列用來調(diào)試Philips P51XA系列MCU，而EMUL51-PC系列仿真器則支持眾多廠家的8051系列單片機(jī)。

　　四、內(nèi)部和外部模式

　　內(nèi)部模式是指程序和數(shù)據(jù)位于MCU芯片內(nèi)部，以FLASH或EPROM的形式存在，地址和數(shù)據(jù)總線對于用戶并不可見，由此節(jié)省下來的芯片引腳作為I/O口提供給用戶。內(nèi)部模式也稱單片模式，所有的程序執(zhí)行都發(fā)生在內(nèi)部ROM中。為了有效地仿真這種芯片，要求仿真器使用bondout或增強(qiáng)型Hooks芯片。

　　外部模式是當(dāng)程序存儲器，可能還有部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲器，位于MCU外部的情況，需要有地址和數(shù)據(jù)總線來訪問這部分存儲器。外部模式也稱擴(kuò)展模式，用戶芯片、bondout芯片和增強(qiáng)型hooks芯片都能夠產(chǎn)生這種工作模式，這種情況下芯片的地址和數(shù)據(jù)總線引腳不能作為通用I/O口使用。Nohau的仿真器使用這三種芯片來實(shí)現(xiàn)有效的程序調(diào)試。

　　五、Bondout、增強(qiáng)型Hooks芯片和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品芯片

　　這些名詞是指仿真器所使用的、用來替代目標(biāo)MCU的三種仿真處理器。只有Bondout和增強(qiáng)型Hooks芯片能夠?qū)崿F(xiàn)單片調(diào)試，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品芯片不能。和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品芯片相比，bondout芯片有一些增加的引腳，連接到芯片內(nèi)部硅片的電路節(jié)點(diǎn)上，所有又稱“超腳芯片”。P51XA系列單片機(jī)仿真器都使用bondout芯片，EMUL51XA-PC就是很好的例子。

　　增強(qiáng)型Hooks芯片利用各種芯片引腳上面沒有的機(jī)器周期來提供地址和數(shù)據(jù)總線，一些80C51系列仿真器就是使用增強(qiáng)型Hooks芯片。有趣的是，這些增強(qiáng)型Hooks芯片中的一些也是標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品芯片。使用增強(qiáng)型Hooks芯片作為仿真CPU需要一些額外的特殊功能電路來從復(fù)用的芯片引腳中，分解出地址和數(shù)據(jù)總線以及一些必須的控制信號，用戶的目標(biāo)板沒有這些電路，所有仍然是單片工作模式。采用bondout芯片和增強(qiáng)型Hooks芯片能夠?qū)崿F(xiàn)極為精確的仿真，從功能一直到芯片的功耗。

　　六、使硬件工作起來

　　軟件模擬器是很好的，可是它不能考慮進(jìn)所有的變化因素。軟件模擬器設(shè)計師必須考慮到每一件事情，特別是那些只有在硬件搭起來以后才會出現(xiàn)的因素，比如電容、定時、電感、芯片版本等，隨著 CPU速度的增加，這些變得越來越重要。

　　目標(biāo)Monitor相比之下要好得多，因?yàn)樗窃趯?shí)際硬件中運(yùn)行的。但是為了使Monitor程序能夠運(yùn)行起來，目標(biāo)系統(tǒng)必須是一個完整的、能夠工作的系統(tǒng)。采用仿真器后就不是這樣，仿真器在目標(biāo)系統(tǒng)硬件不完整、或者是一點(diǎn)硬件都沒有的情況下都可以運(yùn)行。然而目標(biāo)Monitor可以安裝在最終產(chǎn)品的程序中，隨時都可以激活，用來進(jìn)行調(diào)試，所以這對于測試和維護(hù)來說還是有一定優(yōu)勢的。

　　七、仿真器的優(yōu)點(diǎn)

　　仿真器具有軟件模擬器和目標(biāo)Monitor的所有功能，加上下面一些優(yōu)點(diǎn)：

　　1.不使用目標(biāo)系統(tǒng)或CPU資源

　　目標(biāo)Monitor內(nèi)核一般需要10K的ROM和10～20字節(jié)的RAM以及一個空閑的通信端口。一個好的仿真器不會使用上面任何一項。仿真器對于目標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是不可見的，也就是所謂的“全透明仿真”。

　　2.硬件斷點(diǎn)

　　軟件斷點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)是通過在用戶目標(biāo)代碼中插入2字節(jié)的TRAP(陷井)指令，將正常的程序流偏轉(zhuǎn)到調(diào)試器上。如果程序計數(shù)器碰巧落到第二個字節(jié)上，程序就會崩潰。 Nohau仿真器的硬件斷點(diǎn)功能使用比較器，將系統(tǒng)總線狀態(tài)與預(yù)先設(shè)定的鎖存器內(nèi)容相比較，用以監(jiān)測對于指定地址的訪問，而不修改任何程序存儲器內(nèi)容。區(qū)域斷點(diǎn)需要使用硬件斷點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，但是軟件斷點(diǎn)仍然是很方便、有用的，所以Nohau的仿真器兩種斷點(diǎn)功能都提供。

　　當(dāng)用戶的目標(biāo)程序存放在ROM中時，軟件斷點(diǎn)是不能用的，因?yàn)闊o法插入TRAP指令。對于ROM程序存儲器系統(tǒng)，只能使用硬件斷點(diǎn)。

　　3.跟蹤功能(TRACE)

　　跟蹤功能以時間為線索記錄所有的處理器機(jī)器周期、以及可選的外部信號電平。跟蹤功能能夠記錄所有的取指操作，并且在采用流水線并行處理模式的單片機(jī)中，如P51XA，區(qū)分在流水線中被取消的指令以及那些成功地執(zhí)行的指令。跟蹤的開始通過條件觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)過濾功能，也就是只有感興趣的指令周期被記錄下來，其余的被舍棄。軟件模擬器和目標(biāo)Monitor沒有跟蹤存儲器，也不能實(shí)現(xiàn)Trace功能。

　　4.條件觸發(fā)

　　條件觸發(fā)是非常強(qiáng)大、便于使用的功能，它使你可以在某些事件發(fā)生時，進(jìn)行某個預(yù)先設(shè)定的行動，觸發(fā)條件可以包括地址、數(shù)據(jù)、時鐘周期和外部信號，這些條件可以觸發(fā)一個斷點(diǎn)、啟動/停止跟蹤記錄、記錄一個時間標(biāo)記、以及很多其它由仿真器功能所決定的行動。這種強(qiáng)大的工具只有在仿真器中才能實(shí)現(xiàn)。Nohau仿真器的條件觸發(fā)功能和跟蹤功能有機(jī)地結(jié)合在一起，具有三級時間觸發(fā)，最高級觸發(fā)具有計數(shù)功能。

　　5.實(shí)時顯示存儲器和I/O口內(nèi)容

　　使用仿真器后，可以實(shí)時地觀察存儲器和I/O口的內(nèi)容，而不僅僅是軟件模擬。你可以將自己特別喜歡的外設(shè)芯片連接到Nohau仿真器特性板的下部，然后在調(diào)試界面中訪問它。如果你了解外設(shè)的所有細(xì)節(jié)，那么可以非常精確地進(jìn)行系統(tǒng)模擬。

　　在很多情況下我們可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，好象只有在接入實(shí)際的硬件系統(tǒng)后某些問題才開始出現(xiàn)。采用仿真器能夠使你從一開始就進(jìn)入這一階段，從而及早地發(fā)現(xiàn)問題、更快地完成調(diào)試任務(wù)。

　　因?yàn)榉抡嫫鲀?nèi)部自帶的RAM可以和目標(biāo)系統(tǒng)中的ROM互相替代，所以你在ROM目標(biāo)系統(tǒng)中也可以簡易地進(jìn)行程序代碼和數(shù)據(jù)的調(diào)試和修改。

　　同樣，當(dāng)目標(biāo)系統(tǒng)中還沒有裝上存儲器時，你可以使用仿真器中的仿真存儲器對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。仿真存儲器的大小、分辨率和映象地址可以由用戶選擇。

　　6.硬件性能分析

　　軟件模擬器和目標(biāo)Monitor只能模擬系統(tǒng)運(yùn)行，然后進(jìn)行性能分析，但是它們已經(jīng)做得不錯了;而仿真器則更進(jìn)一步，在實(shí)際硬件上面進(jìn)行性能分析，這樣就增加了精度。而且，使用實(shí)際的硬件能夠發(fā)現(xiàn)在軟件模擬中無法發(fā)現(xiàn)的錯誤。虛假中斷以及其它一些故障可能會出乎意料地消耗CPU資源，導(dǎo)致嚴(yán)重的性能問題，而且很難發(fā)現(xiàn)。利用仿真器的性能分析，這些問題很容易暴露。

　　7.將仿真器和目標(biāo)系統(tǒng)相連接

　　仿真器和目標(biāo)系統(tǒng)的連接很容易。大多數(shù)問題都被仿真器公司及其代理解決了。連接需要兩個步驟：

　　首先，需要選擇適當(dāng)?shù)倪m配器連接方法，最好選用焊接和插座方式。P51XA系列單片機(jī)仿真器支持PLCC插座和表面安裝兩種目標(biāo)連接方式。夾接適配器價格較高而且不可靠，不推薦用戶使用。

　　然后，仿真器上面的軟件和跳線器必須正確配置，和目標(biāo)板以及軟件初始化程序相匹配。這很簡單，好的技術(shù)支持應(yīng)當(dāng)包括這一點(diǎn)。Nohau的仿真器一般使用缺省設(shè)置就可以工作。

　　對于P51XA系列單片機(jī)，只要在用戶的目標(biāo)板上焊接一個芯片插座(PLCC或表面安裝形式)、插入EMUL51XA-PC的特性板適配器接頭，在PC機(jī)或筆記本電腦上運(yùn)行調(diào)試軟件就可以了。然后你就可以用隨仿真提供的TIme.c測試程序?qū)δ繕?biāo)系統(tǒng)進(jìn)行測試了!

　　八、總結(jié)

　　本文提供了一些關(guān)于在線仿真器的信息，以及給作為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師的你帶來的好處。根據(jù)你的需要，你將在產(chǎn)品開發(fā)中對開發(fā)工具作出更恰當(dāng)?shù)倪x擇。