嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)必備ARM仿真器知識(shí)

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(jì)師的你帶來(lái)的好處。根據(jù)你的需要，你將在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中對(duì)開(kāi)發(fā)工具作出更恰當(dāng)?shù)倪x擇。

一、嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期

典型的嵌入式微控制器開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的第一個(gè)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(lái)執(zhí)行和調(diào)試。軟件模擬器是在PC機(jī)或工作站平臺(tái)上，以其CPU(如x86)及其系統(tǒng)資源來(lái)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(chǔ)器中，并在下載的代碼中增加一個(gè)Monitor任務(wù)軟件，用來(lái)監(jiān)視和控制用戶目標(biāo)代碼的執(zhí)行，用戶通過(guò)目標(biāo)板上的串行口或其它調(diào)試端口，利用桌面計(jì)算機(jī)來(lái)調(diào)試程序。

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

程序經(jīng)過(guò)調(diào)試、找到所有的錯(cuò)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(gè)目標(biāo)代碼將被存儲(chǔ)在最終產(chǎn)品的非揮發(fā)存儲(chǔ)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(duì)于很多設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠。但是也有很多場(chǎng)合，需要利用仿真器來(lái)找到程序錯(cuò)誤。 無(wú)論在哪一種場(chǎng)合，仿真器都能夠減少調(diào)試時(shí)間、簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成、增加可靠性、優(yōu)化測(cè)試步驟，從而使其物有所值。更常見(jiàn)的情況是工程師在項(xiàng)目的不同階段同時(shí)使用軟件模擬器和仿真器，特別是在大的開(kāi)發(fā)項(xiàng)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(méi)有檢測(cè)事件和條件、然后作出反應(yīng)的手段，也沒(méi)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(chǔ)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(xiàng)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(lái)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(guò)桌面計(jì)算機(jī)或其它調(diào)試界面來(lái)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(gè)經(jīng)濟(jì)、有效的手段。Nohau的EMUL51XA-PC仿真器系列用來(lái)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(duì)于用戶并不可見(jiàn)，由此節(jié)省下來(lái)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(chǔ)器，可能還有部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器，位于MCU外部的情況，需要有地址和數(shù)據(jù)總線來(lái)訪問(wèn)這部分存儲(chǔ)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(lái)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(lái)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(méi)有的機(jī)器周期來(lái)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(lái)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(hào)，用戶的目標(biāo)板沒(méi)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(lái)

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(jì)師必須考慮到每一件事情，特別是那些只有在硬件搭起來(lái)以后才會(huì)出現(xiàn)的因素，比如電容、定時(shí)、電感、芯片版本等，隨著 CPU速度的增加，這些變得越來(lái)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(lái)，目標(biāo)系統(tǒng)必須是一個(gè)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(méi)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(shí)都可以激活，用來(lái)進(jìn)行調(diào)試，所以這對(duì)于測(cè)試和維護(hù)來(lái)說(shuō)還是有一定優(yōu)勢(shì)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(gè)空閑的通信端口。一個(gè)好的仿真器不會(huì)使用上面任何一項(xiàng)。仿真器對(duì)于目標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是不可見(jiàn)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(guò)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(jì)數(shù)器碰巧落到第二個(gè)字節(jié)上，程序就會(huì)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(cè)對(duì)于指定地址的訪問(wèn)，而不修改任何程序存儲(chǔ)器內(nèi)容。區(qū)域斷點(diǎn)需要使用硬件斷點(diǎn)來(lái)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(shí)，軟件斷點(diǎn)是不能用的，因?yàn)闊o(wú)法插入TRAP指令。對(duì)于ROM程序存儲(chǔ)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(shí)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(hào)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(kāi)始通過(guò)條件觸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)過(guò)濾功能，也就是只有感興趣的指令周期被記錄下來(lái)，其余的被舍棄。軟件模擬器和目標(biāo)Monitor沒(méi)有跟蹤存儲(chǔ)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(shí)，進(jìn)行某個(gè)預(yù)先設(shè)定的行動(dòng)，觸發(fā)條件可以包括地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘周期和外部信號(hào)，這些條件可以觸發(fā)一個(gè)斷點(diǎn)、啟動(dòng)/停止跟蹤記錄、記錄一個(gè)時(shí)間標(biāo)記、以及很多其它由仿真器功能所決定的行動(dòng)。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(jí)時(shí)間觸發(fā)，最高級(jí)觸發(fā)具有計(jì)數(shù)功能。

5.實(shí)時(shí)顯示存儲(chǔ)器和I/O口內(nèi)容

使用仿真器后，可以實(shí)時(shí)地觀察存儲(chǔ)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(wèn)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(wèn)題才開(kāi)始出現(xiàn)。采用仿真器能夠使你從一開(kāi)始就進(jìn)入這一階段，從而及早地發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(jiǎn)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(méi)有裝上存儲(chǔ)器時(shí)，你可以使用仿真器中的仿真存儲(chǔ)器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。仿真存儲(chǔ)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(cuò)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(wú)法發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤。虛假中斷以及其它一些故障可能會(huì)出乎意料地消耗CPU資源，導(dǎo)致嚴(yán)重的性能問(wèn)題，而且很難發(fā)現(xiàn)。利用仿真器的性能分析，這些問(wèn)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(wèn)題都被仿真器公司及其代理解決了。連接需要兩個(gè)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(jià)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(jiǎn)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(duì)于P51XA系列單片機(jī)，只要在用戶的目標(biāo)板上焊接一個(gè)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(cè)試程序?qū)δ繕?biāo)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)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(jì)師的你帶來(lái)的好處。根據(jù)你的需要，你將在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中對(duì)開(kāi)發(fā)工具作出更恰當(dāng)?shù)倪x擇。

STM32/STM8

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