ARM仿真器與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計講解

嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計算機系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個控制程序存儲 在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)， 但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是是由單個程序?qū)崿F(xiàn)整個控制邏輯。
　　所謂ARM仿真器，即用于調(diào)試基于ARM內(nèi)核芯片的一個硬件模塊。ARM內(nèi)核包括ARM7，ARM9，ARM11，Cortex-A，Cortex-M，Cortex-R等系列，而基于這些內(nèi)核的芯片則更多了。那么這些仿真器選擇有一個原則，用于低端嵌入式微控制器的話，用ULINK2，ULINKPpro即可，可以調(diào)試Cortex-M，Cortex-R芯片。用于高端的應(yīng)用處理器ARM9，ARM11，Cortex-A的話，就需要用到DSTREAM仿真器了。
　　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代碼，生成的目標代碼將包 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Monitor或在線仿真器來執(zhí)行和調(diào)試。軟件模擬器是在PC機或工作站平臺上，以其 CPU（如x86）及其系統(tǒng)資源來模擬目標CPU（如P51XA），并執(zhí)行用戶的目標代碼；而目標Monitor則是將生成的目標代碼下載到用戶目標板的 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)視和控制用戶目標代碼的執(zhí)行，用戶通過目標板上的串行口或其它調(diào)試端口，利用桌面計算機來調(diào)試程序。
　　程序的調(diào)試是通過設(shè)置斷點、使程序在指定的指令位置停止運行來實現(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，以一種標準格式生成目標代碼文件，比如Intel HEX.這個目標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 Monitor提供了一種經(jīng)濟的調(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，并且運行在單片模式，則只有仿真器才能夠?qū)ο到y(tǒng)進行調(diào)試，而不嚴重占用和消耗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。在項目進行的某些階段，你必須讓程序在實際的硬件上面運行。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系統(tǒng)中的MCU，仿真其運行。 仿真器運行起來和實際的目標處理器一樣，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的運行。仿 真器是調(diào)試嵌入式軟件的一個經(jīng)濟、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。
　　
　　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或增強型Hooks芯片。
　　外部模式是當程序存儲器，可能還有部分數(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。外部模式也稱擴展模式，用戶芯片、bondout芯片和增強型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現(xiàn)有效的程序調(diào)試。
　　五、Bondout、增強型Hooks芯片和標準產(chǎn)品芯片
　　這些名詞是指仿真器所使用的、用來替代目標MCU的三種仿真處理器。只有Bondout和增強型 Hooks芯片能夠?qū)崿F(xiàn)單片調(diào)試，標準產(chǎn)品芯片不能。和標準產(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)點上，所有又 稱“超腳芯片”.P51XA系列單片機仿真器都使用bondout芯片，EMUL51XA-PC就是很好的例子。
　　增強型Hooks芯片利用各種芯片引腳上面沒有的機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型Hooks芯片。有趣的是，這些增強型Hooks芯片中的一些也是標準的產(chǎn)品芯片。使用增強型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Monitor相比之下要好得多，因為它是在實際硬件中運行的。但是為了使Monitor程序 能夠運行起來，目標系統(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，仿真器在目標系統(tǒng)硬件不完整、或者是一點硬件都沒有的情況下都可以運 行。然而目標Monitor可以安裝在最終產(chǎn)品的程序中，隨時都可以激活，用來進行調(diào)試，所以這對于測試和維護來說還是有一定優(yōu)勢的。
　　七、仿真器的優(yōu)點
　　仿真器具有軟件模擬器和目標Monitor的所有功能，加上下面一些優(yōu)點：
　　1.不使用目標系統(tǒng)或CPU資源
　　目標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。仿真器對于目標系統(tǒng)應(yīng)當是不可見的，也就是所謂的“全透明仿真”。
　　2.硬件斷點
　　軟件斷點的實現(xiàn)是通過在用戶目標代碼中插入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) 域斷點需要使用硬件斷點來實現(xiàn)，但是軟件斷點仍然是很方便、有用的，所以Nohau的仿真器兩種斷點功能都提供。
　　當用戶的目標程序存放在ROM中時，軟件斷點是不能用的，因為無法插入TRAP指令。對于ROM程序存儲器系統(tǒng)，只能使用硬件斷點。
　　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 現(xiàn)，這樣可以實現(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Monitor沒有跟蹤存儲器，也不能實現(xiàn)Trace 功能。
　　4.條件觸發(fā)
　　條件觸發(fā)是非常強大、便于使用的功能，它使你可以在某些事件發(fā)生時，進行某個預(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、啟動/停止跟蹤記錄、記錄一個時間標記、以及很多其它由仿真器功能所決定的行 動。這種強大的工具只有在仿真器中才能實現(xiàn)。Nohau仿真器的條件觸發(fā)功能和跟蹤功能有機地結(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.實時顯示存儲器和I/O口內(nèi)容
　　使用仿真器后，可以實時地觀察存儲器和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)的所有細節(jié)，那么可以非常精確地進行系統(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)。
　　因為仿真器內(nèi)部自帶的RAM可以和目標系統(tǒng)中的ROM互相替代，所以你在ROM目標系統(tǒng)中也可以簡易地進行程序代碼和數(shù)據(jù)的調(diào)試和修改。
　　同樣，當目標系統(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Monitor只能模擬系統(tǒng)運行，然后進行性能分析，但是它們已經(jīng)做得不錯了；而 仿真器則更進一步，在實際硬件上面進行性能分析，這樣就增加了精度。而且，使用實際的硬件能夠發(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.將仿真器和目標系統(tǒng)相連接
　　仿真器和目標系統(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?shù)倪m配器連接方法，最好選用焊接和插座方式。P51XA系列單片機仿真器支持PLCC插座和表面安裝兩種目標連接方式。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)當包括這一點。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，只要在用戶的目標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機或筆記本電腦上運行調(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繕讼到y(tǒng)進行測試了！
　　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?shù)倪x擇。相信你通過自己的努力可以得到更多的知識。
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