快速嵌入式MCU設(shè)計(jì)仿真的三大因素淺析

調(diào)試嵌入式應(yīng)用有很多種方法。設(shè)計(jì)者利用包含電路內(nèi)置仿真器(in-circuit emulator，ICE)和電路內(nèi)置調(diào)試器(in-circuit debugger，ICD)的調(diào)試工具可以快速構(gòu)建出系統(tǒng)原型，幫助設(shè)計(jì)者在建立原型階段和最終測(cè)試階段查找硬件和軟件中的問(wèn)題。在調(diào)試過(guò)程中，成本和易用性是人們主要關(guān)心的問(wèn)題，相比ICE工具，設(shè)計(jì)者可能更喜歡使用仿真器來(lái)調(diào)試代碼段，因?yàn)榉抡嫫骺梢灾苯釉赑C上運(yùn)行，不需要映射到目標(biāo)硬件上。

仿真器使用起來(lái)非常方便，通過(guò)它們開(kāi)發(fā)人員可以了解一款新型的MCU，或者熟悉一套新的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(integrated development environment ，IDE)工具包，而不需要接觸目標(biāo)硬件。有的時(shí)候，設(shè)計(jì)者可以免費(fèi)瀏覽某個(gè)供貨商的所有MCU產(chǎn)品。例如，用戶(hù)可以從官方網(wǎng)站上免費(fèi)下載到 Microchip的MPLAB IDE 和 MPLAB SIM仿真器(如圖1所示)。

圖1 很多仿真器(例如Microchip的MPLAB SIM)都為用戶(hù)提供了快速調(diào)試應(yīng)用程序所需的圖形用戶(hù)界面

仿真器提供了特殊調(diào)試功能

一般而言，仿真器運(yùn)行在IDE環(huán)境下，并且具有與其他調(diào)試引擎類(lèi)似的功能。用戶(hù)在開(kāi)始使用仿真器時(shí)通常用它來(lái)開(kāi)發(fā)代碼，當(dāng)硬件設(shè)計(jì)完成后，可以用硬件調(diào)試器進(jìn)行測(cè)試工作。仿真器能夠?qū)崿F(xiàn)的基本調(diào)試功能包括：執(zhí)行代碼驗(yàn)證其功能是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范;復(fù)位目標(biāo)系統(tǒng)重新運(yùn)行應(yīng)用程序;在斷點(diǎn)處暫停程序執(zhí)行;檢查和修改存儲(chǔ)內(nèi)容與變量。

最新的仿真器具有某些硬件調(diào)試器所不具備的獨(dú)特功能，利用這一類(lèi)仿真器可以實(shí)現(xiàn)更多的功能。例如，可以輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜情況下的中斷執(zhí)行——這是任何ICE和ICD工具都不具備的。通過(guò)事件計(jì)數(shù)和斷點(diǎn)執(zhí)行，用戶(hù)可以構(gòu)造出復(fù)雜事件。利用這種復(fù)雜斷點(diǎn)，可以描述出代碼行為異常的情況，追蹤異常情況下的代碼。這種方式相比在代碼中設(shè)置簡(jiǎn)單斷點(diǎn)和跳步執(zhí)行，能夠更快速地發(fā)現(xiàn)bug。

通過(guò)仿真分析代碼

設(shè)計(jì)者可以利用仿真器響應(yīng)引腳的輸入輸出信號(hào)，模仿MCU外設(shè)部件的行為。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，有些高級(jí)仿真器就提供了能夠模擬信號(hào)的復(fù)雜激勵(lì)發(fā)生器。利用這一功能，用戶(hù)可以通過(guò)向固件模塊加載輸入信號(hào)的方式來(lái)測(cè)試固件模塊，例如，可以產(chǎn)生兩個(gè)相隔50ns的中斷信號(hào)。這種模擬信號(hào)的方式是利用真正的硬件很難做到的。激勵(lì)發(fā)生器可以向器件引腳或仿真器內(nèi)的寄存器發(fā)送信號(hào)。通過(guò)使用USART以I/O設(shè)備的方式或者使用寄存器日志的方式，可以將仿真器的行為記錄到一個(gè)log文件中以便于后續(xù)分析。

大多數(shù)仿真器支持三種激勵(lì)源。手動(dòng)觸發(fā)可以通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊、產(chǎn)生重復(fù)波形的循環(huán)式激勵(lì)，以及向引腳、寄存器或者寄存器中的某些位加載數(shù)據(jù)的連續(xù)型激勵(lì)來(lái)產(chǎn)生。這些連續(xù)型數(shù)據(jù)可以輸入對(duì)話(huà)框，或者來(lái)自于某個(gè)文件。仿真器還可以模擬外設(shè)部件，從而諸如A/D轉(zhuǎn)換器、I/O引腳、串行通信設(shè)備和定時(shí)器等設(shè)備就可以被激活。這些外設(shè)可以采用仿真波形和模擬數(shù)字信號(hào)的輸入，可以接受手工輸入來(lái)模擬中斷和傳感器讀數(shù)(如圖2所示)。

圖2 仿真器通常支持三種激勵(lì)源并且具有方便的定義和配置功能

提高代碼性能

大多數(shù)高級(jí)仿真器都能夠?qū)?yīng)用程序在目標(biāo)系統(tǒng)上的執(zhí)行過(guò)程與源代碼關(guān)聯(lián)起來(lái)，使設(shè)計(jì)者能夠單步執(zhí)行高級(jí)語(yǔ)言代

碼，例如C代碼，即使每條C語(yǔ)句可能會(huì)生成多行機(jī)器代碼。同樣，文件寄存器中的存儲(chǔ)器內(nèi)容也能夠與程序中使用的變量關(guān)聯(lián)起來(lái)。因此，如果某個(gè)浮點(diǎn)數(shù)跨越多個(gè)機(jī)器文件寄存器，設(shè)計(jì)者就可以在觀(guān)察點(diǎn)監(jiān)測(cè)到該寄存器的內(nèi)容，并以浮點(diǎn)表示形式顯示出來(lái)。

利用仿真器還可以?xún)?yōu)化程序例程，精確測(cè)量并調(diào)整某些關(guān)鍵代碼的執(zhí)行時(shí)間。用戶(hù)可以使用仿真器的秒表功能對(duì)一段代碼的執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行計(jì)時(shí)。根據(jù)處理器的頻率，就可以對(duì)所執(zhí)行的指令進(jìn)行秒表計(jì)時(shí)。

秒表功能不是仿真器中測(cè)量時(shí)間的唯一方式。某些應(yīng)用(例如電機(jī)控制)不允許在某個(gè)斷點(diǎn)處中斷運(yùn)行。在這些情況下，將程序流和寄存器讀寫(xiě)結(jié)果保存在追蹤緩沖器(trace buffer)內(nèi)就是一種好的替代辦法。追蹤緩沖器在指令執(zhí)行的時(shí)候?qū)⑵溆涗浵聛?lái)，并給每條指令打上一個(gè)時(shí)間戳。這樣，當(dāng)捕捉到追蹤緩沖器內(nèi)的事件后，就可以對(duì)其進(jìn)行計(jì)時(shí)了。例如，捕捉到了一系列中斷，那么就能夠很容易地計(jì)算出中斷之間的時(shí)間間隔，以及每個(gè)中斷執(zhí)行所花的總時(shí)間。

仿真器可以將寄存器值的變化情況記錄到文件中，用于性能分析。利用仿真器，工程師可以觀(guān)察出某個(gè)算法對(duì)多種輸入的響應(yīng)情況，從而對(duì)其進(jìn)行測(cè)試或改進(jìn)。例如，可針對(duì)多組已存數(shù)據(jù)(例如使用目標(biāo)硬件從A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)果寄存器中讀取的數(shù)據(jù))進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)，但是要對(duì)所希望看到的數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行總數(shù)控制。