嵌入式計算系統(tǒng)調(diào)測方法與技術(shù)綜述
關(guān)鍵詞：在線測試 可觀測性 可測試性 BDM JTAG
引言
對于含有微處理器的裝置來說，調(diào)測總是軟件和硬件結(jié)合的。在產(chǎn)品開發(fā)的階段以排錯為主，在產(chǎn)品開發(fā)后期以及生產(chǎn)和現(xiàn)場運行階段，則是以測試為主。不同的階段，調(diào)測的內(nèi)容、手段和使用的工具不盡相同。
測試接口并不是系統(tǒng)功能的一部分，測試接口設(shè)計本身也需要成本。對于小型簡單系統(tǒng)來說，沒有必要也不允許（成本考慮）設(shè)計測試接口；對于復雜系統(tǒng)來說，設(shè)計測試接口的花費是值得的。良好的測試接口設(shè)計可經(jīng)縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，給產(chǎn)品維護、維修帶來便利。
對于嵌入式計算系統(tǒng)來說，測試往往是軟件和硬件相結(jié)合的，既有借助于“正確”的軟件來測試硬件，也有借助于“正確”的硬件來測試軟件。由于軟件設(shè)計人員和硬件設(shè)計人員的技術(shù)隔膜，二者常常在出現(xiàn)問題后相互指責，難以界定是軟件還是硬件問題。對于嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計人員來說，必須對硬件有足夠的了解。這一點，和通用計算平臺上的軟件設(shè)計是不同的；反之，硬件人員也必須能夠編寫一些測試軟件，以證明其設(shè)計的正確性。
1 開發(fā)階段的調(diào)制方法
1.1 RAM版本的目標系統(tǒng)調(diào)試
通過ICE（In-Circuit-Emulate）來調(diào)試目標板是開發(fā)人員最常用的手段。在產(chǎn)品開發(fā)初期，由于各種軟件和硬件問題很多，通過仿真器并結(jié)合邏輯分析儀、示波器等硬件信號測試工具能夠很好地發(fā)現(xiàn)問題。
在仿真器環(huán)境下，通過仿真器的監(jiān)控軟件來控制用戶軟件的運行，使用斷點、單步跟蹤和查看變量、CPU寄存器、存儲器的數(shù)值等手段來查找問題。由于仿真器的軟件和硬件需要一定的CPU資源，用戶軟件在仿真器環(huán)境下運行和脫離仿真器后獨立運行是有區(qū)別的。好的仿真器能夠盡量減小這種區(qū)別。常見的仿真器從技術(shù)上區(qū)分有：單CPU仿真器、雙CPU仿真器和ROM仿真器。
在仿真器環(huán)境下，程序一般是在仿真器的RAM存儲器中運行的，所以這種階段也稱為“RAM版本的目標系統(tǒng)調(diào)試”。
1.2 ROM版本的目標系統(tǒng)調(diào)試
在仿真器環(huán)境下，目標板運行調(diào)試正確后，
一般的做法是將應(yīng)用程序?qū)懭肽繕税宓姆且资源鎯ζ髦?，讓目標板單獨運行。在很多情況下，目標板系統(tǒng)往往不能運行或者運行結(jié)果和仿真器環(huán)境下不一致。而沒有連接仿真器，無法觀察各種軟件狀態(tài)，給分析問題造成一定困難。在目標板上設(shè)計指示電路有助于發(fā)現(xiàn)問題；在電路板上增加1個LED是最簡單也是很有效的方法。對于復雜系統(tǒng)，可以設(shè)計1個數(shù)碼管顯示輸出接口，或者設(shè)計1個調(diào)試用串口，將調(diào)試信息發(fā)送到PC機上顯示。
在使用PC機作為顯示輸出設(shè)備時，一般的做法是使用Winodws自帶的超級終端軟件，無需另外編制程序。和前二種方法相比，該方法的接口信號是雙向的，調(diào)試者可以通過PC機輸入信息到目標板中，設(shè)定顯示信息的類別。這一點，對于復雜系統(tǒng)的調(diào)試是很有價值的，CISCO公司的很多路由器產(chǎn)品就使用這種方法來維護和調(diào)試。
2 生產(chǎn)階段的測試方法
生產(chǎn)階段的測試只是對硬件電路或者系統(tǒng)進行測試。測試目的是為了對產(chǎn)品或者部件進行分檢，找出有缺陷的產(chǎn)品。測試內(nèi)容包括：
*裸板測試——檢查未安裝元器件的電路板上的開路和短路缺陷；
*成品生產(chǎn)缺陷分析——檢查已安裝元器件的電路板上焊點的短路和開路缺陷；
*成品電氣性能測試——認證每個單元器件的上電運作；
*產(chǎn)品功能測試——認證電路模塊的功能。
生產(chǎn)測試和開發(fā)階段的硬件測試不同，需要測試方法快速、能成批測試，易于在制造生產(chǎn)線上安裝。在生產(chǎn)的不同階段使用的測試工具和技術(shù)也不相同。目前常用的測試工具和技術(shù)有：人工視覺檢查（MVI）、在線測試（ICT）、自動光學測試（AOI）、自動X射線測試（AXI）。其中人工視覺測試（MVI）只能用于小批量試制產(chǎn)品。
在線測試（ICT）是最常用的一種線路板測試方法：使用專門的針床與已焊接好的線路板上的元器件接觸，通過針床在線路板上施加微小電壓來測試線路通斷、元件是否正確安裝。由于需要為特定電路板設(shè)計專用夾具，適合于單一品種民用型家電線路板極大規(guī)模生產(chǎn)的測試；缺點是在高密度的SMT線路板測試困難。目前的替代解決辦法是使用光學方法測試（如AOI，AXI），或者使用邊界掃描技術(shù)（即基于IEEE1394標準的JTAG測試接口）測試。后者需要IC或者線路板支持此技術(shù)。
功能測試是生產(chǎn)過程的最后階段使用，測試線路板或者系統(tǒng)的功能指標，一般的功能測試需要設(shè)計專用測試設(shè)備和測試軟件。
3 現(xiàn)場測試技術(shù)
現(xiàn)場測試分為三種情況：一種是在線測試，測試設(shè)備不停止運行；一種是停機測試，被測試設(shè)備停止運行；第三種為脫機測試，將被測部件從運行現(xiàn)場取出，放到專用的測試裝備上進行測試。從測試技術(shù)角度上說，后二者更容易進行各種測試；對于復雜系統(tǒng)來說，往往故障和問題需要在設(shè)備運行時才能發(fā)現(xiàn)和定位，必須進行在線測試。究竟采取哪種方式進行現(xiàn)場測試，取決于故障狀況和實際應(yīng)用是否允許立即停機。
開發(fā)階段產(chǎn)品和成熟產(chǎn)品的現(xiàn)場測試要求也不同：前者測試目的主要是發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題，由產(chǎn)品開發(fā)人員進行；后者側(cè)重于發(fā)現(xiàn)使用中的問題和失效的部件，目的是更換部件，由產(chǎn)品使用人員進行。（但測試方法和步驟也有可能是設(shè)計人員制定的。）
現(xiàn)場測試和試驗室測試的最大區(qū)別就是測試設(shè)備難以安裝和連接：線路板封閉在機箱中，測試信號線很難引入，即使設(shè)備外殼上留有測試插座，測試信號線也需要很長，傳統(tǒng)的在線仿真器在現(xiàn)場測試中無法使用。另一方面，現(xiàn)場往往沒有實驗室里的各種測試儀器和設(shè)備，因此，必須有更好的方法和手段來完成測試。
嵌入式處理器中目前有很多芯片具有類似Motorola公司683XX系列處理器的BDM調(diào)試接口（詳見第5部分）。這種接口是串行的，處理器內(nèi)部固化了調(diào)試微碼，為現(xiàn)場測試 帶來了方便。對于不具備這種接口的嵌入式計算系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計時將關(guān)鍵信號點引出到一個測試接口插座上，通過該插座可輸入測試激勵信號和觀察輸出信號；對于軟件測試，可使用前文中所述的ROM板測試方法，外接顯示部件來觀察程序運行情況。
軟件現(xiàn)場調(diào)試的另外一個要求是程序應(yīng)能夠現(xiàn)場下載，以便在發(fā)現(xiàn)問題后能夠修改軟件。現(xiàn)場在線下載程序的方法有兩種：一種是使用具有ISP功能的處理（如Philips公司的P89C51RD系列MCU等），另一種方案是將軟件設(shè)計成兩部分，一部分是應(yīng)用功能軟件，另一部分是完成前者下載到系統(tǒng)中的下載通信軟件。無論哪種方法，下載的主機均是PC機。如果需要達到遠程調(diào)試和下載的目的，則要使用后一種方案。例如，在Echelon公司的Lonwork現(xiàn)場總線產(chǎn)品中，每個節(jié)點中的程序均可以通過網(wǎng)絡(luò)下載，這種功能為多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試帶來了極大方便。
4 可測試性設(shè)計
在產(chǎn)品開發(fā)初期，產(chǎn)品測試的目的是驗證產(chǎn)品設(shè)計的正確性，而可測試性部件的存在則能加快測試速度，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期；在生產(chǎn)階段，通過測試來剔除有缺陷的產(chǎn)品和部件；在使用階段，測試則用于故障定位，找出失效的部件并更換或者維修?？梢姡a(chǎn)品的測試在產(chǎn)品生命周期各階段均有十分重要的作用。可測試性設(shè)計應(yīng)該在產(chǎn)品設(shè)計初期就加以考慮，結(jié)合測試在不同階段的作用來設(shè)計測試模塊和接口。
產(chǎn)品的可測試性設(shè)計要考慮的問題有：測試的目的、測試部件的位置、測試部件的基本要素、內(nèi)置測試部件與外部測試設(shè)備儀器之間的電氣和機械連接，添加測試部件對被測模塊功能和性能的影響、測試部件的成本以及何時使用測試功能等。
如前所述，測試在產(chǎn)品不同階段是有差別的。在產(chǎn)品開發(fā)階段，很多參數(shù)需要定量和詳細地進行測試，以驗證產(chǎn)品在各種不同情況下是否能正常工作；測試參數(shù)，測試點較多，可以方便地連接各種外部測試儀器，也不需要考慮添加測試部件所帶來的附加成本。在產(chǎn)品生產(chǎn)和使用階段，測試的節(jié)點和參數(shù)數(shù)量也相對減少，測試一般是定性的，無需借助于外部設(shè)備的自測試，成本因素也必須考慮。
測試部件一般位于被測部件的接口和邊界位置上，如圖上所示，用于產(chǎn)品控制被測部件的激勵信號和采樣被測部件的輸出信號。測試部件一般由測試信號源、信號傳輸通道、測試觀察裝置等組成。測試部件可以完全包含在被測部件中，也可部分位于外部（如外接信號源和示波器等）。對于自動測試，測試部件還包括被測部件的預期輸出存儲部件比較部分。
在一個系統(tǒng)中，如何劃分模塊，確定測試位置（即模塊的邊界）是關(guān)系到可測試性設(shè)計是否合理的首要問題。模塊間最小相關(guān)原則和模塊內(nèi)最小相似原則是兩個重要依據(jù)：前者保證測試可以獨立進行，不需要很多其它模塊的配合；后者可以使測試能正確反映被測模塊的大部分工況，不至于漏測很多工作狀態(tài)。
很多情況下，從被測模塊的邊界直接引出信號有困難，測試信號需要經(jīng)過其它模塊引入到被測模塊上。如果作為信號路徑的模塊對信號特征沒有改變，則稱這種測試路徑是透明的，路徑模塊必須能在旁路模式和正常工作模式之間切換，實現(xiàn)起來有局限性。對于硬件來說，最簡單的透明路徑是使用跳線。
對于簡單嵌入式系統(tǒng)來說，測試一般包括上電自測試和人為測試。后者在故障出現(xiàn)時進行。對于復雜系統(tǒng)來說，還包括定時自動測試，比如在大型程控交換機和飛機機載電子設(shè)備的運行過程中，均定時進行自檢。
可測試性設(shè)計還應(yīng)考慮測試功能所使用對象的不同。產(chǎn)品設(shè)計人員、產(chǎn)品使用人員和產(chǎn)品維護人員對測試內(nèi)容的要求是同的，需要進行分層次的可測試性設(shè)計。
對于硬件和系統(tǒng)的可測試性設(shè)計已有IEEE1149.1/4/5等標準可以借鑒，對于單純的軟件測試，目前尚無具體和統(tǒng)一的標準，只有諸如代碼格式分析、白盒測試、黑盒測試、覆蓋測試等測試方法。軟件測試的途徑有兩個。一是在源代碼中增加大量測試代碼，使用條件編譯指令來控制形成調(diào)試、測試和最終發(fā)布等不同版本。調(diào)測版本的代碼規(guī)模要比最終的發(fā)布版本大很多，在問題解決后，一般將臨時性測試代碼通過編譯開關(guān)屏蔽。另外一個軟件測試途徑是使用專用的測試軟件（如法國Telelogic公司的LOGISCOPE測試工具），這些測試軟件能完成諸如覆蓋測試、代碼格式分析等功能，但均是針對特定的語言和操作系統(tǒng)環(huán)境，使用上一些限制。
還需要說明的就是“可觀測”設(shè)計的概念?？捎^測性和可測試性不同，不需要加入激勵信號，只觀察系統(tǒng)運行中某些內(nèi)部狀態(tài)，比如軟件中某個重要變量的數(shù)值變化，硬件電路中某個IC引腳的信號電平等。在設(shè)計中，應(yīng)該保留這些觀察接口，以便需要時用它來判斷和分析系統(tǒng)的問題。一個可測試的系統(tǒng)，一定是可觀測的，反之則不然。設(shè)計可測試性系統(tǒng)的目的是為了以后修改和改進設(shè)計，而使系統(tǒng)具有可觀測性則是為了維護系統(tǒng)，判斷哪個是出故障的部件，以便更換。可測試性設(shè)計一般用于新產(chǎn)品，而可觀測性設(shè)計用于成熟產(chǎn)品。當然，在結(jié)構(gòu)、安裝條件和成本允許的情況下，成熟產(chǎn)品也應(yīng)具有可測試性。實際上，由于處理器技術(shù)和芯片的日新月異，已經(jīng)不存在真正意義上的成熟產(chǎn)品了。
在一類產(chǎn)品中的可測試性設(shè)計應(yīng)該具有一致性，例如，用紅色LED表示電源狀態(tài)，所有電路板均應(yīng)采用紅色LED，點亮的頻率也應(yīng)該一致。作為企業(yè)，應(yīng)制定相關(guān)的測試接口標準，并且這些標準應(yīng)符合行業(yè)習慣或者行業(yè)標準。
5 測試和調(diào)試接口標準
測試和調(diào)試接口標準：JTAG和BDM。
5.1 背景調(diào)試模式
在使用傳統(tǒng)的ICE來調(diào)試時，使用ICE中的CPU來取代目標板中的CPU，目標板和ICE之間使用多芯扁平電纜來連接，而ICE在使用時一般還需要縮主機（一般來PC）來連接。
在一些高端微處理器內(nèi)部已經(jīng)包含了用于調(diào)試的微碼，調(diào)試時仿真器軟件和目標板上的CPU的調(diào)試微碼通信，目標板 上的CPU無需取出。由于軟件調(diào)試指令無需經(jīng)過一段扁平電纜來控制目標板，避免了高頻操作限制、交流和直流的不匹配以及調(diào)試線纜的電阻影響等問題。這種調(diào)試模式在Motorola公司產(chǎn)品68300系列中被稱為背景調(diào)試模式BDM（Background Debug Mode）。在仿真器和目標之間使用8芯（或者10芯）的BDM接口來連接，其他公司的嵌入式處理器也有類似功能，不過叫法不同，例如AMD公司在其X86微處理器上提供“AMDebug”的調(diào)試接口。
實際上，BDM相當于將ICE仿真器軟件和硬件內(nèi)置在處理器，這使得我們直接使用PC機的并口來調(diào)試軟件，不再需要ICE硬件，大大節(jié)約了汽油發(fā)成本。一些調(diào)試器供應(yīng)商也提供這種軟件產(chǎn)品（如XRAY）。對于用戶來說，為了調(diào)試一些特定問題，可以直接使用BDM命令來調(diào)試目標系統(tǒng)，以彌補商業(yè)調(diào)試軟件的不足。
BDM接口有8根信號線，也有為10根信號線的，如圖2所示。調(diào)試軟件通過4腳使CPU進入背景調(diào)試模式，調(diào)試命令的串行信號則8通過腳輸入,同時4腳輸入信號步時鐘，而CPU中的微碼在執(zhí)行命令后會在10腳輸出調(diào)試結(jié)果指示信號?？梢?，BDM接口引線由并口和PC機相連，調(diào)試命令則是通過串行方式輸入的。
目前在CPU內(nèi)置的調(diào)試接口和微碼方面，各廠家尚無統(tǒng)一標準。處理器廠家、工具開發(fā)公司和儀器制造商曾于1998年組成了Nexus 5001 Forum(Nexus 5001論壇)，成員包括Motorola、Infineon Technologies、日立、ETAS和惠普公司等，正致力于制定一個統(tǒng)一的片上通用調(diào)試接口。這方面的進一步情況可查閱http://www.nexus-standard.org/網(wǎng)站。
5.2 邊界掃描測試技術(shù)和JTAG接口
邊界掃描測試技術(shù)（Boundary-Scan Test Architecture）屬于一種可測試性設(shè)計。其基本思想是在芯片引腳和芯片內(nèi)部邏輯之間（即芯片邊界位置）增加串行連接的邊界掃描測試單元，實現(xiàn)對芯片引腳狀態(tài)的設(shè)定和讀取，使芯片引腳狀態(tài)具有可控性和可觀測性。
邊界掃描測試技術(shù)最初由各大半導體公司（Philips、IBM、Intel等）成立的聯(lián)全測試行動小組JTAG（Join Test Action Group）于1988年提出，1990年被IEEE規(guī)定為電子產(chǎn)品可測試性設(shè)計的標準（IEEE1149.1/2/3）。目前，該標準已被一些大規(guī)模集成電路所采用（如DSP、CPU、FPGA等），而訪問邊界掃描測試電路的接口信號定義標準被稱為JTAG接口，很多嵌入式處理器內(nèi)置了這種測試接口。在Cygnal公司的C8051F000系列單片機中和一些FPGA芯片中，JTAG接口不僅能用于測試，也是器件的編程接口。
IEEE1149.1標準支持以下3種測試功能：
*內(nèi)部測試——IC內(nèi)部的邏輯測試；
*外部測試——IC間相互連接的測試；
*取樣測試——IC正常運行時的數(shù)據(jù)取樣測試。
圖3給出了具有2個芯片的系統(tǒng)的邊界掃描測試原理。
圖3中，TCK為測試同步時鐘輸入，TMS為測試模式選中輸入，TDI為測試數(shù)據(jù)輸入，TDO為測試數(shù)據(jù)輸出，由測試移位寄存器產(chǎn)品。圖3中的小方框表示位于芯片外圍的邊界掃描測試邏輯單元，芯片每個引腳信號經(jīng)過邊界掃描單元和內(nèi)部的功能單元相連接。
目前，邊界掃描技術(shù)的應(yīng)用主要在數(shù)字IC的測試上，這種設(shè)計思想也可用于模擬系統(tǒng)、板級測試甚至系統(tǒng)測試上。IEEE也制定了和IEEE1149.1相類似的標準IEEE P1149.4（數(shù)?；旌闲盘枩y試總線標準）、IEEE 1149.5（電路板測試和維護總線標準）。
下載文檔
