|
Поиск по сайту: |
|
По базе: |
 |
| Главная страница > Статьи > Средства разработки | |||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Средства разработки и отладки для однокристальных микроконтроллеровК числу основных инструментальных средств отладки относятся:
Данный список не исчерпывает всех типов существующих инструментальных средств отладки. Кроме указанных, существуют и комбинированные устройства и наборы, которые позволяют компенсировать недостатки основных средств, взятых порознь. Внутрисхемные эмуляторы.Внутрисхемный эмулятор - программно аппаратное средство, способное замещать собой эмулируемый процессор в реальной схеме. Внутрисхемный эмулятор - это наиболее мощное и универсальное отладочное средство. По сути дела, "хороший" внутрисхемный эмулятор делает процесс функционирования отлаживаемого контроллера прозрачным, т.е. легко контролируемым, произвольно управляемым и модифицируемым по воле разработчика. Функционально внутрисхемные эмуляторы делятся на стыкуемые с внешней вычислительной машиной (обычно это бывает IBM PC), и функционирующие автономно. Автономные внутрисхемные эмуляторы имеют индивидуальные вычислительные ресурсы, средства ввода-вывода, не требуют для своей нормальной работы стыковки с какими-либо внешними вычислительными средствами, но за это пользователю приходится расплачиваться либо существенно более высокой ценой, либо пониженными функциональными и сервисными возможностями по сравнению с аналогичными моделями, стыкуемыми с IBM PC. Обычно, стыковка внутрисхемного эмулятора с отлаживаемой системой производится при помощи эмуляционного кабеля со специальной эмуляционной головкой. Эмуляционная головка вставляется вместо микроконтроллера в отлаживаемую систему. Если микроконтроллер невозможно удалить из отлаживаемой системы, то использование эмулятора возможно, только если этот микроконтроллер имеет отладочный режим, при котором все его выводы находятся в третьем состоянии. В этом случае для подключения эмулятора используют специальный адаптер-клипсу, который подключается непосредственно к выводам эмулируемого микроконтроллера. Как минимум, эмулятор содержит следующие функциональные блоки:
Более продвинутые модели могут содержать дополнительно:
ОтладчикОтладчик является своеобразным мостом между разработчиком и отладочным средством. Состав и объем информации, проходящей через средства ввода-вывода, доступность ее для восприятия, контроля, и, при необходимости, для коррекции и модификации - напрямую зависят от свойств и качества отладчика. Хороший отладчик позволяет осуществлять:
Более мощные отладчики, обычно их называют высокоуровневыми (High-Level Debuggers), помимо этого, позволяют:
Такой отладчик позволяет пользователю одновременно контролировать ход выполнения программы и видеть соответствие между исходным текстом, образом программы в машинных кодах, и состоянием всех ресурсов эмулируемого микроконтроллера. Следует отметить, что высокоуровневый отладчик обеспечивает выполнение всех своих функций только в том случае, если используется кросс-компилятор поставляющий полную и правильную отладочную информацию (не все компиляторы, особенно их пиратские версии, поставляют такую информацию) и при этом формат ее представления должен быть "знаком" отладчику. Эмуляционная памятьНаличие эмуляционной памяти дает возможность использовать ее в процессе отладки вместо ПЗУ в отлаживаемой системе, и более того, отлаживать программу без использования реальной системы или ее макета. При необходимости внесения изменений в отлаживаемую программу, достаточно загрузить новую или модифицированную программу в память эмулятора, вместо того чтобы заниматься перепрограммированием ПЗУ. Существуют модели эмуляторов, которые позволяют пользователю "подставлять" вместо ПЗУ эмуляционную память не только целиком, но и поблочно (в некоторых моделях минимальный размер блока может достигать одного байта), в порядке, определенном пользователем. Для этого пользователю достаточно задать распределение памяти данных и памяти программ, в соответствии с которым процессор будет получать доступ и к содержимому ПЗУ в отлаживаемой системе, и к содержимому эмуляционной памяти внутрисхемного эмулятора. Такая память обычно называется памятью с возможностью мэппинга. ТрассировщикВ сущности, трассировщик представляет собой логический анализатор, работающий синхронно с процессором и фиксирующий поток выполняемых инструкций и состояния выбранных внешних сигналов. Существуют модели внутрисхемных эмуляторов, которые позволяют трассировать не только внешние сигналы, но и состояния внутренних ресурсов микроконтроллера, например, регистров. Такие эмуляторы используют специальные версии микроконтроллеров (эмуляционные кристаллы). Процессор точек остановаПроцессор точек останова позволяет останавливать выполнение программы, или выполнять иные действия, например запускать или останавливать трассировщик, при выполнении заданных пользователем условий. В отличие от механизма обычных точек останова, процессор точек останова позволяет формировать и отслеживать условия практически любой степени сложности, и при этом эмулируемый процесс не выводится из масштаба реального времени. ПрофилировщикПрофилировщик (иначе анализатор эффективности программного кода), позволяет получить по результатам прогона отлаживаемой программы следующую информацию:
Анализ статистической информации, поставляемой профилировщиком, позволяет легко выявлять "мертвые" или перенапряженные участки программ, и в результате оптимизировать структуру отлаживаемой программы. Интегрированная среда разработкиСовокупность программных средств, поддерживающая все этапы разработки программного обеспечения от написания исходного текста программы до ее компиляции и отладки, и обеспечивающая простое и быстрое взаимодействие с другими инструментальными средствами (программным отладчиком-симуляторм и программатором). Наличие в программной оболочке эмулятора встроенного редактора, встроенного менеджера проектов и системы управления, позволяют существенно облегчить работу разработчика, избавив его от множества рутинных действий. Для разработчика стирается грань между написанием программы, ее редактированием и отладкой. Переход от редактирования исходного текста к отладке и обратно происходит "прозрачно" и синхронно с активизацией соответствующих окон, менеджер проектов автоматически запускает компиляцию по мере необходимости и активизирует соответствующие окна программного интерфейса. Столь же просто осуществляется и переход к отладке проекта с помощью имеющегося отладчика-симулятора, или приступить к "прошивке" ПЗУ отлаженной программой. Некоторые модели внутрисхемных эмуляторов могут предоставлять пользователям и другие дополнительные возможности. Среди них отметим одну, хотя и достаточно специфическую, но в ряде случаев имеющую принципиальное значение: возможность построения многоэмуляторных комплексов, необходимых для отладки мультипроцессорных систем. Отличительной особенностью такого комплекса является возможность синхронного управления (с одного компьютера) несколькими эмуляторами. В общем случае, различные модели внутрисхемных эмуляторов могут предоставлять пользователю возможности по контролю и управлению функционированием отлаживаемых устройств, с разного рода ограничениями. Например это может быть некорректное обрабатывание прерываний в пошаговом режиме, или запрет на использование последовательного порта и т.п.. Так же необходимо помнить, что каждая реальная модель эмулятора имеет свой набор поддерживаемых компиляторов. Некоторые фирмы производители эмуляторов сознательно идут на ограничение количества поддерживаемых компиляторов, в первую очередь это характерно для западных производителей. В этих случаях эмулятор умеет пользоваться только одним символьным форматом. Возможности "реального" внутрисхемного эмулятора мы проиллюстрируем на примере модели PICE-51. PICE-51Внутрисхемный эмулятор 8-разрядных микроконтроллеров семейства 8051PICE-51 - эмулятор нового поколения, созданный с применением новых технологий разработки аппаратуры и программного обеспечения.
Применение программируемых матриц большой емкости позволило резко сократить размеры эмулятора без какого-либо ущерба его функциональным возможностям, минимизировать отклонения электрических и частотных характеристик эмулятора от характеристик эмулируемого процессора и, тем самым, добиться максимальной точности эмуляции на частотах до 30 Мгц при напряжениях питания от 3.3В до 5В. Перезагружаемая аппаратная структура эмулятора обеспечивает эмуляцию практически всех микроконтроллеров семейства 8051 как отечественного производства, так и фирм: Intel, Philips, Siemens, Atmel, Dallas, Temic, OKI, AMD, MHS и других. Мощный программный интерфейс в среде Windowsв, представляет собой интегрированную среду разработки, поддерживающую все этапы разработки программного обеспечения от написания исходного текста программы до ее компиляции и отладки. Программа поддержки эмулятора ориентирована на отладку программ на языке высокого уровня по исходному тексту. Эмулятор состоит из основной платы размером 80х76мм, сменного адаптера под конкретный процессор и сменной эмуляционной головки под конкретный тип корпуса. На основной плате реализованы: трассировщик, процессор точек останова. Плата сменного адаптера содержит эмулирующий процессор под конкретный тип микроконтроллера. Эмуляционные головки обеспечивают установку эмулятора в колодки DIP и PLCC на плате пользователя. Питание эмулятора осуществляется от блока питания +5В, 0,5А или непосредственно от отлаживаемого устройства. Связь с компьютером - по гальванически развязанному каналу RS-232C на скорости 115 КБод.. ХАРАКТЕРИСТИКИ АППАРАТУРЫ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Эмулятор снабжен печатным руководством по эксплуатации и контекстным электронным руководством, в которых детально описаны его принципы работы, команды, меню, горячие клавиши. Структурная схема эмулятора PICE-51
Варианты комплектации эмулятора PICE-51
Сравнительные характеристики некоторых эмуляторов для микроконтроллеров семейства 8051
Более полная информация, а так же демо-версия эмулятора, представлена на Website: http: Конечно, столь широкий набор функциональных возможностей, делает внутрисхемные эмуляторы наиболее мощным и универсальным средством отладки.
Симулятор - программное средство, способное имитировать работу
микроконтроллера и его памяти. Как правило, симулятор содержит в своем составе:
Более продвинутые симуляторы содержат в своем составе модели встроенных периферийных устройств, таких, как таймеры, порты, АЦП, и системы прерываний.
Симулятор должен уметь загружать файлы программ во всех популярных форматах, максимально полно отображать информацию о состоянии ресурсов симулируемого микроконтроллера, а также предоставлять возможности по симуляции выполнения загруженной программы в различных режимах. В процессе отладки модель "выполняет" программу, и на экране компьютера отображается текущее состояние модели.
Загрузив программу в симулятор, пользователь имеет возможность запускать ее в пошаговом или непрерывном режимах, задавать условные или безусловные точки останова, контролировать и свободно модифицировать содержимое ячеек памяти и регистров симулируемого микропроцессора. С помощью симулятора можно быстро проверить логику выполнения программы, правильность выполнения арифметических операций.
В зависимости от класса используемого отладчика, различные симуляторы могут поддерживать высокоуровневую символьную отладку программ.
Некоторые модели симуляторов могут содержать ряд дополнительных программных средств, таких например как: интерфейс внешней среды, встроенную интегрированную среду разработки.
В реальной системе микроконтроллер обычно занимается считыванием информации с подключенных внешних устройств (датчиков), обработкой этой информации и выдачей управляющих воздействий на исполнительные устройства. Чтобы в симуляторе не обладающем интерфейсом внешней среды смоделировать работу датчика, нужно вручную изменять текущее состояние модели периферийного устройства, к которому в реальной системе подключен датчик. Если, например, при приеме байта через последовательный порт взводится некоторый флажок, а сам байт попадает в определенный регистр, то оба эти действия нужно производить в таком симуляторе вручную. Наличие же интерфейса внешней среды позволяет пользователю создавать и гибко использовать модель внешней среды микроконтроллера, функционирующую и взаимодействующую с отлаживаемой программой по заданному алгоритму.
Возможности "реального" отладчика-симулятора проиллюстрируем на примере модели PDS-PIC.
Отладчик-симулятор для разработки и отладки программ на базе микроконтроллеров PIC16/PIC17.
PDS-PIC - удобное и гибкое средство для написания и отладки программ, ориентированных на микроконтроллеры PICmicro фирмы Microchip.
Симулятор имеет:
Более подробно особенности симулятора представлены в таблице, составленной по результатам сравнительного анализа двух симуляторов: MPlabSIM -фирмы Microchip и PDS-PIC - фирмы Фитон. Основные особенности и различия MPlabSIM и PDS-PIC обусловлены тем, что при их проектировании были использованы концептуально разные интерфейсы пользователя и среды для симуляции.
* MPlabSIM использует меню как надстройку над строчным вводом команд управления процессом симуляции с возможностью запоминания и выполнения линейных последовательностей команд. Например, для изменения содержимого регистра нужно произвести следующие действия:
- выбрать в меню раздел "WINDOWS" - выбрать в подменю опцию "MODIFY" - выбрать "что" (STACK,DATA or CODE)(в данном случае "DATA") собираетесь менять - указать адрес - ввести новое значение - подтвердить ввод При этом в окне дампа регистрового фала Вы увидите результат изменения, но в самом окне ничего не сможете изменить (только через меню - аналог командной строки).
Используя PDS-PIC, модифицировать значение рагистра можно нажатием двух клавиш. Так же просто можно выполнять все другие действия по отладке программы.
** На примере из пакета MPLAB-sim для 16c54, при выполнении на рекомендованной MICROCHIP конфигурации P90/16RAM.
Очевидной особенностью программных симуляторов является то обстоятельство, что исполнение программ загруженных в симулятор происходит в масштабе времени, отличном от реального. Однако, низкая цена, возможность ведения отладки даже в условиях отсутствия макета отлаживаемого устройства, делают программные симуляторы весьма эффективным средством отладки. Отдельно необходимо подчеркнуть, что существует целый класс ошибок, которые могут быть обнаружены только при помощи симулятора.
Отладочный монитор - специальная программа, загружаемая в память отлаживаемой системы. Она вынуждает процессор пользователя производить, кроме прикладной задачи, еще и отладочные функции:
Программа монитора обязательно должна работать в связке с внешним компьютером или пассивным терминалом, на которых и происходит визуализация и управление процессом отладки. Повторим, что отладочные мониторы используют тот процессор, который уже стоит на плате пользователя. Достоинством этого подхода являются очень малые затраты при сохранении возможности вести отладку в реальном времени. Главным недостатком является отвлечение ресурсов микроконтроллера на отладочные и связные процедуры, например: монитор занимает некоторый объем памяти, прерывания, последовательный канал. Объем отвлекаемых ресурсов зависит от искусства разработчика монитора. В последнее время появились изделия, которые практически не занимают аппаратных ресурсов процессора, о них будет рассказано ниже, в разделе "Эмуляторы ПЗУ".
Платы развития, или как принято их называть в зарубежной литературе - оценочные платы (Evaluation Boards), являются своеобразными конструкторами для макетирования прикладных систем. В последнее время, при выпуске новой модели кристалла микроконтроллера, фирма-производитель обязательно выпускает и соответствующую плату развития. Обычно это печатная плата с установленным на ней микроконтроллером, плюс вся необходимая ему стандартная обвязка. На этой плате также устанавливают схемы связи с внешним компьютером. Как правило, там же имеется свободное поле для монтажа прикладных схем пользователя. Иногда, имеется уже готовая разводка для установки дополнительных устройств, рекомендуемых фирмой. Например, ПЗУ, ОЗУ, ЖКИ-дисплей, клавиатура, АЦП и др. Кроме учебных или макетных целей, такие доработанные пользователем платы стало выгодно (экономия времени) использовать в качестве одноплатных контроллеров, встраиваемых в мало серийную продукцию (5..20 шт.).
Для большего удобства, платы развития комплектуются еще и простейшим средством отладки на базе монитора отладки. Однако, здесь проявились два разных подхода: один используется для микроконтроллеров, имеющих внешнюю шину, а второй - для микроконтроллеров, не имеющих внешней шины.
В первом случае отладочный монитор поставляется фирмой в виде микросхемы ПЗУ, которая вставляется в специальную розетку на плате развития. Плата также имеет ОЗУ для программ пользователя и канал связи с внешним компьютером или терминалом. Примером здесь может служить плата развития фирмы Intel для микроконтроллера 8051.
Во втором случае, плата развития имеет встроенные схемы программирования внутреннего ПЗУ микроконтроллера, которые управляются от внешнего компьютера. В этом случае, программа монитора просто заносится в ПЗУ микроконтроллера совместно с прикладными кодами пользователя. Прикладная программа при этом специально должна быть подготовлена: в нужные ее места вставляют вызовы отладочных подпрограмм монитора. Затем осуществляется пробный прогон. Чтобы внести в программу исправления пользователю надо стереть ПЗУ и произвести повторную запись. Готовую прикладную программу получают из отлаженной путем удаления всех вызовов мониторных функций и самого монитора отладки. Примерами могут служить платы развития фирмы Microchip для своих PIC контроллеров. Такой же принцип и у плат для отладки микроконтроллеров 80С750 Philips или 89C2051 Atmel.
Важно отметить, что плюс к монитору, иногда платы развития комплектуются еще и программами отладки, которые запускаются на внешнем компьютере в связке с монитором. Эти программы в последнее время заметно усложнились и зачастую имеют высокопрофессиональный набор отладочных функций, например, отладчик-симулятор, или различные элементы, присущие в чистом виде интегрированным средам разработки. В состав поставляемых комплектов могут входить и программы прикладного характера, наиболее часто встречающиеся на практике.
Возможности по отладке, предоставляемые комплектом "плата развития плюс монитор" безусловно не столь универсальны, как возможности внутрисхемного эмулятора, да и некоторая часть ресурсов микропроцессора в процессе отладки отбирается для работы монитора. Тем не менее, наличие законченного набора готовых программно-аппаратных средств, позволяющих без потери времени приступить к монтажу и отладке прикладной системы, во многих случаях является решающим фактором. Особенно если учесть, что стоимость такого комплекта несколько меньше чем стоимость более универсального эмулятора.
Эмулятор ПЗУ - программно-аппаратное средство позволяющее, замещать ПЗУ на отлаживаемой плате, и подставляющее вместо него ОЗУ, в которое может быть загружена программа с компьютера через один из стандартных каналов связи. Это устройство позволяет пользователю избежать многократных циклов перепрограммирования ПЗУ. Эмулятор ПЗУ имеет смысл только для микроконтроллеров, которые в состоянии обращаться к внешней памяти программ. Это устройство сравнимо по сложности и по стоимости с платами развития. Оно имеет одно большое достоинство: универсальность. Эмулятор ПЗУ может работать с любыми типами микроконтроллеров.
Ранние эмуляторы ПЗУ позволяли только загружать программу, запускать ее и останавливать, используя общий сброс. Затем появились усложненные модели с аппаратной выработкой сигналов трассировки по достижении определенного адреса на осциллограф. Эмулируемая память в таких изделиях была доступна для просмотра и модификации, но очень важный контроль за внутренними управляющими регистрами микроконтроллера был до недавнего времени невозможен.
Однако появились модели интеллектуальных эмуляторов ПЗУ, которые позволяют "заглядывать" внутрь микроконтроллера на плате пользователя и вообще, по управлению отладкой, стали похожими на внутрисхемный эмулятор. Фирма Cactus даже представляет свой фактически интеллектуальный эмулятор ПЗУ, как внутрисхемный эмулятор ряда микропроцессоров, настолько невозможно отличить работу с тем и другим. В действительности, процессор здесь не замещается, а используется тот, что стоит на плате пользователя.
Интеллектуальные эмуляторы ПЗУ представляют собой гибрид из обычного эмулятора ПЗУ, монитора отладки и схем быстрого переключения шины с одного на другой. Этим создается эффект, как если бы монитор отладки был установлен на плате пользователя и при этом он не занимает у микроконтроллера никаких аппаратных ресурсов, кроме небольшой зоны программных шагов, примерно 4К. Например, такое устройство разработала фирма "Фитон" для всех существующих и будущих микроконтроллеров, которые имеют ядро от 8051 но дополнительно насыщенны различными устройствами ввода\вывода. Это устройство поддерживает множество самых разных микроконтроллеров фирм Philips, Siemens, OKI.
Строго говоря, интегрированные среды разработки не относятся к числу средств отладки, тем не менее обойти вниманием данный класс программных средств, существенно облегчающий и ускоряющий процесс разработки и отладки микропроцессорных систем было бы неправильно.
При традиционном подходе, начальный этап написания программы строится следующим образом:
И этот цикл может повторяться не один раз. Если программа не слишком мала и тривиальна, собирается из различных частей, подвергается редактированию или модернизации, то даже этот начальный этап может потребовать очень много сил и времени программиста, и существенно притушить энтузиазм разработчика.
Избежать большого объема рутины и существенно повысить эффективность процесса разработки и отладки, позволяют появившиеся и быстро завоевывающие популярность т.н. интегрированные среды (оболочки) разработки (Integrated Development Environment, IDE).
Как правило, "хорошая" интегрированная среда позволяет объединить под одним крылом имеющиеся средства отладки (внутрисхемный эмулятор, программный симулятор, программатор), и при этом обеспечивает работу программиста с текстами программ в стиле "турбо".
Работа в интегрированной среде дает программисту:
В последнее время, функции интегрированных сред разработки становятся принадлежностью программных интерфейсов наиболее продвинутых эмуляторов и отладчиков-симуляторов. Подобные функциональные возможности, в сочетании с дружественным интерфейсом, в состоянии существенно облегчить жизнь разработчику и ускорить его работу.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
