第三講嵌入式系統(tǒng)調(diào)試方法演示文稿

第三講嵌入式系統(tǒng)調(diào)試方法演示文稿當(dāng)前第1頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)優(yōu)選第三講嵌入式系統(tǒng)調(diào)試方法當(dāng)前第2頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)調(diào)試是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中必不可少的重要環(huán)節(jié)，通常計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試環(huán)境存在明顯差異：◎通用計(jì)算機(jī)一般采用桌面操作系統(tǒng)，調(diào)試器與被調(diào)試的程序常常位于同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，OS也相同，調(diào)試器進(jìn)程通過(guò)OS提供的調(diào)用接口（API）來(lái)控制被調(diào)試的進(jìn)程；◎嵌入式應(yīng)用程序通常采用嵌入式操作系統(tǒng)，運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)上，開發(fā)主機(jī)常采用通用計(jì)算機(jī)，開發(fā)機(jī)和目標(biāo)機(jī)處于不同的機(jī)器中，程序在開發(fā)主機(jī)上開發(fā)（編輯、交叉編譯、連接定位等），然后下裝到目標(biāo)機(jī)（嵌入式系統(tǒng)）進(jìn)行運(yùn)行和調(diào)試（遠(yuǎn)程調(diào)試）。由于這種差異，導(dǎo)出如下問(wèn)題：·不同OS之上的調(diào)試器與被調(diào)試程序之間如何通信；·被調(diào)試程序出現(xiàn)異常如何告知調(diào)試器；·調(diào)試器如何控制及訪問(wèn)被調(diào)試程序等。目前采用兩種調(diào)試方法解決上述問(wèn)題：monitor方式和片上調(diào)試方式。

當(dāng)前第3頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)（1）monitor方式monitor方式是在目標(biāo)OS與調(diào)試器內(nèi)分別內(nèi)置專用功能模塊，用于相互通信從而實(shí)現(xiàn)調(diào)試功能。兩者應(yīng)通過(guò)指定的通信端口并依據(jù)相同的遠(yuǎn)程調(diào)試協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。目標(biāo)OS的所有異常處理最終都必須轉(zhuǎn)向通信模塊，通知調(diào)試器此時(shí)的異常號(hào)，調(diào)試器再依據(jù)該異常號(hào)向用戶顯示被調(diào)試程序發(fā)生了哪一類型的異?，F(xiàn)象。調(diào)試器控制及訪問(wèn)被調(diào)試程序的請(qǐng)求都將被轉(zhuǎn)換為對(duì)調(diào)試程序的地址空間或目標(biāo)平臺(tái)的某些寄存器的訪問(wèn)，目標(biāo)OS接收到此類請(qǐng)求時(shí)可直接進(jìn)行處理。采用monitor方式，目標(biāo)OS必須提供支持遠(yuǎn)程調(diào)試協(xié)議的通信模塊和多任務(wù)調(diào)試接口，此外還需改寫異常處理的有關(guān)部分。目標(biāo)OS需要定義一個(gè)設(shè)置斷點(diǎn)的函數(shù)。

當(dāng)前第4頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)（2）片上調(diào)試方式片上調(diào)試方式是在CPU內(nèi)部嵌入額外的硬件控制模塊，當(dāng)滿足了特定的觸發(fā)條件時(shí)進(jìn)入某種特殊狀態(tài)。在該狀態(tài)下，被調(diào)試程序停止運(yùn)行，主機(jī)的調(diào)試器可以通過(guò)CPU外部特設(shè)的通信接口來(lái)訪問(wèn)系統(tǒng)資源并執(zhí)行指令。主機(jī)通信端口與目標(biāo)板調(diào)試通信接口通過(guò)一塊簡(jiǎn)單的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路板連接。內(nèi)嵌的控制模塊以監(jiān)控器或純硬件資源的形式存在，包括一些提供給用戶的接口，如JTAG方式和BDM方式。當(dāng)前第5頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)3．1基于主機(jī)的調(diào)試指沒(méi)有目標(biāo)機(jī)或目標(biāo)機(jī)是通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)(如PC104)的一種調(diào)試?；贑語(yǔ)言可移植性原理，有許多程序模塊完全可以在主機(jī)上開發(fā)和調(diào)試，這些模塊應(yīng)該用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫，與硬件無(wú)關(guān)，如各種算法程序。對(duì)于匯編語(yǔ)言代碼，可以在主機(jī)上使用指令模擬器（InstructionSetSimulator，ISS）運(yùn)行它們，直到需要測(cè)試代碼與目標(biāo)系統(tǒng)特殊硬件之間的實(shí)時(shí)交互操作為止?；谥鳈C(jī)的調(diào)試主要存在兩大問(wèn)題，一是目標(biāo)系統(tǒng)外設(shè)無(wú)法交互，二是兩種計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)特征——字長(zhǎng)與字節(jié)排序問(wèn)題。字長(zhǎng)問(wèn)題可以通過(guò)定義可移植的數(shù)據(jù)類型來(lái)解決。字節(jié)排序問(wèn)題主要是大小端問(wèn)題。如果主機(jī)不支持大小端配置，那么需要在軟件移植到目標(biāo)系統(tǒng)上之后，調(diào)試大小端問(wèn)題，或者將目標(biāo)機(jī)的大小端配置成與主機(jī)的大小端配置相同。當(dāng)前第6頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)基于主機(jī)的調(diào)試方法的例子如基于uC/OS-II操作系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)。基于uC/OS-II的應(yīng)用開發(fā)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行，該OS提供了可移植的數(shù)據(jù)類型定義，兼顧了大小端問(wèn)題，開發(fā)完成后，只需要修改少量的移植代碼，就可以把應(yīng)用移植到目標(biāo)系統(tǒng)中。基于主機(jī)的調(diào)試方法的另一個(gè)例子是ATI公司的MNT，NucleusPlus是ATI公司的一個(gè)商用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，支持眾多的處理器。MNT是一個(gè)仿真開發(fā)平臺(tái)，利用MNT，用戶可以在基于Windows操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上，開發(fā)和調(diào)試基于NucleusPlus的應(yīng)用程序，等目標(biāo)硬件調(diào)試完成后，直接移植到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)嵌入式軟件和硬件的并行開發(fā)。當(dāng)前第7頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)3．2遠(yuǎn)程調(diào)試器與調(diào)試內(nèi)核嵌入式目標(biāo)系統(tǒng)平臺(tái)一般缺少支持具有完整特性的調(diào)試器所需的資源，嵌入式系統(tǒng)調(diào)試器通過(guò)分離自身來(lái)避開這種限制。調(diào)試器的大部分駐留在主機(jī)中，余下部分駐留在目標(biāo)機(jī)中，留在目標(biāo)系統(tǒng)中的主要是調(diào)試代理，即monitor。調(diào)試器的兩部分（主機(jī)部分和目標(biāo)機(jī)部分）通過(guò)串口/并口/以太網(wǎng)等端口相互通信。典型調(diào)試體系結(jié)構(gòu)如下圖所示。當(dāng)前第8頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)主機(jī)桌面操作系統(tǒng)編譯器連接器編輯器調(diào)試器（前端）（指令）模擬器目標(biāo)機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)調(diào)試代理BootLoader文件系統(tǒng)TCP/IPBSPJVMGUI通信端口當(dāng)前第9頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)調(diào)試器一般具有以下功能：設(shè)置斷點(diǎn)；從主機(jī)中加載程序；顯示或修改內(nèi)存與處理器的寄存器；從某地址開始運(yùn)行；單步執(zhí)行；多任務(wù)調(diào)試；資源查看（包括多任務(wù)信箱、信號(hào)量、隊(duì)列、任務(wù)狀態(tài)等）；遠(yuǎn)程調(diào)試內(nèi)核功能與調(diào)試器前端的用戶界面緊密配合。當(dāng)前第10頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)調(diào)試代理需要兩種目標(biāo)系統(tǒng)資源：一是中斷向量，二是軟件中斷。調(diào)試代理以中斷服務(wù)程序ISR的方式提供，中斷源一般設(shè)置成高優(yōu)先級(jí)中斷，有時(shí)與NMI的中斷優(yōu)先級(jí)一樣高，通常來(lái)自于串口/并口/以太網(wǎng)等設(shè)備，由主機(jī)控制中斷發(fā)生與否，以保證調(diào)試器訪問(wèn)中斷總能被處理到，否則如果某個(gè)應(yīng)用程序關(guān)閉了所有中斷，那么調(diào)試器就再也不能恢復(fù)對(duì)系統(tǒng)的控制了。當(dāng)主機(jī)發(fā)送命令給目標(biāo)機(jī)，目標(biāo)機(jī)就會(huì)立即停止應(yīng)用軟件代碼的執(zhí)行并進(jìn)入調(diào)試代理ISR，保存當(dāng)前CPU的上下文，然后調(diào)試器就控制了目標(biāo)系統(tǒng)。

當(dāng)前第11頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)3．3ROM仿真器3．3．1ROM仿真器概述

ROM仿真器就是仿真ROM，是用RAM以及附加電路制成。ROM仿真器是一個(gè)有2個(gè)電纜的盒子：一端連接到主機(jī)串口，下載新的程序到ROM仿真器；另一端插在目標(biāo)系統(tǒng)的ROM插座上，目標(biāo)平臺(tái)認(rèn)為它在訪問(wèn)ROM，而它實(shí)際訪問(wèn)的是ROM仿真器的RAM，該RAM中含有用戶所下載的用于測(cè)試的程序。如下圖所示。當(dāng)前第12頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)ROM仿真器的用途是為程序開發(fā)過(guò)程（編輯、編譯、下載、調(diào)試）節(jié)省時(shí)間，不用頻繁為EPROM進(jìn)行插拔、擦除、燒寫、校驗(yàn)等重復(fù)性耗時(shí)操作。使用ROM仿真器，可將生成程序用ROM仿真器下載到目標(biāo)系統(tǒng)，運(yùn)行它，并根據(jù)運(yùn)行結(jié)果對(duì)主機(jī)程序進(jìn)行修改，再下載，再運(yùn)行，以至循環(huán)。主機(jī)ROM仿真器目標(biāo)系統(tǒng)用于代替系統(tǒng)ROM簡(jiǎn)單嵌入式接頭串/并/LAN當(dāng)前第13頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)3．3．2ROM仿真器的組成

ROM仿真器包括以下元件：用于匹配目標(biāo)系統(tǒng)ROM芯片接口的電纜和插座；用于代替目標(biāo)系統(tǒng)中ROM的快速RAM；本地控制處理器；連接到主機(jī)的通信端口；附加特性，如跟蹤存儲(chǔ)器、閃存編程算法等。當(dāng)前第14頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)3．3．3ROM仿真器的功能（1）縮短調(diào)試周期。燒寫一個(gè)大的EPROM芯片有時(shí)長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)小時(shí)。（2）靈活設(shè)置斷點(diǎn)。EPROM中的程序往往是“干凈”的程序，不含調(diào)試信息，ROM仿真器實(shí)際上是RAM，可以在其中嵌入調(diào)試信息，從而輕松設(shè)置斷點(diǎn)。（3）仿真多種接口。有時(shí)目標(biāo)機(jī)的通信端口不夠用，ROM仿真器通過(guò)建立到主機(jī)的虛擬UART端口解決問(wèn)題。

注意：ROM仿真器不是開發(fā)嵌入式系統(tǒng)必需的設(shè)備，如果目標(biāo)系統(tǒng)有JTAG/BDM端口，或目標(biāo)系統(tǒng)的調(diào)試采用monitor方式，則不需要。當(dāng)前第15頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)3．4在線仿真ICE3．4．1概述在線仿真是最直接的仿真調(diào)試方法。ICE提供自己的CPU和MEM，不再依賴目標(biāo)系統(tǒng)的CPU和MEM。電纜或特殊的連接器使ICE的CPU能代替目標(biāo)系統(tǒng)的CPU。ICE的CPU一般與目標(biāo)CPU相同。ICE和目標(biāo)系統(tǒng)通過(guò)連接器組合在一起，這個(gè)系統(tǒng)在調(diào)試時(shí)使用ICE的CPU和MEM、目標(biāo)板上的I/O接口。完成調(diào)試之后，再使用目標(biāo)板上的CPU和MEM實(shí)時(shí)運(yùn)行應(yīng)用程序。目標(biāo)系統(tǒng)程序駐留在目標(biāo)內(nèi)存中，而調(diào)試代理存放在ICE的MEM中。當(dāng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，ICE處理器從目標(biāo)內(nèi)存讀取指令。當(dāng)調(diào)試代理控制目標(biāo)系統(tǒng)時(shí)，ICE從自己的本地MEM中讀取指令。這種設(shè)計(jì)確保ICE始終保持對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的控制，甚至在目標(biāo)系統(tǒng)崩潰后也是如此，保護(hù)調(diào)試代理不受目標(biāo)系統(tǒng)錯(cuò)誤的破壞。當(dāng)前第16頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)3．4．2實(shí)時(shí)跟蹤功能當(dāng)仿真器連接到目標(biāo)系統(tǒng)上后，得到實(shí)時(shí)跟蹤信息是一件很容易的事。只需將仿真器連接到所需處理器的三總線（地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制/狀態(tài)總線）上即可。當(dāng)前第17頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)3．4．3連接方法

ICE的連接器與目標(biāo)系統(tǒng)的處理器引腳完全對(duì)應(yīng)，ICE與目標(biāo)系統(tǒng)完成連接后，ICE中的處理器代替了目標(biāo)系統(tǒng)的處理器，因此，ICE的控制電路必須要插入到CPU引腳與目標(biāo)系統(tǒng)之間，連接如下：（1）直接連接（適用于ICE的插座能很容易地插入目標(biāo)系統(tǒng)）如常用的MCS-51單片機(jī)的開發(fā)模式。其插座引腳設(shè)計(jì)與微處理器的引腳設(shè)計(jì)相匹配，實(shí)現(xiàn)輕松替換，方法是將目標(biāo)系統(tǒng)上的CPU拔掉，插上ICE的仿真頭。（2）間接連接(適用于ICE的插座不能很輕易地插入目標(biāo)系統(tǒng))其原理就是不拔走目標(biāo)系統(tǒng)的CPU，但使其所有引腳變成開路狀態(tài)（三態(tài)）。某些處理器具有專用輸入引腳，能使其進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。調(diào)試人員就可以把帶有仿真器信號(hào)的連接器作為覆蓋物插入到目標(biāo)系統(tǒng)中。當(dāng)前第18頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)3．4．4優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是具有實(shí)時(shí)跟蹤能力，缺點(diǎn)是價(jià)格較高，特別是高速CPU在線仿真器。一般用于中低速系統(tǒng)中，如單片機(jī)仿真器。當(dāng)前第19頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)3．5BDM

BDM（BackgroundDebugModel，背景調(diào)試模式）是Motorola公司的專有調(diào)試接口，該公司是第一個(gè)把具有CPU調(diào)試功能的特殊硬件放在CPU核心中的嵌入式微處理器廠商，BDM開創(chuàng)了片上集成調(diào)試資源的趨勢(shì)。硬件設(shè)計(jì)僅僅需要把CPU的調(diào)試引腳連接到專用連接器（n-wire或Wiggler）與調(diào)試工具上。n-wire優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械連接較簡(jiǎn)單，與目標(biāo)系統(tǒng)上的CPU一起運(yùn)行，與CPU的變化無(wú)關(guān)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工具，低成本、可重用、簡(jiǎn)單；n-wire缺點(diǎn)：大多數(shù)只提供運(yùn)行控制，特性受限于芯片廠商，非常慢，不支持覆蓋內(nèi)存，不能訪問(wèn)其它總線。當(dāng)前第20頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)BDM首先在Motorola公司的683XX系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，使用在ColdFire系列處理器中。它包括一個(gè)安裝在目標(biāo)處理器板上的26針連接器。BDM調(diào)試接口的引腳輸出表如圖。RESERVED12BREAKPOINTGND34DSCLKGND56RESERVEDRESET78DSI+5V910DSOGND1112PST3PST21314PST1PST01516DDATA3DDATA21718DDATA1DDATA01920GNDRESERVED2122RESERVEDGND2324CLK_CPUVcc_CPU2526TEA當(dāng)前第21頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)BDM同時(shí)支持處理器控制和定時(shí)跟蹤監(jiān)視方式。4個(gè)二進(jìn)制位DDATA0～DDATA3用于輸入調(diào)試數(shù)據(jù)和控制命令；4個(gè)二進(jìn)制位PST0～PST3用于在處理器運(yùn)行時(shí)輸出處理器狀態(tài)；通過(guò)分析來(lái)自BDM接口的信息流可以為開發(fā)人員提供關(guān)于處理器核心運(yùn)行狀態(tài)的重要信息。BDM中的命令是BDM直接發(fā)送到CPU，并且其操作獨(dú)立于任何用戶想要執(zhí)行的代碼（處理器指令系統(tǒng)中的代碼）。以下是BDM命令集。

注： 終止——為執(zhí)行此命令，CPU必須終止運(yùn)行；

周期竊取——命令產(chǎn)生一個(gè)總線周期，把它插入到CPU訪問(wèn)周期中；

并行——命令與CPU活動(dòng)并行執(zhí)行。當(dāng)前第22頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)命令助記符描述對(duì)CPU影響ReadA/DRegisterRAREG/RDREG讀選擇的處理器并通過(guò)串行BDM接口返回結(jié)果終止WriteA/DRegisterWAREG/WDREG通過(guò)串行BDM接口把操作數(shù)寫到特殊地址或數(shù)據(jù)寄存器終止ReadMemoryLocationREAD在長(zhǎng)地址指定的內(nèi)存地址讀指定字長(zhǎng)的數(shù)據(jù)周期竊取WriteMemoryLocationWRITE在長(zhǎng)地址指定的內(nèi)存地址寫指定字長(zhǎng)的數(shù)據(jù)周期竊取DumpMemoryBlockDUMP結(jié)合READ命令，轉(zhuǎn)儲(chǔ)大塊內(nèi)存周期竊取FillMemoryBlockFILL結(jié)合WRITE命令，填充大塊內(nèi)存周期竊取ResumeExecutionGO在恢復(fù)程序計(jì)數(shù)器當(dāng)前值對(duì)應(yīng)的指令前刷新并填充指令流周期竊取NoOperationNOP執(zhí)行空操作并行ReadControlRegisterRCREG讀控制寄存器終止WriteControlRegisterWCREG寫控制寄存器終止WriteDebugModuleRegisterWDMREG寫調(diào)試模塊寄存器終止當(dāng)前第23頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)3．6JTAG從使用上看，JTAG(JointTestActionGroup，聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組)與BDM類似，支持JTAG調(diào)試的處理器上集成了符合JTAG協(xié)議的硬件調(diào)試接口。JTAG仿真器包括硬件和軟件兩部分。硬件有兩個(gè)接口，一個(gè)接口連接到計(jì)算機(jī)上，有串口、并口、網(wǎng)絡(luò)口、USB口等；另一個(gè)接口與目標(biāo)處理器的JTAG引腳相連。軟件把調(diào)試命令和數(shù)據(jù)通過(guò)仿真器發(fā)送到目標(biāo)處理器中，然后接收目標(biāo)處理器的狀態(tài)信息。通過(guò)分析狀態(tài)信息，可以了解目標(biāo)處理器的工作情況；通過(guò)JTAG命令，用戶可以控制目標(biāo)處理器的運(yùn)行（單步、斷點(diǎn)、寄存器檢查等）。當(dāng)前第24頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)與BDM數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟⑿蟹绞讲煌?，JTAG采用串行方式傳輸數(shù)據(jù)，占用較少的引腳。JTAG是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議（IEEE1149.1兼容），不同于BDM，JTAG接口是一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在多數(shù)的高級(jí)器件都支持JTAG協(xié)議，如DSP、FPGA器件等。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。當(dāng)前第25頁(yè)\共有29頁(yè)\編于星期五\8點(diǎn)JTAG最初是用來(lái)對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試的，基本原理是在器件內(nèi)部定義一個(gè)TAP（TestAccessPort，測(cè)試訪問(wèn)口），通過(guò)專用的JTAG測(cè)試工具對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。JTAG測(cè)試允許多個(gè)器件通過(guò)JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個(gè)JTAG鏈，能實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)器件分別測(cè)試?，F(xiàn)在，JTAG接口還常用于實(shí)現(xiàn)ISP（In-SystemProgrammable，在線編程），對(duì)FLASH等器件進(jìn)行編程。JTAG編程方式是在線編程，傳統(tǒng)生產(chǎn)流程中先對(duì)芯片進(jìn)行預(yù)編程再裝到板上因此而改變，簡(jiǎn)化的流程為先固定器件到電路板上，再用JTAG