ARM仿真器與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)講解

嵌入式系統(tǒng)是一種專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)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(gè)控制程序存儲(chǔ)在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實(shí)上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機(jī)、汽車(chē)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(gè)程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)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(gè)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(gè)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(kāi)發(fā)周期

典型的嵌入式微控制器開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的第一個(gè)階段是用C編譯器從源程序生成目標(biāo)代碼，生成的目標(biāo)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(biāo)Monitor或在線仿真器來(lái)執(zhí)行和調(diào)試。軟件模擬器是在PC機(jī)或工作站平臺(tái)上，以其CPU(如x86)及其系統(tǒng)資源來(lái)模擬目標(biāo)CPU(如P51XA)，并執(zhí)行用戶的目標(biāo)代碼;而目標(biāo)Monitor則是將生成的目標(biāo)代碼下載到用戶目標(biāo)板的程序存儲(chǔ)器中，并在下載的代碼中增加一個(gè)Monitor任務(wù)軟件，用來(lái)監(jiān)視和控制用戶目標(biāo)代碼的執(zhí)行，用戶通過(guò)目標(biāo)板上的串行口或其它調(diào)試端口，利用桌面計(jì)算機(jī)來(lái)調(diào)試程序。

程序的調(diào)試是通過(guò)設(shè)置斷點(diǎn)、使程序在指定的指令位置停止運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在程序中止的時(shí)候，檢查存儲(chǔ)器和寄存器的內(nèi)容，作為發(fā)現(xiàn)程序錯(cuò)誤的線索。

程序經(jīng)過(guò)調(diào)試、找到所有的錯(cuò)誤后，修改源代碼，重新編譯，以一種標(biāo)準(zhǔn)格式生成目標(biāo)代碼文件，比如Intel HEX.這個(gè)目標(biāo)代碼將被存儲(chǔ)在最終產(chǎn)品的非揮發(fā)存儲(chǔ)器，比如EPROM或FLASH中。

二、為什么需要仿真器

軟件模擬器和目標(biāo) Monitor提供了一種經(jīng)濟(jì)的調(diào)試手段，對(duì)于很多設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠。但是也有很多場(chǎng)合，需要利用仿真器來(lái)找到程序錯(cuò)誤。 無(wú)論在哪一種場(chǎng)合，仿真器都能夠減少調(diào)試時(shí)間、簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成、增加可靠性、優(yōu)化測(cè)試步驟，從而使其物有所值。更常見(jiàn)的情況是工程師在項(xiàng)目的不同階段同時(shí)使用軟件模擬器和仿真器，特別是在大的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中。

軟件模擬器和軟件調(diào)試器在斷點(diǎn)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(méi)有檢測(cè)事件和條件、然后作出反應(yīng)的手段，也沒(méi)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(chǔ)器，并且運(yùn)行在單片模式，則只有仿真器才能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，而不嚴(yán)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(xiàng)目進(jìn)行的某些階段，你必須讓程序在實(shí)際的硬件上面運(yùn)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(biāo)系統(tǒng)中的MCU,仿真其運(yùn)行。 仿真器運(yùn)行起來(lái)和實(shí)際的目標(biāo)處理器一樣，但是增加了其它功能，使你能夠通過(guò)桌面計(jì)算機(jī)或其它調(diào)試界面來(lái)觀察MCU中的程序和數(shù)據(jù)，并控制MCU的運(yùn)行。仿真器是調(diào)試嵌入式軟件的一個(gè)經(jīng)濟(jì)、有效的手段。Nohau的EMUL51XA-PC仿真器系列用來(lái)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(jī)。

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(duì)于用戶并不可見(jiàn)，由此節(jié)省下來(lái)的芯片引腳作為I/O口提供給用戶。內(nèi)部模式也稱(chēng)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(qiáng)型Hooks芯片。

外部模式是當(dāng)程序存儲(chǔ)器，可能還有部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器，位于MCU外部的情況，需要有地址和數(shù)據(jù)總線來(lái)訪問(wèn)這部分存儲(chǔ)器。外部模式也稱(chēng)擴(kuò)展模式，用戶芯片、bondout芯片和增強(qiáng)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(lái)實(shí)現(xiàn)有效的程序調(diào)試。

五、Bondout、增強(qiáng)型Hooks芯片和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品芯片

這些名詞是指仿真器所使用的、用來(lái)替代目標(biāo)MCU的三種仿真處理器。只有Bondout和增強(qiáng)型Hooks芯片能夠?qū)崿F(xiàn)單片調(diào)試，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品芯片不能。和標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)上，所有又稱(chēng)“超腳芯片”.P51XA系列單片機(jī)仿真器都使用bondout芯片，EMUL51XA-PC就是很好的例子。

增強(qiáng)型Hooks芯片利用各種芯片引腳上面沒(méi)有的機(jī)器周期來(lái)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(qiáng)型Hooks芯片。有趣的是，這些增強(qiáng)型Hooks芯片中的一些也是標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品芯片。使用增強(qiáng)型Hooks芯片作為仿真CPU需要一些額外的特殊功能電路來(lái)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(hào)，用戶的目標(biāo)板沒(méi)有這些電路，所有仍然是單片工作模式。采用bondout芯片和增強(qiáng)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(lái)

軟件模擬器是很好的，可是它不能考慮進(jìn)所有的變化因素。軟件模擬器設(shè)計(jì)師必須考慮到每一件事情，特別是那些只有在硬件搭起來(lái)以后才會(huì)出現(xiàn)的因素，比如電容、定時(shí)、電感、芯片版本等，隨著 CPU速度的增加，這些變得越來(lái)越重要。

目標(biāo)Monitor相比之下要好得多，因?yàn)樗窃趯?shí)際硬件中運(yùn)行的。但是為了使Monitor程序能夠運(yùn)行起來(lái)，目標(biāo)系統(tǒng)必須是一個(gè)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(biāo)系統(tǒng)硬件不完整、或者是一點(diǎn)硬件都沒(méi)有的情況下都可以運(yùn)行。然而目標(biāo)Monitor可以安裝在最終產(chǎn)品的程序中，隨時(shí)都可以激活，用來(lái)進(jìn)行調(diào)試，所以這對(duì)于測(cè)試和維護(hù)來(lái)說(shuō)還是有一定優(yōu)勢(shì)的。

七、仿真器的優(yōu)點(diǎn)

仿真器具有軟件模擬器和目標(biāo)Monitor的所有功能，加上下面一些優(yōu)點(diǎn)：