利用嵌入式仿真器实现调试功能

引言

本文介绍了一种先进的片上嵌入式仿真系统功能及其应用实例。由于该系统集成在MCU内部，包括复杂断点设置、触发序列发生器及处理器状态存储器等多种功能模块，使工程师在设计电路中实现调试功能。

调试方法对比

调试是嵌入式产品开发人员的主要工作之一。随着电路设计趋于复杂化，调试过程也变得愈加困难和耗时。仿真器的不足之处在于不能准确再现实际应用时的工作状态，许多仿真器仅仅仿真了CPU内核及少数外设。不过，仿真器也有诸多优点，可提供代码覆盖、配置及条件断点等功能。嵌入式应用通常涉及多个软硬件交互过程。由于MCU工作在不同环境下，实时事件有时由外接电路产生，有时由自身集成的ADC或者计时器产生。有时，MCU还与DSP配合组成更加复杂的系统。在只有CPU内核的仿真器环境内调试、校验IC间通信软件并不容易。

另一种常用方法是使用电路内仿真器(ICE)，它使用适配器替代目标电路板MCU，并连接了用于模拟MCU活动的复杂电路，同时提供调试功能。ICE吸收了仿真器在真实环境实时运行软件的优点，但其价格昂贵、体积较大且无法提供100％精确度，尤其是涉及到ADC、DAC、比较器、振荡器及电压参考电路等模拟外设时。

通过在MCU中增加具备调试功能的嵌入式仿真器克服了上述缺点。嵌入式仿真过程中，调试用主机通过JTAG等串行接口直接连接到片上仿真逻辑电路。应用程序代码在MCU的运行状况与没有连接调试接口时相同。由于软件是在实际工作环境下调试，所以在软件开发完成后无需与硬件再进行调试。

某些8位和16位微型控制器现在也具备了嵌入式调试功能，但大多数还只能提供存储器存取、CPU执行控制及硬件断点设置等基本功能，与成熟的ICE相比还有较大的提高空间。最新16位MCU提供的嵌入式仿真模块增加了更多新功能，从而缩小了与ICE的差距，下面将介绍部分新型MCU高级调试功能及应用实例。

EEM系统构成

TI MSP430 MCU中集成的增强型嵌入式仿真模块(EEM)包含以下功能块：基本触发器、触发器组合逻辑发生器、触发器序列发生器、触发器动作、状态存储及时钟控制单元(如图1所示)。

要使用EEM进行调试，则至少要配置八个可用基本触发器输入中的一个。一般情况下，只能对CPU地址总线(MAB)指定的内存位置停止执行程序进行触发器设置。但现在MCU中的触发器能够支持非常复杂的设置。除了地址总线以外，所有触发器还可通过配置来监控CPU数据总线(MDB)、内部CPU寄存器及部分处理器控制信号。此外，如果需要则可以在地址及数据总线触发器加入位掩码以隔离需要的值，常数及“等于”、“不等于”、“小于”和“大于”等比较选项可以使用。以上这些功能组合起来即可实现复杂的断点设置。

通过将可用基本触发器输出的逻辑功能进行组合形成了复杂触发器。用户可以自行定义本单元的触发器输出，即基本触发器输入的组合逻辑。例如，组合地址、数据总线触发器后即可监控存储器某一位置是否发生了特定值的读／写操作。这个复杂的触发器事件可以用作直接停止执行某个程序或产生一个状态存储事件。同时，触发器序列发生器(具有四种状态的嵌入式状态机)可以对触发器时间进行设定。触发器所建立的可编程转换条件引起在几种状态间的动作转换。当序列发生器到达最后事件状态时，MCU可配置为停止程序运行和／或产生一个状态存储事件。

状态存储单元可以使用任何复杂触发器，该存储单元是一个环形缓冲区，最多含有8条记录，每条记录分别是16位地址总线、16位数据总线以及CPU部分重要控制信号在触发发生时的快照。可以将其看作能够采集状态信息而又不会影响MCU软件实时运行的简单跟踪缓冲区。当基本触发事件发生时或在每个CPU时钟周期，可以用触发器组合逻辑或触发器序列输出捕捉系统快照。

现在某些MCU的EEM附带了时钟控制单元，三个可用内部时钟树信号均可驱动ADC、LCD驱动器、计时器及串行通信模块等不同外设。停止程序执行时，时钟控制单元能对每个模块进行配置而使外设继续得到时钟信号。当处理器在调试过程中停止时，时钟将停止，如果仿真模块简单停止所有时钟(如到达断点时)，则可能发生通信字符丢失或A／D转换结果有误等不必要的副作用。另一种实现方法是仿真停止时继续向外设提供时钟，但是该解决方案可能引起计时器等模块永久设置中断标志(即使是在CPU停止时)，使源代码进入单步运行。使用时钟控制单元，开发人员可以有选择地向应用模块发送时钟信号。

利用EEM建立复杂断点

EEM具有设定程序断点的能力，如果能够为断点增加一个条件则在众多情况下可简化调试环境。例如，用C语言编写的嵌入式应用程序实现复杂的状态机。当前状态存储为全局变量，可在整个源代码的不同位置得到更新。应用时，全局变量在错误条件下进入了状态‘3’。如果要找出引起意外转换的源代码段，需要监控状态机变量‘StateVar’，当该值为‘3’时，利用EEM模块触发器即可停止程序运行。该复杂断点是两个基本EEM触发器的逻辑与组合。图2为如何实现复杂触发器的简化示意图。