嵌入式计算系统调测方法与技术综述
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关键词：在线测试 可观测性 可测试性 BDM JTAG
引言
对于含有微处理器的装置来说，调测总是软件和硬件结合的。在产品开发的阶段以排错为主，在产品开发后期以及生产和现场运行阶段，则是以测试为主。不同的阶段，调测的内容、手段和使用的工具不尽相同。
测试接口并不是系统功能的一部分，测试接口设计本身也需要成本。对于小型简单系统来说，没有必要也不允许（成本考虑）设计测试接口；对于复杂系统来说，设计测试接口的花费是值得的。良好的测试接口设计可经缩短产品的开发周期，给产品维护、维修带来便利。
对于嵌入式计算系统来说，测试往往是软件和硬件相结合的，既有借助于“正确”的软件来测试硬件，也有借助于“正确”的硬件来测试软件。由于软件设计人员和硬件设计人员的技术隔膜，二者常常在出现问题后相互指责，难以界定是软件还是硬件问题。对于嵌入式系统的软件设计人员来说，必须对硬件有足够的了解。这一点，和通用计算平台上的软件设计是不同的；反之，硬件人员也必须能够编写一些测试软件，以证明其设计的正确性。
1 开发阶段的调制方法
1.1 RAM版本的目标系统调试
通过ICE（In-Circuit-Emulate）来调试目标板是开发人员最常用的手段。在产品开发初期，由于各种软件和硬件问题很多，通过仿真器并结合逻辑分析仪、示波器等硬件信号测试工具能够很好地发现问题。
在仿真器环境下，通过仿真器的监控软件来控制用户软件的运行，使用断点、单步跟踪和查看变量、CPU寄存器、存储器的数值等手段来查找问题。由于仿真器的软件和硬件需要一定的CPU资源，用户软件在仿真器环境下运行和脱离仿真器后独立运行是有区别的。好的仿真器能够尽量减小这种区别。常见的仿真器从技术上区分有：单CPU仿真器、双CPU仿真器和ROM仿真器。
在仿真器环境下，程序一般是在仿真器的RAM存储器中运行的，所以这种阶段也称为“RAM版本的目标系统调试”。
1.2 ROM版本的目标系统调试
在仿真器环境下，目标板运行调试正确后，
一般的做法是将应用程序写入目标板的非易失性存储器中，让目标板单独运行。在很多情况下，目标板系统往往不能运行或者运行结果和仿真器环境下不一致。而没有连接仿真器，无法观察各种软件状态，给分析问题造成一定困难。在目标板上设计指示电路有助于发现问题；在电路板上增加1个LED是最简单也是很有效的方法。对于复杂系统，可以设计1个数码管显示输出接口，或者设计1个调试用串口，将调试信息发送到PC机上显示。
在使用PC机作为显示输出设备时，一般的做法是使用Winodws自带的超级终端软件，无需另外编制程序。和前二种方法相比，该方法的接口信号是双向的，调试者可以通过PC机输入信息到目标板中，设定显示信息的类别。这一点，对于复杂系统的调试是很有价值的，CISCO公司的很多路由器产品就使用这种方法来维护和调试。
2 生产阶段的测试方法
生产阶段的测试只是对硬件电路或者系统进行测试。测试目的是为了对产品或者部件进行分检，找出有缺陷的产品。测试内容包括：
*裸板测试——检查未安装元器件的电路板上的开路和短路缺陷；
*成品生产缺陷分析——检查已安装元器件的电路板上焊点的短路和开路缺陷；
*成品电气性能测试——认证每个单元器件的上电运作；
*产品功能测试——认证电路模块的功能。
生产测试和开发阶段的硬件测试不同，需要测试方法快速、能成批测试，易于在制造生产线上安装。在生产的不同阶段使用的测试工具和技术也不相同。目前常用的测试工具和技术有：人工视觉检查（MVI）、在线测试（ICT）、自动光学测试（AOI）、自动X射线测试（AXI）。其中人工视觉测试（MVI）只能用于小批量试制产品。
在线测试（ICT）是最常用的一种线路板测试方法：使用专门的针床与已焊接好的线路板上的元器件接触，通过针床在线路板上施加微小电压来测试线路通断、元件是否正确安装。由于需要为特定电路板设计专用夹具，适合于单一品种民用型家电线路板极大规模生产的测试；缺点是在高密度的SMT线路板测试困难。目前的替代解决办法是使用光学方法测试（如AOI，AXI），或者使用边界扫描技术（即基于IEEE1394标准的JTAG测试接口）测试。后者需要IC或者线路板支持此技术。
功能测试是生产过程的最后阶段使用，测试线路板或者系统的功能指标，一般的功能测试需要设计专用测试设备和测试软件。
3 现场测试技术
现场测试分为三种情况：一种是在线测试，测试设备不停止运行；一种是停机测试，被测试设备停止运行；第三种为脱机测试，将被测部件从运行现场取出，放到专用的测试装备上进行测试。从测试技术角度上说，后二者更容易进行各种测试；对于复杂系统来说，往往故障和问题需要在设备运行时才能发现和定位，必须进行在线测试。究竟采取哪种方式进行现场测试，取决于故障状况和实际应用是否允许立即停机。
开发阶段产品和成熟产品的现场测试要求也不同：前者测试目的主要是发现设计中的问题，由产品开发人员进行；后者侧重于发现使用中的问题和失效的部件，目的是更换部件，由产品使用人员进行。（但测试方法和步骤也有可能是设计人员制定的。）
现场测试和试验室测试的最大区别就是测试设备难以安装和连接：线路板封闭在机箱中，测试信号线很难引入，即使设备外壳上留有测试插座，测试信号线也需要很长，传统的在线仿真器在现场测试中无法使用。另一方面，现场往往没有实验室里的各种测试仪器和设备，因此，必须有更好的方法和手段来完成测试。
嵌入式处理器中目前有很多芯片具有类似Motorola公司683XX系列处理器的BDM调试接口（详见第5部分）。这种接口是串行的，处理器内部固化了调试微码，为现场测试 带来了方便。对于不具备这种接口的嵌入式计算系统，在系统设计时将关键信号点引出到一个测试接口插座上，通过该插座可输入测试激励信号和观察输出信号；对于软件测试，可使用前文中所述的ROM板测试方法，外接显示部件来观察程序运行情况。
软件现场调试的另外一个要求是程序应能够现场下载，以便在发现问题后能够修改软件。现场在线下载程序的方法有两种：一种是使用具有ISP功能的处理（如Philips公司的P89C51RD系列MCU等），另一种方案是将软件设计成两部分，一部分是应用功能软件，另一部分是完成前者下载到系统中的下载通信软件。无论哪种方法，下载的主机均是PC机。如果需要达到远程调试和下载的目的，则要使用后一种方案。例如，在Echelon公司的Lonwork现场总线产品中，每个节点中的程序均可以通过网络下载，这种功能为多节点网络系统的现场调试带来了极大方便。
4 可测试性设计
在产品开发初期，产品测试的目的是验证产品设计的正确性，而可测试性部件的存在则能加快测试速度，缩短产品开发周期；在生产阶段，通过测试来剔除有缺陷的产品和部件；在使用阶段，测试则用于故障定位，找出失效的部件并更换或者维修。可见，产品的测试在产品生命周期各阶段均有十分重要的作用。可测试性设计应该在产品设计初期就加以考虑，结合测试在不同阶段的作用来设计测试模块和接口。
产品的可测试性设计要考虑的问题有：测试的目的、测试部件的位置、测试部件的基本要素、内置测试部件与外部测试设备仪器之间的电气和机械连接，添加测试部件对被测模块功能和性能的影响、测试部件的成本以及何时使用测试功能等。
如前所述，测试在产品不同阶段是有差别的。在产品开发阶段，很多参数需要定量和详细地进行测试，以验证产品在各种不同情况下是否能正常工作；测试参数，测试点较多，可以方便地连接各种外部测试仪器，也不需要考虑添加测试部件所带来的附加成本。在产品生产和使用阶段，测试的节点和参数数量也相对减少，测试一般是定性的，无需借助于外部设备的自测试，成本因素也必须考虑。
测试部件一般位于被测部件的接口和边界位置上，如图上所示，用于产品控制被测部件的激励信号和采样被测部件的输出信号。测试部件一般由测试信号源、信号传输通道、测试观察装置等组成。测试部件可以完全包含在被测部件中，也可部分位于外部（如外接信号源和示波器等）。对于自动测试，测试部件还包括被测部件的预期输出存储部件比较部分。
在一个系统中，如何划分模块，确定测试位置（即模块的边界）是关系到可测试性设计是否合理的首要问题。模块间最小相关原则和模块内最小相似原则是两个重要依据：前者保证测试可以独立进行，不需要很多其它模块的配合；后者可以使测试能正确反映被测模块的大部分工况，不至于漏测很多工作状态。
很多情况下，从被测模块的边界直接引出信号有困难，测试信号需要经过其它模块引入到被测模块上。如果作为信号路径的模块对信号特征没有改变，则称这种测试路径是透明的，路径模块必须能在旁路模式和正常工作模式之间切换，实现起来有局限性。对于硬件来说，最简单的透明路径是使用跳线。
对于简单嵌入式系统来说，测试一般包括上电自测试和人为测试。后者在故障出现时进行。对于复杂系统来说，还包括定时自动测试，比如在大型程控交换机和飞机机载电子设备的运行过程中，均定时进行自检。
可测试性设计还应考虑测试功能所使用对象的不同。产品设计人员、产品使用人员和产品维护人员对测试内容的要求是同的，需要进行分层次的可测试性设计。
对于硬件和系统的可测试性设计已有IEEE1149.1/4/5等标准可以借鉴，对于单纯的软件测试，目前尚无具体和统一的标准，只有诸如代码格式分析、白盒测试、黑盒测试、覆盖测试等测试方法。软件测试的途径有两个。一是在源代码中增加大量测试代码，使用条件编译指令来控制形成调试、测试和最终发布等不同版本。调测版本的代码规模要比最终的发布版本大很多，在问题解决后，一般将临时性测试代码通过编译开关屏蔽。另外一个软件测试途径是使用专用的测试软件（如法国Telelogic公司的LOGISCOPE测试工具），这些测试软件能完成诸如覆盖测试、代码格式分析等功能，但均是针对特定的语言和操作系统环境，使用上一些限制。
还需要说明的就是“可观测”设计的概念。可观测性和可测试性不同，不需要加入激励信号，只观察系统运行中某些内部状态，比如软件中某个重要变量的数值变化，硬件电路中某个IC引脚的信号电平等。在设计中，应该保留这些观察接口，以便需要时用它来判断和分析系统的问题。一个可测试的系统，一定是可观测的，反之则不然。设计可测试性系统的目的是为了以后修改和改进设计，而使系统具有可观测性则是为了维护系统，判断哪个是出故障的部件，以便更换。可测试性设计一般用于新产品，而可观测性设计用于成熟产品。当然，在结构、安装条件和成本允许的情况下，成熟产品也应具有可测试性。实际上，由于处理器技术和芯片的日新月异，已经不存在真正意义上的成熟产品了。
在一类产品中的可测试性设计应该具有一致性，例如，用红色LED表示电源状态，所有电路板均应采用红色LED，点亮的频率也应该一致。作为企业，应制定相关的测试接口标准，并且这些标准应符合行业习惯或者行业标准。
5 测试和调试接口标准
测试和调试接口标准：JTAG和BDM。
5.1 背景调试模式
在使用传统的ICE来调试时，使用ICE中的CPU来取代目标板中的CPU，目标板和ICE之间使用多芯扁平电缆来连接，而ICE在使用时一般还需要缩主机（一般来PC）来连接。
在一些高端微处理器内部已经包含了用于调试的微码，调试时仿真器软件和目标板上的CPU的调试微码通信，目标板 上的CPU无需取出。由于软件调试指令无需经过一段扁平电缆来控制目标板，避免了高频操作限制、交流和直流的不匹配以及调试线缆的电阻影响等问题。这种调试模式在Motorola公司产品68300系列中被称为背景调试模式BDM（Background Debug Mode）。在仿真器和目标之间使用8芯（或者10芯）的BDM接口来连接，其他公司的嵌入式处理器也有类似功能，不过叫法不同，例如AMD公司在其X86微处理器上提供“AMDebug”的调试接口。
实际上，BDM相当于将ICE仿真器软件和硬件内置在处理器，这使得我们直接使用PC机的并口来调试软件，不再需要ICE硬件，大大节约了汽油发成本。一些调试器供应商也提供这种软件产品（如XRAY）。对于用户来说，为了调试一些特定问题，可以直接使用BDM命令来调试目标系统，以弥补商业调试软件的不足。
BDM接口有8根信号线，也有为10根信号线的，如图2所示。调试软件通过4脚使CPU进入背景调试模式，调试命令的串行信号则8通过脚输入,同时4脚输入信号步时钟，而CPU中的微码在执行命令后会在10脚输出调试结果指示信号。可见，BDM接口引线由并口和PC机相连，调试命令则是通过串行方式输入的。
目前在CPU内置的调试接口和微码方面，各厂家尚无统一标准。处理器厂家、工具开发公司和仪器制造商曾于1998年组成了Nexus 5001 Forum(Nexus 5001论坛)，成员包括Motorola、Infineon Technologies、日立、ETAS和惠普公司等，正致力于制定一个统一的片上通用调试接口。这方面的进一步情况可查阅http://www.nexus-standard.org/网站。
5.2 边界扫描测试技术和JTAG接口
边界扫描测试技术（Boundary-Scan Test Architecture）属于一种可测试性设计。其基本思想是在芯片引脚和芯片内部逻辑之间（即芯片边界位置）增加串行连接的边界扫描测试单元，实现对芯片引脚状态的设定和读取，使芯片引脚状态具有可控性和可观测性。
边界扫描测试技术最初由各大半导体公司（Philips、IBM、Intel等）成立的联全测试行动小组JTAG（Join Test Action Group）于1988年提出，1990年被IEEE规定为电子产品可测试性设计的标准（IEEE1149.1/2/3）。目前，该标准已被一些大规模集成电路所采用（如DSP、CPU、FPGA等），而访问边界扫描测试电路的接口信号定义标准被称为JTAG接口，很多嵌入式处理器内置了这种测试接口。在Cygnal公司的C8051F000系列单片机中和一些FPGA芯片中，JTAG接口不仅能用于测试，也是器件的编程接口。
IEEE1149.1标准支持以下3种测试功能：
*内部测试——IC内部的逻辑测试；
*外部测试——IC间相互连接的测试；
*取样测试——IC正常运行时的数据取样测试。
图3给出了具有2个芯片的系统的边界扫描测试原理。
图3中，TCK为测试同步时钟输入，TMS为测试模式选中输入，TDI为测试数据输入，TDO为测试数据输出，由测试移位寄存器产品。图3中的小方框表示位于芯片外围的边界扫描测试逻辑单元，芯片每个引脚信号经过边界扫描单元和内部的功能单元相连接。
目前，边界扫描技术的应用主要在数字IC的测试上，这种设计思想也可用于模拟系统、板级测试甚至系统测试上。IEEE也制定了和IEEE1149.1相类似的标准IEEE P1149.4（数模混合信号测试总线标准）、IEEE 1149.5（电路板测试和维护总线标准）。
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