Существует четыре основных приема комплексной отладки МПС:

- останов функционирования системы при возникновении определенного события;

- чтение (изменение) содержимого памяти или регистров системы;

- отслеживание поведения системы в реальном времени;

- временное согласование программ.

Комплексная отладка завершается приемосдаточными испытаниями, показывающими соответствие спроектированной системы техническому заданию.

7.2. Средства отладки МПС

Для разработки и отладки аппаратуры проектируемых МПС требуются приборы, умеющие: выполнять функции аналогового прибора, т. е. измерять напряжение и ток, воспроизводить форму сигнала, подавать импульсы определенной формы и т. д.; подавать последовательность сигналов одновременно на несколько входов в соответствии с заданной временной диаграммой или заданным алгоритмом функционирования; собирать значения сигналов многих линий в течение одного и того же промежутка времени, который определяется задаваемыми (программируемыми) событиями – комбинацией или последовательностью сигналов на линиях; обрабатывать и представлять собранную информацию либо в виде временной диаграммы, либо в виде таблицы логических состояний, либо на языке высокого уровня.

Для автономной отладки широко используются осциллографы, вольтметры, амперметры, частотомеры, генераторы импульсов и кодов, позволяющие отлаживать аппаратуру на схемном уровне.

Для проведения комплексной отладки МПС используют логические анализаторы, оценочные и отладочные комплексы, комплексы диагностирования и развития.

Логические анализаторы – контрольно-измерительные приборы, предназначенные для сбора данных о поведении дискретных систем, для обработки этих данных и представления их оператору на различных уровнях абстракции. Они работают независимо и незаметно для испытуемых дискретных систем и применяются для их отладки и диагностирования (в первую очередь микропроцессорных систем).

Логические анализаторы (ЛА) характеризуются числом каналов, емкостью памяти на канал, частотой записи, способами синхронизации и запуска, формами представления данных.

ЛА (рис.7.1) включает в себя компаратор уровней входных сигналов (КУ), запоминающее устройство (ЗУ), логический компаратор (ЛК), генераторы задержки (Г3) и синхросигналов (ГСС), переключатель режима (ПР), устройства запуска (У3) и управления визуальным выводом (УУВВ), дисплей (Д).

На входные каналы ЛА поступают сигналы с отлаживаемой и диагностируемой аппаратуры. Сформированный компараторами уровней набор значений сигналов подается на входы ЗУ и ЛК. ЗУ функционирует подобно группе сдвиговых регистров.

Рис. 7.1. Структура логического анализатора

Логический компаратор предварительно настраивается (программируется) на обнаружение определенной последовательности наборов значений сигналов. После поступления запрограммированной последовательности входных наборов ЛК выдает сигнал на вход Г3, который по истечении запрограммированного времени выдает сигнал на вход У3, инициирующее или прекращающее запись наборов значений входных сигналов в ЗУ. После прекращения записи в ЗУ УУВВ транслирует информацию на экран дисплея в удобном для интерпретации виде.

Логический анализатор при определении значений сигналов, в отличие от представления реальных временных функций при исследовании аналоговых сигналов с помощью осциллографа, отображают нормированные по уровню цифровые сигналы (рис 7.2).

Синхросигналы, в моменты появления которых производится запись информации в память ЛА, могут поступать как извне, с диагностируемой системы, так и с внутреннего генератора ЛА. В первом случае режим записи называют синхронным, во втором – асинхронным. ЛА, имеющие синхронный режим, называются анализаторами логических состояний, а ЛА, в которых реализован асинхронный режим, – анализаторами временных состояний.

Рис. 7.2. Вид сигналов на входе и на выходе компаратора уровней

Дополнительные возможности по сбору данных обеспечивают квалификаторы (квалификационные входы, определители) – отдельные входы, значения сигналов которых не фиксируются в памяти, но определяют функции коммутации синхросигналов, что позволяет записывать данные выборочно и тем самым экономить емкость ЗУ.

В реальных системах в промежутках между синхросигналами могут возникать ложные кратковременные сигналы и помехи, которые не фиксируются в памяти независимо от режима работы ЛА. Обнаружение такого рода сигналов осуществляется методами увеличения тактовой частоты в асинхронном режиме и использования режима “ловушек” (с помощью триггеров -защелок).

Генераторы слов (генераторы данных, генераторы тестовых последовательностей ) – приборы, предназначенные для формирования и подачи входных воздействий на диагностируемую систему; они, как правило, состоят из ЗУ, драйверов, устройства управления, генератора синхросигналов, устройства управления вводом, дисплея и клавиатуры.

Последовательность входных наборов, которую необходимо подать на диагностируемую систему, заносится в ЗУ с помощью клавиатуры, либо через стандартный интерфейс из памяти микроЭВМ. Устанавливаются: частота тактирования, с которой входные наборы будут подаваться на систему, уровни сигналов “O” или “1” (обеспечиваются драйверами), режим цикличности подачи воздействий (один цикл, n циклов, непрерывный).

По способу подачи воздействий генераторы слов подразделяются на генераторы слов последовательного и параллельного кодов. По способу реализации устройства управления можно выделить три типа генераторов слов: с буферной памятью; с управляющей памятью (память здесь делится на две части – данных и команд, имеющих общее управление и общий регистр адреса); c алгоритмическим генерированием последовательностей (основа – микропрограм-мируемый специализированный процессор).

Комплексы диагностирования объединяют возможности ЛА и генераторов слов, способны подавать входные воздействия на диагностируемую систему, собирать и анализировать ответные реакции системы. Они представляют собой не простое объединение любых ЛА и генератора слов, а имеют режим, при котором генератор слов и ЛА функционируют как единое целое под общим управлением МП, с общим ПО, с согласованными по времени распространения сигналами.

Комплексы диагностирования (рис. 7.3.) содержат: микроЭВМ с периферией, генератор слов ГС и логический анализатор ЛА.

Рис. 7.3. Структура комплекса диагностирования

МикроЭВМ подготавливает тестовые наборы, загружает и настраивает на определенный режим работы ГС и ЛА, анализирует результаты тестирования, обрабатывает информацию о поведении объекта диагностирования (ОД), представляет информацию о ее поведении на языках, используемых при проектировании, осуществляет диалог с оператором.

Оценочные комплексы предназначены для проведения отладки МПС на программном уровне. Оценочные комплексы – это микроЭВМ в минимальном составе, на базе которой создается проектируемая МПС с подключенными клавиатурой и дисплеем, а также возможностью подключения аппаратуры пользователя. В комплексах используются как одноплатные микроЭВМ, предназначенные для встраивания в различное оборудование, так и специально спроектированные для этих целей микроЭВМ. Эти комплексы при проектировании МПС являются хорошим средством обучения и оценки возможностей микропроцессоров, стендом для макетирования; дают возможность выполнять программы в реальном времени и непосредственно на реальном МП, но практически не способны генерировать ПО; занимают ресурсы проектируемой системы (адресное пространство памяти); не позволяют собирать информацию о поведении и управлять поведением проектируемой системы в режиме реального времени. В состав оценочного комплекса входят МП, ПЗУ для хранения системных программ, ОЗУ для хранения данных и отлаживаемых программ, контроллер ввода-вывода для подключения клавиатуры и дисплея. Как правило, в оценочном комплексе имеется интерфейс последовательного асинхронного канала ввода-вывода и параллельный порт ввода-вывода. Часто предусматривается возможность установки дополнительных интегральных схем ПЗУ и ОЗУ пользователя в свободные гнезда на плате. Магистраль микроЭВМ выводится на разъем и к ней могут быть подключены разрабатываемые устройства, дополнительная память, контроллеры ввода-вывода и внешних запоминающих устройств. Программное обеспечение оценочных комплексов ограничивается монитором (в ПЗУ), который представляет достаточно гибкие средства для отладки программ: пошаговый режим, задание контрольных точек разрыва, загрузку и отображение содержимого регистров и памяти.

Отладочные комплексы также предназначены для отладки МПС на программном уровне описания. Они отличаются от оценочных развитым программным обеспечением, увеличенной емкостью памяти и усложненным интерфейсом, позволяющим использовать более широкий диапазон устройств ввода-вывода. Здесь также основой является микроЭВМ, которая будет применяться в проектируемой системе, и системная магистраль, выводимая на внешний разъем. Использование этих комплексов при проектировании МПС дает следующие преимущества: возможность программирования на языке ассемблера или языках высокого уровня, широкий набор внешних устройств, развитую операционную систему. Недостатки: предназначаются для одного типа МП, накладывают ограничения на проектируемую систему по архитектуре, занимают системные ресурсы, не позволяют собирать информацию о поведении системы и управлять ее поведением в режиме реального времени.

Системное ПО отладочных комплексов включает в себя системный монитор и систему программирования: ассемблер или макроассемблер, редактор текста, редактор связей, загрузчик и отладчик.

Комплексы развития предназначены для отладки МПС на программном уровне описания и позволяют на программном уровне управлять поведением системы, собирать информацию о поведении системы, моделировать (эмулировать) недостающие устройства (МП, ЗУ, контроллеры и т.д.) в режиме реального времени или близкого к этому. Они характеризуются типом и числом эмулируемых МП, числом одновременно работающих пользователей, емкостью ОЗУ пользователя, емкостью внешних ЗУ, составом системного ПО, отладочными возможностями. Комплекс состоит из микроЭВМ с периферией и внутрисхемного эмулятора (ВСЭ). ВСЭ выполняет следующие функции: эмулирует поведение и электрофизические характеристики МП проектируемой системы и ЗУ (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, контроллеры), собирает информацию о поведении системы на программном уровне и управляет ее поведением. Он может прервать работу системы при появлении заданного события, запускать систему с заданной команды, выполнять программу в пошаговом или автоматическом режимах, изменять состояние памяти, внутренних регистров МП и портов ввода-вывода. В части сбора информации ВСЭ обладает возможностями логических анализаторов с синхронной записью данных и, кроме этого, позволяет собирать статистические данные о времени выполнения участков программы. Кроме стандартных внешних устройств комплексы содержат программируемые устройства-программаторы для “прошивки” отлаженных программ в ППЗУ.

Комплексы развития делятся на однопроцессорные и многопроцессорные одномагистральные и многопроцессорные многомагистральные.

Недостатком однопроцессорных одномагистральных комплексов является то, что МП должен выполнять как функции эмулятора, так и системные функции комплекса (трансляцию программ, редактирование и т.п.). Недостатком многопроцессорного одномагистрального комплекса является то, что в данный момент времени может работать только один МП. Многопроцессорные многомагистральные комплексы (рис. 7.4) лишены этих недостатков: каждый ВСЭ имеет эмулятор микропроцессора (ЭМП), собственную память (ЭП) и магистраль, что позволяет ему вести эмуляцию одновременно и независимо от МП других эмуляторов.

Программное обеспечение комплекса развития обычно состоит из операционной системы, системы управления файлами, редакторов текста, кросс-ассемблеров и кросс-компиляторов, обеспечивающих разработку программ на языке ассемблера или языке высокого уровня для конкретного МП, драйвера, редактора связей, загрузчика, системного монитора.

Рис. 7.4. Структура многопроцессорного многомагистрального комплекса развития

Контрольные вопросы

1. В чем заключается автономная и комплексная отладка МПС?

2. Перечислить приборы, применяемые при отладке МПС и назвать функции каждого при отладке.

3. Назначение, состав и режимы работы логических анализаторов.

4. Назначение, состав, структура и функции комплексов диагностирования.

5. Назначение, состав, структура и функции оценочных и отладочных комплексов.

6. Назначение, состав, структура и функции комплексов развития.

Библиографический список

1. Микропроцессоры: кн. 1.- Архитектура и проектирование микроЭВМ. Организация вычислительных процессов - М.: Высшая школа, 1986.