3. Средства программирования и отладки микроконтроллеров. Инструментальные и программные средства. Внутрисхемный эмулятор, принцип работы. Классификация внутрисхемных эмуляторов. Дизассемблеры MCS-51. Макроассемблер. Компоновщик. Отладчик/симулятор. Подсистема точек останова. Процессор точек останова. Трассировщик. Профилировщик. Интегрированная среда разработки.

О правильности функционирования микропроцессорной системы на уровне "черного ящика" с полностью неизвестной внутренней структурой можно говорить лишь тогда, когда произведены ее испытания, в ходе которых реализованы все возможные комбинации входных воздействий, и в каждом случае проверена корректность ответных реакций. Однако исчерпывающее тестирование имеет практический смысл лишь для простейших элементов систем. Следствием этого является тот факт, что ошибки проектирования встречаются при эксплуатации, и для достаточно сложных систем нельзя утверждать об их отсутствии на любой стадии жизни системы. В основе почти всех методов испытаний лежит та или иная гипотетическая модель неисправностей, первоисточником которой служат неисправности, встречающиеся в практике. В соответствии с моделью в рамках каждого метода предпринимаются попытки создания тестовых наборов, которые могли бы обеспечить удовлетворительное выявление моделируемых неисправностей. Любой метод тестирования хорош ровно настолько, насколько правильна лежащая в его основе модель неисправности.

Важным моментом является правильный выбор соотношения между степенью общности модели, стоимостью и степенью сложности формирования и прогона тестов, ориентированных на моделируемые неисправности. Чем конкретнее модель, тем легче создать для нее систему тестов, но тем выше вероятность того, что неисправность останется незамеченной. Если же модель неисправностей излишне общая, то из-за комбинаторного возрастания числа необходимых тестовых наборов и/или времени вычислений, требуемого для работы алгоритмов формирования тестов, она станет непрактичной и пригодной только для несложных систем.

Обнаружение ошибки и диагностика неисправности

Дефект не может быть обнаружен до тех пор, пока не будут созданы условия для возникновения из-за него неисправности, результат которой должен быть, в свою очередь, передан на выход испытуемого объекта, для того чтобы сделать неисправность наблюдаемой. Метод испытаний должен позволить генерировать тесты, ставящие испытуемый объект в условия, при которых моделируемые неисправности проявляли бы себя в виде обнаруживаемых ошибок. Если испытуемый объект предназначен для эксплуатации, то при обнаружении ошибки необходимо произвести локализацию неисправности с целью ее устранения путем ремонта или усовершенствования испытуемого объекта.

Диагностика неисправности - процесс определения причины появления ошибки по результатам тестирования.

Отладка - процесс обнаружения ошибок и определение источников их появления по результатам тестирования при проектировании микропроцессорных систем. Средствами отладки являются приборы, комплексы и программы.

Точность, с которой тот или иной тест локализует неисправности, называется его разрешающей способностью. Требуемая разрешающая способность определяется конкретными целями испытаний. Например, при испытаниях аппаратуры в процессе эксплуатации для ее ремонта часто необходимо установить, в каком сменном блоке изделия имеется неисправность. В заводских условиях желательно осуществлять диагностику неисправности вплоть до уровня наименьшего заменяемого элемента, чтобы минимизировать стоимость ремонта. В лабораторных условиях в процессе отладки опытного образца необходимо определять природу неисправности (физического или нефизического происхождения). В случае возникновения и проявления дефекта требуется локализовать место неисправности с точностью до заменяемого элемента, а при проявлении субъективной неисправности - с точностью до уровня представления (программного, схемного, логического и т. д.), на котором была внесена неисправность, и места. Так как процесс проектирования микропроцессорной системы содержит неформализуемые этапы, то отладка системы предполагает участие человека.

Свойство контролепригодности системы.

Успех отладки зависит от того, как спроектирована система, предусмотрены ли свойства, делающие ее удобной для отладки, а также от средств, используемых при отладке. Для проведения отладки проектируемая микропроцессорная система должна обладать свойствами управляемости, наблюдаемости, предсказуемости.

Управляемость - свойство системы, при котором ее поведение поддается управлению, т. е. имеется возможность остановить функционирование системы в определенном состоянии, и затем снова ее запустить.

Наблюдаемость - свойство системы, позволяющее проследить за поведением системы, сменой ее внутренних состояний.

Предсказуемость - свойство системы, позволяющее установить систему в состояние, из которого все последующие состояния могут быть предсказаны.

Функции средств отладки

Сроки и качество отладки системы зависят от средств отладки. Чем совершеннее приборы, имеющиеся в распоряжении инженера-разработчика, тем скорее можно начать отладку аппаратуры и программ и тем быстрее обнаружить ошибки, локализовать источники, устранение которых обойдется дороже на более позднем этапе проектирования.

Средства отладки должны:

• управлять поведением системы или/и ее модели на различных уровнях абстрактного представления

• собирать информацию о поведении системы или/и ее модели, обрабатывать и представлять на различных уровнях абстракции

• преобразовывать системы, придавать им свойства контролепригодности

• моделировать поведение внешней среды проектируемой системы.

Под управлением поведением системы или ее модели понимаются определение и подача входных воздействий для запуска или останова системы или ее модели, для перевода в конкретное состояние последних. Чтобы определить место субъективной неисправности, которая может быть внесена на любой стадии проектирования, необходимо уметь собирать информацию о поведении системы и представлять ее в тех формах, которые приняты для данного проекта. Например, это могут быть временные диаграммы, принципиальные электрические схемы, язык регистровых передач, ассемблер и др.

В общем случае нельзя локализовать источник ошибки проектируемой системы, имея информацию о поведении системы только на ее внешних выводах, поэтому проектируемую систему преобразовывают. Например, прежде чем изготовлять однокристальную микроЭВМ с теми или иными "зашивками" ПЗУ, программы отлаживают на эмуляционном кристалле, у которого магистраль выведена на внешние контакты и вместо ПЗУ установлено ОЗУ.

Автономная отладка

Процесс отладки прототипа проектируемой системы должен начинаться с отладки аппаратуры и отладки программ.

Отладка аппаратуры предполагает тестирование отдельных устройств микропроцессорной системы - процессора, ОЗУ, контроллеров, блока питания, генератора тактовых импульсов путем подачи тестовых входных воздействий и приема ответных реакций. Тестовые входные воздействия и ответные реакции определяются, исходя из спецификаций на устройства, а также структурных схем устройств. При этом проверяются реальная аппаратура прототипа, спецификации, структурные схемы и отлаживаются тесты. После отладки отдельных устройств проверяется их взаимодействие. Процессор системы работает с шинами адресов, данных и управления. Анализируя их сигналы, можно проконтролировать выполнение программы в процессоре.

Поскольку ША и ШД синхронные, их работу лучше всего проверить с помощью методов логических состояний. Перед анализом последовательностей данных на этих шинах необходимо удостовериться в том, что сигналы, управляющие взаимодействием процессора с другими устройствами, выдаются в соответствующем порядке. Поскольку ШУ состоит из линий, работающих асинхронно, необходимо просматривать сигналы многих линий в течение одного и того же промежутка времени. Для анализа асинхронной работы линий управления необходимо также наблюдать за сигналами на них при возникновении определенного события, чтобы можно было четко разделить и идентифицировать различные состояния линий. Например, среди сигналов ШУ могут быть сигналы длительностью всего несколько наносекунд, но могут также возникать кратковременные ложные узкие импульсы, вызванные перекрестными помехами или шумами.

После того как доказана работоспособность ШУ, проводится дальнейшая проверка работы аппаратуры при различных режимах адресации процессора и кодах выбираемых данных. Для проверки выполнения процессором инструкций разрабатывается тестовая программа, которая помещается в ОЗУ или ППЗУ. При этом проверяется временная диаграмма сигналов и прохождения данных в системе (как осуществляется передача информации по отношению к строб-сигналам). Если тестовая программа - системный проверяющий тест, - пройдет успешно, можно утверждать, что автономно аппаратура отлажена.

При автономной отладке аппаратуры могут потребоваться приборы, умеющие:

1. выполнять функции аналогового прибора, т. е. измерять напряжение и ток; воспроизводить форму сигнала, подавать импульсы определенной формы и т. д.;

2. подавать последовательность сигналов одновременно на несколько входов в соответствии с заданной временной диаграммой или заданным алгоритмом функционирования аппаратуры, представленным в спецификации на языке высокого уровня, или другим способом;

3. собирать значения сигналов многих линий в течение одного и того же промежутка времени, который определяется задаваемыми, программируемыми событиями - комбинацией или последовательностью сигналов на линиях, например, ложным сигналом на линии;

4. обрабатывать и представлять собранную информацию либо в виде временной диаграммы, либо в виде диаграммы или таблицы логических состояний, либо на языке высокого уровня, например, языке регистровых передач.

Для автономной отладки аппаратуры широко используются осциллографы, вольтметры, амперметры, частотомеры, генераторы импульсов, позволяющие отлаживать аппаратуру на схемном уровне. Чтобы автономно отладить аппаратуру МПС на более высоком уровне, применяют логические анализаторы, генераторы слов, пульты, комплексы диагностирования.

Отладка программ

Отладка программ микропроцессорной системы проводится, как правило, на тех же ЭВМ, на которых велась разработка программ, и на том же языке программирования, на котором написаны отлаживаемые программы, и может быть начата на ЭВМ даже при отсутствии аппаратуры МПС. При этом в системном программном обеспечении ЭВМ должны находиться программы (интерпретаторы или эмуляторы), моделирующие функции отсутствующих аппаратных средств. Так, разработка и автономная отладка программных средств может вестись на больших ЭВМ, миниЭВМ, микроЭВМ, система команд которых не совпадает с системой команд используемого микропроцессора. Кроме того, при отладке программ может отсутствовать внешняя среда микропроцессорной системы, ее также необходимо моделировать.

Проверка корректности программ, т.е. проверка соответствия их внешним спецификациям, осуществляется тестированием. Программы проверяются на функционирование с различными исходными данными. Результаты функционирования программ сравниваются с эталонными значениями.

Отладка программ подразделяется на следующие этапы: планирование отладки; составление тестов и задания на отладку; исполнение программ; информирование о результатах исполнения программ по заданным исходным данным; анализ результатов, обнаружение ошибок и локализация неисправностей.

Существует два способа начального тестирования программ:

• пошаговый режим

• трассировка программ.

В пошаговом режиме программа выполняется по одной команде за один раз, а пользователь анализирует содержимое памяти, регистров и т.д., чтобы проверить, соответствуют ли результаты ожидаемым. Пошаговый режим может быть трудоемким, если средства отладки будут требовать отдельных команд после каждого шага для того, чтобы показать необходимую информацию в понятном для пользователя виде. Имеются средства отладки, автоматически показывающие после каждого шага содержимое регистров процессора и ячеек памяти, используемых в последней команде, и несколько следующих команд. Пошаговый режим является весьма мощным средством предварительного тестирования, так как позволяет обнаруживать неисправности, прежде чем они существенно исказят программу и данные. Кроме того, неоднократно проходя отдельными шагами через один и тот же участок объектной программы, программист может легко изменять содержимое регистров и ячеек памяти, особенно если средства отладки имеют динамически обновляемый дисплей, и тем самым проверить работу программы в разных условиях. Этот интерактивный режим отладки программы позволяет разработчику постоянно упреждать, что будет делать его программа, и оперативно обнаруживать ошибку. Однако пошаговый режим с автоматическим показом результатов возможен только тогда, когда средства отладки содержат в своем составе дисплей с прямым доступом в память, так как после каждого шага на экране дисплея нужно показывать большой объем информации.

Исполнение программ осуществляется по шагам последовательно во времени и в соответствии с заданиями, содержащимися в операторах. При этом производится переработка значений переменных и определение оператора приемника. Если в ходе исполнения программы регистрируется последовательность операторов, реализуемых на каждом шаге процесса, то получается трасса или маршрут исполнения программы, который для конкретной программы зависит только от значений исходных данных.

Трассировка программ больше пригодна для отладочных средств, имеющих медленный, последовательный терминал. Программа-отладчик выполняет непрерывно команду за командой и выводит содержимое регистров процессора на терминал после каждого шага. Некоторые отладчики выводят также на терминал команды в дизассемблерной форме. Но при этом способе содержимое памяти не выводится на терминал и разработчик должен сам делать выводы об изменениях в ней. Отслеживание программы продолжается автоматически до тех пор, пока не будет остановлено извне. Результатом трассировки программы будут данные на экране дисплея или же в случае использования в качестве терминала печатающего устройства - длинная распечатка с ходом выполнения программы. Программист, анализируя эти данные, может обнаружить ошибки. Трассировка программ не дает, однако, возможности изменять содержимое памяти и регистров и может послужить причиной того, что программа разрушит себя или свои данные прежде, чем отслеживание будет остановлено.

Отдельные участки программы после проверки, используя пошаговый режим или трассировку, можно объединить и проверить с помощью установки контрольных точек, вводимых в программу и прерывающих ее исполнение, для передачи управления программе-отладчику. По контрольным точкам можно по желанию выполнить избранные участки программы и проанализировать результаты. Контрольные точки устанавливаются обычно для конкретной команды, но в некоторых системах предусматриваются прерывания программы при чтении или записи данных в определенные ячейки памяти. Возможны и более сложные условия прерывания программы.