1. Функциональные возможности внутрисхемных эмуляторов. Достоинства и недостатки внутрисхемных эмуляторов. Внутрисхемный эмулятор 8-разрядных микроконтроллеров семейства 8051 PICE-51. Программные симуляторы. Платы развития. Отладочные мониторы. Эмуляторы ПЗУ.

Внутрисхемные эмуляторы

Внутрисхемный эмулятор - программно аппаратное средство, способное замещать собой эмулируемый процессор в реальной схеме. Внутрисхемный эмулятор - это наиболее мощное и универсальное отладочное средство. По сути дела, “хороший” внутрисхемный эмулятор делает процесс функционирования отлаживаемого контроллера прозрачным, т.е. легко контролируемым, произвольно управляемым и модифицируемым по воле разработчика.

Функционально внутрисхемные эмуляторы делятся на

• стыкуемые с внешней вычислительной машиной (обычно это бывает IBM PC)

• функционирующие автономно.

Автономные внутрисхемные эмуляторы имеют индивидуальные вычислительные ресурсы, средства ввода-вывода, не требуют для своей нормальной работы стыковки с какими-либо внешними вычислительными средствами, но за это пользователю приходится расплачиваться либо существенно более высокой ценой, либо пониженными функциональными и сервисными возможностями по сравнению с аналогичными моделями, стыкуемыми с IBM PC.

Обычно, стыковка внутрисхемного эмулятора с отлаживаемой системой производится при помощи эмуляционного кабеля со специальной эмуляционной головкой. Эмуляционная головка вставляется вместо микроконтроллера в отлаживаемую систему. Если микроконтроллер невозможно удалить из отлаживаемой системы, то использование эмулятора возможно, только если этот микроконтроллер имеет отладочный режим, при котором все его выводы находятся в третьем состоянии. В этом случае для подключения эмулятора используют специальный адаптер-клипсу, который подключается непосредственно к выводам эмулируемого микроконтроллера.

Как минимум, эмулятор содержит следующие функциональные блоки:

• Отладчик;

• Узел эмуляции микроконтроллера;

• Эмуляционная память;

• Подсистема точек останова.

• Более продвинутые модели могут содержать дополнительно:

• Процессор точек останова;

• Трассировщик;

• Профилировщик (анализатор эффектив-ности программного кода);

• Таймер реального времени;

• Программно-аппаратные средства, обеспечивающие возможность чтения и модификации ресурсов эмулируемого процессора “на лету”, т.е. в процессе выполнения программы пользователя в реальном времени;

• Программно-аппаратные средства, обеспечивающие синхронное управление, необходимое для эмуляции в мультипроцессорных системах;

• Интегрированную среду разработки.

Некоторые модели внутрисхемных эмуляторов могут предоставлять пользователям и другие дополнительные возможности. Среди них отметим одну, хотя и достаточно специфическую, но в ряде случаев имеющую принципиальное значение: возможность построения многоэмуляторных комплексов, необходимых для отладки мультипроцессорных систем. Отличительной особенностью такого комплекса является возможность синхронного управления (с одного компьютера) несколькими эмуляторами.

В общем случае, различные модели внутрисхемных эмуляторов могут предоставлять пользователю возможности по контролю и управлению функционированием отлаживаемых устройств с разного рода ограничениями. Например, это может быть некорректное обрабатывание прерываний в пошаговом режиме, или запрет на использование последовательного порта и т.п.. Также необходимо помнить, что каждая реальная модель эмулятора имеет свой набор поддерживаемых компиляторов. Некоторые фирмы-производители эмуляторов сознательно идут на ограничение количества поддерживаемых компиляторов, в первую очередь это характерно для западных производителей. В этих случаях эмулятор умеет пользоваться только одним символьным форматом.

Конечно, столь широкий набор функциональных возможностей делает внутрисхемные эмуляторы наиболее мощным и универсальным средством отладки.

Достоинства и недостатки внутрисхемных эмуляторов.

К достоинствам внутрисхемных эмуляторов следует отнести

• широкий набор функциональных возможностей, что делает внутрисхемные эмуляторы наиболее мощным и универсальным средством отладки;

• работу внутрисхемного эмулятора в реальной схеме электронного блока, в котором предполагается робота микроконтроллера или ЦПОС;

• большую гибкость моделирования временных и электрических характеристик микроконтроллера, что связано с преимущественно программным методом их моделирования

Однако внутрисхемные эмуляторы имеют и недостатки. Основным из них является трудность программного моделирования электрических сигналов на выводах микроконтроллера в реальном масштабе времени. Для адекватного моделирования быстродействие моделирующего процессора или компьютера должно быть существенно выше, чем эмулируемого микроконтроллера, что достижимо далеко не всегда, особенно в случае эмуляции современных высокопроизводительных ЦПОС и микроконтроллеров.

Кроме того, даже в случае работы в замедленном масштабе времени, различные модели внутрисхемных эмуляторов могут иметь разного рода ограничения по контролю и управлению функционированием отлаживаемых устройств, что связано с трудностью их моделирования. Например, это может быть некорректное обрабатывание прерываний в пошаговом режиме, или запрет на использование последовательного порта и т.п..

Внутрисхемный эмулятор PICE-51

PICE-51 — эмулятор нового поколения, созданный с применением передовых технологий разработки аппаратуры и программного обеспечения.

Применение программируемых матриц большой ёмкости позволило резко сократить размеры эмулятора без какого-либо ущерба его функциональным возможностям, минимизировать отклонения электрических и частотных характеристик эмулятора от характеристик эмулируемого процессора и, тем самым, добиться максимальной точности эмуляции на частотах до 30 МГц при напряжениях питания от 3,3 В до 5 В.

Перезагружаемая аппаратная структура эмулятора обеспечивает эмуляцию практически всех микроконтроллеров семейства 8051 как отечественного производства, так и фирм Intel, Philips, Siemens, Atmel, Dallas, Temic, OKI, AMD, MHS и других.

Мощный программный интерфейс в среде Windows, представляет собой интегрированную среду разработки, поддерживающую все этапы разработки программного обеспечения от написания исходного текста программы до её компиляции и отладки. Программа поддержки эмулятора ориентирована на отладку программ на языке высокого уровня по исходному тексту.

Эмулятор состоит из основной платы размером 80 х 76 мм, сменного адаптера под конкретный процессор и сменной эмуляционной головки под конкретный тип корпуса. На основной плате реализованы: трассировщик и процессор точек останова. Плата сменного адаптера содержит эмулирующий процессор под конкретный тип микроконтроллера. Эмуляционные головки обеспечивают установку эмулятора в колодки DIP и PLCC на плате пользователя. Питание эмулятора осуществляется от блока питания +5 В; 0,5 А или непосредственно от отлаживаемого устройства. Связь с компьютером обеспечивается по гальванически развязанному каналу RS-232C на скорости 115 Кбод.

PICE-51 – основная плата

POD-51-XX – сменная эмуляционная головка

ADP-51-XX – сменный адаптер под конкретный процессор

Эмулируемые микроконтроллеры:

• Intel 8031, 80C31, 8032, 80С32, 8051, 80С51, 8052, 8хС52, 8хС54, 8хС58, 80C152JA/JB/JC/JD, 8xL/C51FA/FB/FC, 8xC51RA/RB/RC, 80C51GB;

• Philips 8031, 8051, 80С31, 80С32, 8хС51, 8хС52/54/58, 8хС51 FA/FB/FC; 8xC51RA+/RB+/RC+/RD+, 80CL410, 80С552, 80С562, 8ХС550, 8ХС652, 8ХС654, 8ХС528, 8ХС524, 8ХС575, 8ХС576, 80С851, 89С535, 89С536, 89С538;

• Atmel 89С51, 89С52, 89С55, 89С2051, 89С1051, 89S8252, 89S53 (последние два - только с внешней памятью программ);

• Siemens SAB501/502/504/505/511/513

• Dallas Semiconductor 80C310, 8ХС520, 8ХС530; MHS 80C31, 80C51, 80C32, 80C52, 80C154; OW80C31, 80C51, 80C154;

• AMD 80C31, 80C51, 80C52;

и другие микроконтроллеры семейства 8051.

Характеристики аппаратуры

• Точная эмуляция — отсутствие каких-либо ограничений на использование программой пользователя ресурсов микроконтроллера.

• До 256К эмулируемой памяти программ и данных. Поддержка банкированной модели памяти. Распределение памяти между эмулятором и устройством пользователя с точностью до 1-го байта.

• До 512К аппаратных точек останова по доступу к памяти программ и данных.

• Аппаратная поддержка для отладки программ на языках высокого уровня.

• Трассировка 8 произвольных внешних сигналов.

• 4 выхода синхронизации аппаратуры пользователя.

• Трассировщик реального времени с буфером объёмом от 16К до 64К фреймов по 64 бита с доступом «на лету». Трассировка адреса, данных, сигналов управления, таймера реального времени и 8-ми внешних сигналов пользователя.

• Программируемый фильтр трассировки.

• Аппаратный процессор точек останова с возможностью задания сложного условия останова эмуляции по комбинации сигналов адреса, данных, управления, 8-ми внешних сигналов, таймера реального времени, счётчиков событий и таймера задержки.

• Четыре комплексных точки останова, которые могут быть использованы независимо или в комбинациях по условиям AND/OR/IF-THEN.

• 48-разрядный таймер реального времени.

• Прозрачная эмуляция — доступ «на лету» к эмулируемой памяти, точкам останова, процессору точек останова, буферу трассировки, таймеру реального времени.

• Управляемый генератор тактовой частоты для эмулируемого процессора. Возможность плавного изменения тактовой частоты от 500 кГц до 40 МГц.

• Гальванически развязанный от компьютера канал связи RS-232C со скоростью обмена 115 Кбод.

• Встроенная система самодиагностики аппаратуры эмулятора.

• Тактовая частота базового варианта 28 МГц. С быстрой матрицей — 40 МГц.

• Поддержка низковольтовых микроконтроллеров с напряжениями питания от 3,3 В до 5 В.

• Двухпортовая память, обеспечивающая доступ «на лету» к памяти программ, внешней памяти данных, точкам останова, трассировщику, процессору точек останова.

• Установка карты памяти с точностью до 1 байта.

• Программируемый генератор тактовой частоты эмулируемого процессора.

• Более точная и надёжная эмуляция — отсутствие кабелей и шлейфов, снижающих надёжность работы и вносящих отклонения в электрические и временные характеристики процессора.

• Возможность поддержки микроконтроллеров, отличающихся от стандартного 51-го по циклу шины (Dallas 320/520)

• Более точная эмуляция процессоров 87C51FX/RX+ в режиме внутренней памяти программ при обращении к внешней памяти данных командами MOVX A,@Rx, MOVX @Rx,A

• Обновление версий эмулятора только заменой программного обеспечения — возможность обновления через web-сервер.

• Отсутствие конфигурационных перемычек — все установки аппаратных конфигураций осуществляются через программу поддержки

Характеристики программного обеспечения

• Программное обеспечение ориентировано на работу в среде Windows на IBM-совместимых компьютерах с процессорами типа 386/486/Pentium.

• Встроенный многооконный редактор предназначен для написания исходных текстов программ. Редактор поддерживает операции с блоками текста, поиск/замену, цветовое выделение синтаксических конструкций языка ассемблера и Си.

• Неотъемлемая, встроенная и действительно интегрированная среда разработки. Для разработчика стирается грань между редактором и отладчиком.

• Встроенный менеджер проектов обеспечивает автоматическую компиляцию программ. Все опции задаются в диалоговой форме. Переход от редактирования исходного текста к отладке и обратно происходит «прозрачно», т. е. менеджер проектов автоматически запускает компиляцию проекта при необходимости.

• PICE-51 обеспечивает символьную отладку и отладку по исходному тексту для программ, созданных с помощью следующих компиляторов:

• ассемблер ASM51 фирмы Intel;

• компилятор PL/M фирмы Intel;

• ассемблер и компилятор Си фирмы IAR Systems;

• ассемблер и компилятор Си фирмы Avocet Systems Inc./HiTech; -

• ассемблер и компилятор Си фирмы Keil Software Inc..

• Автоматическое сохранение и загрузка файлов конфигурации аппаратуры, интерфейса и опций отладки. Обеспечивается совместимость файлов конфигурации с симулятором PDS-51. Обеспечена переносимость проектов между эмулятором PICE-51 и симулятором PDS-51.

• Возможность настройки цветов, шрифтов и других параметров для всех окон одновременно и для каждого окна в отдельности.

Эмулятор снабжён печатным руководством по эксплуатации и контекстным электронным руководством, в которых детально описаны его принципы работы, команды, меню, горячие клавиши.

Программные отладчики-симуляторы

Программный отладчик-симулятор - программное средство, способное имитировать работу микроконтроллера и его памяти. Как правило, хороший симулятор позволяет пользователю:

Загружать файлы программ во всех популярных форматах;

Контролировать и модифицировать состояние ресурсов симулируемого микроконтроллера. В процессе отладки модель «выполняет» программу, и на экране компьютера отображается текущее состояние модели;