在線(xiàn)ARM仿真器知識（嵌入式系統設計師必備）

本文提供了一些關(guān)于在線(xiàn) ARM 仿真器的信息，以及給作為嵌入式系統設計師的你帶來(lái)的好處。根據你的需要，你將在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中對開(kāi)發(fā)工具作出更恰當的選擇。

一、嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期

典型的嵌入式微控制器開(kāi)發(fā)項目的第一個(gè)階段是用C編譯器從源程序生成目標代碼，生成的目標代碼將包括物理地址和一些調試信息。目前代碼可以用軟件模擬器、目標Monitor或在線(xiàn)仿真器來(lái)執行和調試。軟件模擬器是在PC機或工作站平臺上，以其CPU(如x86)及其系統資源來(lái)模擬目標CPU(如P51XA)，并執行用戶(hù)的目標代碼;而目標Monitor則是將生成的目標代碼下載到用戶(hù)目標板的程序存儲器中，并在下載的代碼中增加一個(gè)Monitor任務(wù)軟件，用來(lái)監視和控制用戶(hù)目標代碼的執行，用戶(hù)通過(guò)目標板上的串行口或其它調試端口，利用桌面計算機來(lái)調試程序。

程序的調試是通過(guò)設置斷點(diǎn)、使程序在指定的指令位置停止運行來(lái)實(shí)現的。在程序中止的時(shí)候，檢查存儲器和寄存器的內容，作為發(fā)現程序錯誤的線(xiàn)索。

程序經(jīng)過(guò)調試、找到所有的錯誤后，修改源代碼，重新編譯，以一種標準格式生成目標代碼文件，比如Intel HEX。這個(gè)目標代碼將被存儲在最終產(chǎn)品的非揮發(fā)存儲器，比如EPROM或FLASH中。

二、為什么需要仿真器

軟件模擬器和目標 Monitor提供了一種經(jīng)濟的調試手段，對于很多設計來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠。但是也有很多場(chǎng)合，需要利用仿真器來(lái)找到程序錯誤。 無(wú)論在哪一種場(chǎng)合，仿真器都能夠減少調試時(shí)間、簡(jiǎn)化系統集成、增加可靠性、優(yōu)化測試步驟，從而使其物有所值。更常見(jiàn)的情況是工程師在項目的不同階段同時(shí)使用軟件模擬器和仿真器，特別是在大的開(kāi)發(fā)項目中。

軟件模擬器和軟件調試器在斷點(diǎn)之外只提供了很少的幾種功能，比如顯示端口內容和代碼覆蓋。沒(méi)有檢測事件和條件、然后作出反應的手段，也沒(méi)有辦法記錄MCU的總線(xiàn)周期、然后判斷程序的執行究竟發(fā)生了什么情況。如果你的MCU有片上EPROM或FLASH存儲器，并且運行在單片模式，則只有仿真器才能夠對系統進(jìn)行調試，而不嚴重占用和消耗MCU資源。

在線(xiàn)仿真器可以很容易地做到這些事情，并且還能夠提供很多其它功能。仿真器是軟件和硬件之間的橋梁。在項目進(jìn)行的某些階段，你必須讓程序在實(shí)際的硬件上面運行。仿真器可以很容易地幫助你了解如何在調試階段充分利用仿真器。

三、仿真器究竟是什么?

仿真器可以替代你的目標系統中的MCU，仿真其運行。 仿真器運行起來(lái)和實(shí)際的目標處理器一樣，但是增加了其它功能，使你能夠通過(guò)桌面計算機或其它調試界面來(lái)觀(guān)察MCU中的程序和數據，并控制MCU的運行。仿真器是調試嵌入式軟件的一個(gè)經(jīng)濟、有效的手段。Nohau的EMUL51XA-PC仿真器系列用來(lái)調試Philips P51XA系列MCU，而EMUL51-PC系列仿真器則支持眾多廠(chǎng)家的8051系列單片機。

四、內部和外部模式

內部模式是指程序和數據位于MCU芯片內部，以FLASH或EPROM的形式存在，地址和數據總線(xiàn)對于用戶(hù)并不可見(jiàn)，由此節省下來(lái)的芯片引腳作為I/O口提供給用戶(hù)。內部模式也稱(chēng)單片模式，所有的程序執行都發(fā)生在內部ROM中。為了有效地仿真這種芯片，要求仿真器使用bondout或增強型Hooks芯片。

外部模式是當程序存儲器，可能還有部分數據存儲器，位于MCU外部的情況，需要有地址和數據總線(xiàn)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)這部分存儲器。外部模式也稱(chēng)擴展模式，用戶(hù)芯片、bondout芯片和增強型hooks芯片都能夠產(chǎn)生這種工作模式，這種情況下芯片的地址和數據總線(xiàn)引腳不能作為通用I/O口使用。Nohau的仿真器使用這三種芯片來(lái)實(shí)現有效的程序調試。

五、Bondout、增強型Hooks芯片和標準產(chǎn)品芯片

這些名詞是指仿真器所使用的、用來(lái)替代目標MCU的三種仿真處理器。只有Bondout和增強型Hooks芯片能夠實(shí)現單片調試，標準產(chǎn)品芯片不能。和標準產(chǎn)品芯片相比，bondout芯片有一些增加的引腳，連接到芯片內部硅片的電路節點(diǎn)上，所有又稱(chēng)“超腳芯片”。P51XA系列單片機仿真器都使用bondout芯片，EMUL51XA-PC就是很好的例子。

增強型Hooks芯片利用各種芯片引腳上面沒(méi)有的機器周期來(lái)提供地址和數據總線(xiàn)，一些80C51系列仿真器就是使用增強型Hooks芯片。有趣的是，這些增強型Hooks芯片中的一些也是標準的產(chǎn)品芯片。使用增強型Hooks芯片作為仿真CPU需要一些額外的特殊功能電路來(lái)從復用的芯片引腳中，分解出地址和數據總線(xiàn)以及一些必須的控制信號，用戶(hù)的目標板沒(méi)有這些電路，所有仍然是單片工作模式。采用bondout芯片和增強型Hooks芯片能夠實(shí)現極為精確的仿真，從功能一直到芯片的功耗。

六、使硬件工作起來(lái)

軟件模擬器是很好的，可是它不能考慮進(jìn)所有的變化因素。軟件模擬器設計師必須考慮到每一件事情，特別是那些只有在硬件搭起來(lái)以后才會(huì )出現的因素，比如電容、定時(shí)、電感、芯片版本等，隨著(zhù) CPU速度的增加，這些變得越來(lái)越重要。

目標Monitor相比之下要好得多，因為它是在實(shí)際硬件中運行的。但是為了使Monitor程序能夠運行起來(lái)，目標系統必須是一個(gè)完整的、能夠工作的系統。采用仿真器后就不是這樣，仿真器在目標系統硬件不完整、或者是一點(diǎn)硬件都沒(méi)有的情況下都可以運行。然而目標Monitor可以安裝在最終產(chǎn)品的程序中，隨時(shí)都可以激活，用來(lái)進(jìn)行調試，所以這對于測試和維護來(lái)說(shuō)還是有一定優(yōu)勢的。

七、仿真器的優(yōu)點(diǎn)

仿真器具有軟件模擬器和目標Monitor的所有功能，加上下面一些優(yōu)點(diǎn)：

1.不使用目標系統或CPU資源

目標Monitor內核一般需要10K的ROM和10～20字節的RAM以及一個(gè)空閑的通信端口。一個(gè)好的仿真器不會(huì )使用上面任何一項。仿真器對于目標系統應當是不可見(jiàn)的，也就是所謂的“全透明仿真”。

2.硬件斷點(diǎn)

軟件斷點(diǎn)的實(shí)現是通過(guò)在用戶(hù)目標代碼中插入2字節的TRAP(陷井)指令，將正常的程序流偏轉到調試器上。如果程序計數器碰巧落到第二個(gè)字節上，程序就會(huì )崩潰。 Nohau仿真器的硬件斷點(diǎn)功能使用比較器，將系統總線(xiàn)狀態(tài)與預先設定的鎖存器內容相比較，用以監測對于指定地址的訪(fǎng)問(wèn)，而不修改任何程序存儲器內容。區域斷點(diǎn)需要使用硬件斷點(diǎn)來(lái)實(shí)現，但是軟件斷點(diǎn)仍然是很方便、有用的，所以Nohau的仿真器兩種斷點(diǎn)功能都提供。

當用戶(hù)的目標程序存放在ROM中時(shí)，軟件斷點(diǎn)是不能用的，因為無(wú)法插入TRAP指令。對于ROM程序存儲器系統，只能使用硬件斷點(diǎn)。