在軟件開發(fā)領(lǐng)域，關(guān)鍵但也是無法預(yù)料的階段是調(diào)試階段。在軟件調(diào)試的過程中有很多要素都舉足輕重，而其中重要的則是時(shí)間。設(shè)置和調(diào)試軟件所需的時(shí)間對于軟件的上市時(shí)間以及是否滿足客戶期望都有著巨大的影響，同時(shí)還影響著一個(gè)在市場取得成功的產(chǎn)品的銷售業(yè)績。一個(gè)應(yīng)用的集成必須經(jīng)過一個(gè)由構(gòu)建、加載、調(diào)試/調(diào)諧到更改等多個(gè)階段構(gòu)成的過程。

　　嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的調(diào)試既是一門藝術(shù)，又是一門科學(xué)。用于調(diào)試和集成這些系統(tǒng)的工具和技術(shù)對于在調(diào)試、集成和測試階段上所需時(shí)間的長度有著重要影響。對運(yùn)行中的系統(tǒng)越了解，我們就能越快發(fā)現(xiàn)并修正缺陷。

　　要了解系統(tǒng)有一個(gè)傳統(tǒng)也是簡單的方法，即在軟件中的某些點(diǎn)添加消息，以便輸出有關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)的信息。這些消息可以是輸出到顯示器的“打印”指令，也可以通過LED 或者LED 組閃爍的形式來系統(tǒng)狀態(tài)和健康度。每個(gè)功能或任務(wù)都可以通過輸出一個(gè)狀態(tài)信息來開始指示是系統(tǒng)將之安排到程序中的某個(gè)點(diǎn)。如果系統(tǒng)在某個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)故障，對于這一輸出信息的診斷就可以幫助工程師了解到系統(tǒng)正常狀態(tài)點(diǎn)的所在，從而確認(rèn)問題所在。當(dāng)然，這種方式會導(dǎo)致系統(tǒng)過載，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能。因此，工程師必須在測試完系統(tǒng)后清除這些數(shù)據(jù)并在銷售之前對系統(tǒng)重新驗(yàn)證，或者將系統(tǒng)和系統(tǒng)中測得的代碼一起銷售。他們必須確保所工程師可以利用更先進(jìn)的調(diào)試方法來減少集成和測試階段的時(shí)間。其中一個(gè)方法就是利用“調(diào)試監(jiān)視器（debug monitor）”。調(diào)試監(jiān)視器是一種嵌入到目標(biāo)應(yīng)用或集成到微控制器或DSP 內(nèi)核的相對較小的代碼，通過一個(gè)串行接口和主機(jī)進(jìn)行通信。調(diào)試監(jiān)視器可以代碼、讀寫DSP 存儲器和計(jì)數(shù)器、設(shè)置簡單和復(fù)雜的斷點(diǎn)、單步執(zhí)行程序并繪制源代碼概圖。

　　仿真的基本原理

　　仿真是一種被用在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域的技術(shù)。它可以給系統(tǒng)開發(fā)者帶來集成硬件和軟件所需的可控制性和可視性，有效地模仿DSP 處理器的電氣特征和性能，同時(shí)讓工程師更清晰地了解處理器的活動并加以控制。

　　仿真器包含了硬件和軟件技術(shù)。仿真硬件方面由DSP 芯片上的功能構(gòu)成，它可以采集數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)提供了有關(guān)系統(tǒng)活動狀態(tài)和其它可視性的信息。硬件還需要從DSP 設(shè)備上高速獲取此類信息，并將數(shù)據(jù)格式化。仿真器軟件則提供了更別的控制，以及一個(gè)和主機(jī)相連的接口－ 一般是一個(gè)調(diào)試器。調(diào)試器讓開發(fā)工程師可以輕松地從編輯過程（編譯、匯編并為某個(gè)應(yīng)用建立鏈接）過渡到執(zhí)行環(huán)境。

　　它從編輯過程中輸出數(shù)據(jù)，并將圖象導(dǎo)入到目標(biāo)系統(tǒng)中。接下來，工程師可以通過調(diào)試器和仿真器互動，來控制并執(zhí)行應(yīng)用，同時(shí)找到并解決問題。這些問題可能是硬件問題，也可能會是軟件上的問題。仿真器被設(shè)計(jì)成一個(gè)完整的集成和測試環(huán)境。

　　仿真器系統(tǒng)組件

　　所有的仿真器系統(tǒng)都是由以下三個(gè)部分構(gòu)成的：

　　◆ 片上調(diào)試裝置

　　◆ 仿真控制器

　　◆ 運(yùn)行在主機(jī)上的調(diào)試器應(yīng)用程序

　　圖1 一個(gè)基本的仿真系統(tǒng)

　　圖1展示了這三部分的連接。其中主機(jī)和一個(gè)仿真控制器相連，仿真控制器也連接到目標(biāo)系統(tǒng)。用戶通過IDE 中的調(diào)試器來控制目標(biāo)應(yīng)用。

　　從處理器、仿真器到主機(jī)平臺的整個(gè)開發(fā)環(huán)境，都會使用DSP 仿真技術(shù)。

　　在DSP 設(shè)備本身，要實(shí)現(xiàn)更高的時(shí)鐘率，就要求仿真邏輯必須是在芯片上，這樣它才能夠全速運(yùn)行，并跟上處理器的速率。集成度更高的芯片，總線會被隱藏起來，讓工程師無法通過管腳看到。這也使得仿真邏輯必須在芯片上，這樣才能接入到系統(tǒng)總線。為此，DSP 廠商都一直在積極地將高端仿真功能集成到它們的DSP產(chǎn)品上。

　　下一個(gè)組件是仿真器，它用來將目標(biāo)板連接到主機(jī)平臺上，并在主機(jī)和目標(biāo)處理器之間傳輸數(shù)據(jù)。

　　第三個(gè)組件也是一個(gè)組件是調(diào)試器和仿真軟件。該軟件可以自動配置以匹配DSP 設(shè)備，并作為用戶接口，讓片上系統(tǒng)（SoC）設(shè)備的調(diào)試變得盡可能簡單。

　　這些IDE 還支持“插入式”應(yīng)用的開發(fā)，此類應(yīng)用不僅能控制處理器，還能通過一個(gè)高速數(shù)據(jù)接口顯示來自處理器的仿真數(shù)據(jù)。

　　主機(jī)可以決定設(shè)備到主機(jī)之間的數(shù)據(jù)帶寬。主機(jī)和仿真器之間的通信決定著數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的持續(xù)數(shù)據(jù)帶寬。產(chǎn)生數(shù)據(jù)的主機(jī)和接收數(shù)據(jù)的客戶端必須擁有足夠的MIP 和/或磁盤帶寬，來準(zhǔn)備、傳輸、處理和/或存儲來自DSP 的數(shù)據(jù)。

　　仿真器的物理特征

　　大多數(shù)仿真控制器都位于主機(jī)外部。仿真器分為通信和仿真兩個(gè)部分。通信部分負(fù)責(zé)和主機(jī)通信，而仿真部分則和目標(biāo)連接，控制目標(biāo)調(diào)試功能和設(shè)備調(diào)試端口。

　　仿真器/目標(biāo)通信

　　仿真控制器通過連接線和目標(biāo)相連。調(diào)試、跟蹤、觸發(fā)和實(shí)時(shí)傳輸可以通過同一根目標(biāo)連接線來完成，有時(shí)也可以采用同樣的設(shè)備管腳。當(dāng)一根連接線無法滿足目標(biāo)系統(tǒng)的跟蹤帶寬時(shí)，就需要多根連接線。所有跟蹤、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)試通信可以通過這個(gè)鏈路來完成。仿真器允許目標(biāo)和仿真器之間可以至少分開2 英尺，以方便DSP 開發(fā)者能在各種環(huán)境下應(yīng)用。

　　片上仿真

　　由于當(dāng)前精密的DSP 處理器的可視性日益下降，調(diào)試功能也被集成到了芯片上－即我們常說的片上調(diào)試。片上調(diào)試實(shí)際上硬件和軟件的結(jié)合。要在芯片和調(diào)試器之間進(jìn)行通信，DSP 上必須有額外的管腳。要進(jìn)行片上調(diào)試，還要求主系統(tǒng)必須和調(diào)試部分以及數(shù)據(jù)抽取通信并對之加以控制。主軟件運(yùn)行調(diào)試器軟件，并通過專用接口頭信息與片上調(diào)試寄存器連接。主調(diào)試器以圖畫形式顯示源代碼、處理器資源、存儲器位置和外圍設(shè)備狀態(tài)等。

　　片上調(diào)試的一些主要功能包括：

　　◆ 中斷或插入程序和/或數(shù)據(jù)存儲地址上的調(diào)試模式

　　◆ 中斷或插入外圍設(shè)備上的調(diào)試模式

　　◆ 通過1 個(gè)DSP 微處理器指令進(jìn)入調(diào)試模式

　　◆ 讀/寫DSP 內(nèi)核寄存器

　　◆ 讀/寫外圍存儲器映射的寄存器

　　◆ 讀/寫程序或數(shù)據(jù)存儲器

　　◆ 執(zhí)行1 個(gè)或多個(gè)指令

　　◆ 跟蹤1 個(gè)或多個(gè)指令

　　◆ 讀實(shí)時(shí)指令跟蹤緩沖器

　　圖2 DSP 上的仿真邏輯可以實(shí)現(xiàn)有效系統(tǒng)集成所需的可視性

　　圖2展示了一個(gè)高性能DSP 上的仿真硬件。該邏輯位于DSP 上，可以執(zhí)行以下功能：

　　◆ 觀測－采用總線事件探測器來觀測系統(tǒng)中的事件。用戶可以通過調(diào)試器界面編程選擇需要觀測的特定事件或情況；

　　◆ 保存－采用計(jì)數(shù)器和狀態(tài)機(jī)來保存系統(tǒng)中發(fā)生的事件；

　　◆ 導(dǎo)向和控制－采用觸發(fā)器來發(fā)送計(jì)數(shù)器和狀態(tài)機(jī)獲取的有用數(shù)據(jù)；

　　◆ 導(dǎo)出－采用導(dǎo)出功能從系統(tǒng)導(dǎo)出數(shù)據(jù)。例如，以跟蹤邏輯來導(dǎo)出原始程序寄存器和數(shù)據(jù)跟蹤信息；

　　◆ 加速－采用本地振蕩器來提高以高時(shí)鐘速率運(yùn)行的設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸率；

　　◆ 導(dǎo)入－以導(dǎo)入邏輯來從主機(jī)導(dǎo)入數(shù)據(jù)，讓開發(fā)者可以輸入用來調(diào)試和集成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)文件；

　　◆ 這個(gè)仿真系統(tǒng)里還包括一個(gè)主通信控制器（host communications controller）。

　　它可以連接到控制整個(gè)過程的主調(diào)試器。調(diào)試器可以位于電腦上或者工作站中，也可以集成到一個(gè)集成度更高的開發(fā)環(huán)境中，或者獨(dú)立運(yùn)行。電腦或工作站中構(gòu)建的代碼通過一個(gè)通信鏈路導(dǎo)入到目標(biāo)中。

　　仿真控制器（以及調(diào)試器）是一種帶有兩組不同功能特征的調(diào)試工具。其中的一組特征可以提供簡單的運(yùn)行控制，讓DSP 開發(fā)者能控制DSP 處理器的運(yùn)行。運(yùn)行控制的例子有啟動、暫停、步進(jìn)和運(yùn)行至斷點(diǎn)。

　　調(diào)試器是在主系統(tǒng)上執(zhí)行的一個(gè)軟件組件。它可以監(jiān)控和控制整個(gè)仿真過程，有以下一些常見功能：

　　啟動/運(yùn)行（Go/Run）－ 這個(gè)命令將啟動目標(biāo)CPU 的執(zhí)行。執(zhí)行是從當(dāng)前程序計(jì)數(shù)器的位置和寄存器數(shù)值開始的。

　　停止/暫停（Stop/Halt）－ 這一命令用來通知仿真器停止目標(biāo)CPU 并暫停執(zhí)行。當(dāng)執(zhí)行這一命令時(shí)，目標(biāo)CPU 和寄存器的當(dāng)前上下文會被保存，以便當(dāng)處理器再次開始運(yùn)行時(shí)，執(zhí)行可以繼續(xù)從原停止點(diǎn)處繼續(xù)進(jìn)行。

　　單步執(zhí)行（Single-Step）－ 這一命令是啟動或運(yùn)行指令的一個(gè)特殊形式，但在下一個(gè)指令處有一個(gè)斷點(diǎn)組。它讓用戶可以連續(xù)步進(jìn)。在每一步，用戶都可以觀察寄存器、執(zhí)行堆棧和其它關(guān)于系統(tǒng)狀態(tài)的重要信息。這可能是尋找軟件或固件模塊的問題時(shí)應(yīng)用為普遍的命令。

　　運(yùn)行至（Run To）－ 這個(gè)命令可以在程序某個(gè)被認(rèn)為有用的地方設(shè)置一個(gè)斷點(diǎn)，然后運(yùn)行直到達(dá)到該斷點(diǎn)。它可以讓用戶不必多次單步執(zhí)行便可達(dá)到同樣的位置。

　　仿真器是直接和DSP 處理器連接的。電氣信號被發(fā)送到仿真器，仿真器可以接入到處理器，而標(biāo)準(zhǔn)軟件調(diào)試器則不能。硬件信號發(fā)送還可以帶來更好的實(shí)時(shí)控制。仿真器還能實(shí)時(shí)記錄處理器的活動，如果發(fā)生問題，開發(fā)者就可以有一個(gè)系統(tǒng)活動的歷史記錄來進(jìn)行分析。

　　仿真器相比于標(biāo)準(zhǔn)軟件調(diào)試器的另一個(gè)優(yōu)勢在于它可以調(diào)試系統(tǒng)的啟動代碼。在系統(tǒng)初始化過程中，這是不能實(shí)現(xiàn)的。而仿真器可以提供自己的通信接口，能接入到系統(tǒng)的任何部分，達(dá)到和CPU 一樣的可視性。

　　仿真器的另一個(gè)優(yōu)勢是可以調(diào)試已經(jīng)損壞的系統(tǒng)。如果目標(biāo)系統(tǒng)因?yàn)槟硞€(gè)原因而被損壞，它的操作系統(tǒng)一般會停止運(yùn)行。此時(shí)軟件調(diào)試器根本排不上用場。仿真器可以保留重要的跟蹤信息和寄存器數(shù)值等DSP 處理器狀態(tài)信息，并對該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以確定導(dǎo)致系統(tǒng)損壞的原因。

　　基本仿真組件

　　當(dāng)采用一個(gè)DSP 調(diào)試器來在硬件平臺上進(jìn)行軟件調(diào)試時(shí)，必須執(zhí)行一些設(shè)置程序，以確保目標(biāo)處理器能夠和調(diào)試器兼容。仿真的設(shè)置包含了兩個(gè)工具：一個(gè)是仿真器本身（例如TI XDS510 或XDS560）－它控制到達(dá)目標(biāo)和來自目標(biāo)的信息流，另一個(gè)是調(diào)試器－它是這一信息的用戶接口。在仿真設(shè)置之后是目標(biāo)處理器。

　　硬件的調(diào)試是通過停止DSP 內(nèi)核來進(jìn)行的，這樣才可以使信息通過JTAG 信息頭被掃描進(jìn)設(shè)備并從設(shè)備中掃描出來。該信息是通過符合IEEE 1149.1 JTAG 規(guī)格的JTAG 接口來串行傳輸?shù)摹Ｔ谔幚砥鲀?nèi)部有多種可以掃描信息進(jìn)出的串行掃描鏈。這個(gè)“掃描管理器”的任務(wù)是在信息被掃描進(jìn)出各種處理器的過程中控制該信息，并將之引導(dǎo)在各個(gè)調(diào)試器窗口之間。

　　仿真器主機(jī)可以作為掃描管理器，因?yàn)樗刂浦鴴呙栊畔⒃谀繕?biāo)和調(diào)試器窗口之間的傳輸。比如，操作系統(tǒng)可以是一臺電腦，而JTAG 連接則通過一張ISA 卡來完成，其它配置也可以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)主CPU 或一個(gè)獨(dú)立的處理器控制JTAG 掃描信息時(shí)，主機(jī)需要有關(guān)掃描鏈中包含的設(shè)備的信息。