ARM仿真器與嵌入式系統(tǒng)設計講解

嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計算機系統(tǒng)，作為裝置或設備的一部分。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實上，所有帶有數(shù)字接口的設備，如手表、微波爐、錄像機、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是是由單個程序實現(xiàn)整個控制邏輯。

所謂ARM仿真器，即用于調試基于ARM內核芯片的一個硬件模塊。ARM內核包括ARM7,ARM9,ARM11,Cortex-A,Cortex-M,Cortex-R等系列，而基于這些內核的芯片則更多了。那么這些仿真器選擇有一個原則，用于低端嵌入式微控制器的話，用ULINK2,ULINKPpro即可，可以調試Cortex-M,Cortex-R芯片。用于高端的應用處理器ARM9,ARM11,Cortex-A的話，就需要用到DSTREAM仿真器了。

一、嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)周期

典型的嵌入式微控制器開發(fā)項目的第一個階段是用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或在線仿真器來執(zhí)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(tǒng)資源來模擬目標CPU(如P51XA)，并執(zhí)行用戶的目標代碼;而目標Monitor則是將生成的目標代碼下載到用戶目標板的程序存儲器中，并在下載的代碼中增加一個Monitor任務軟件，用來監(jiān)視和控制用戶目標代碼的執(zhí)行，用戶通過目標板上的串行口或其它調試端口，利用桌面計算機來調試程序。

程序的調試是通過設置斷點、使程序在指定的指令位置停止運行來實現(xiàn)的。在程序中止的時候，檢查存儲器和寄存器的內容，作為發(fā)現(xiàn)程序錯誤的線索。

程序經(jīng)過調試、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，對于很多設計來說已經(jīng)足夠。但是也有很多場合，需要利用仿真器來找到程序錯誤。 無論在哪一種場合，仿真器都能夠減少調試時間、簡化系統(tǒng)集成、增加可靠性、優(yōu)化測試步驟，從而使其物有所值。更常見的情況是工程師在項目的不同階段同時使用軟件模擬器和仿真器，特別是在大的開發(fā)項目中。

軟件模擬器和軟件調試器在斷點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。沒有檢測事件和條件、然后作出反應的手段，也沒有辦法記錄MCU的總線周期、然后判斷程序的執(zhí)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(tǒng)進行調試，而不嚴重占用和消耗MCU資源。

在線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。在項目進行的某些階段，你必須讓程序在實際的硬件上面運行。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(tǒng)中的MCU,仿真其運行。 仿真器運行起來和實際的目標處理器一樣，但是增加了其它功能，使你能夠通過桌面計算機或其它調試界面來觀察MCU中的程序和數(shù)據(jù)，并控制MCU的運行。仿真器是調試嵌入式軟件的一個經(jīng)濟、有效的手段。Nohau的EMUL51XA-PC仿真器系列用來調試Philips P51XA系列MCU,而EMUL51-PC系列仿真器則支持眾多廠家的8051系列單片機。

四、內部和外部模式

內部模式是指程序和數(shù)據(jù)位于MCU芯片內部，以FLASH或EPROM的形式存在，地址和數(shù)據(jù)總線對于用戶并不可見，由此節(jié)省下來的芯片引腳作為I/O口提供給用戶。內部模式也稱單片模式，所有的程序執(zhí)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(shù)據(jù)存儲器，位于MCU外部的情況，需要有地址和數(shù)據(jù)總線來訪問這部分存儲器。外部模式也稱擴展模式，用戶芯片、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(shù)據(jù)總線引腳不能作為通用I/O口使用。Nohau的仿真器使用這三種芯片來實現(xiàn)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芯片能夠實現(xiàn)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(jié)點上，所有又稱“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有的機器周期來提供地址和數(shù)據(jù)總線，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從復用的芯片引腳中，分解出地址和數(shù)據(jù)總線以及一些必須的控制信號，用戶的目標板沒有這些電路，所有仍然是單片工作模式。采用bondout芯片和增強型Hooks芯片能夠實現(xiàn)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

軟件模擬器是很好的，可是它不能考慮進所有的變化因素。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以后才會出現(xiàn)的因素，比如電容、定時、電感、芯片版本等，隨著 CPU速度的增加，這些變得越來越重要。

目標Monitor相比之下要好得多，因為它是在實際硬件中運行的。但是為了使Monitor程序能夠運行起來，目標系統(tǒng)必須是一個完整的、能夠工作的系統(tǒng)。采用仿真器后就不是這樣，仿真器在目標系統(tǒng)硬件不完整、或者是一點硬件都沒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，隨時都可以激活，用來進行調試，所以這對于測試和維護來說還是有一定優(yōu)勢的。

七、仿真器的優(yōu)點

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：