觀察盒子內(nèi)部：調(diào)試動(dòng)態(tài)系統(tǒng)

作者：Jean J.Labrosse， President, Micrium
翻譯：北京麥克泰軟件公司 張愛華

摘要：
　　隨著低成本的在線調(diào)試能力的增強(qiáng)，例如ARM的ICE(在線仿真器)，通過指令單步調(diào)試變得更容易，成本也比較低。這種方式可以查看和修改變量值，顯示寄存器的內(nèi)容，查看內(nèi)存塊，但通常只有在目標(biāo)系統(tǒng)停止運(yùn)行的時(shí)候才可以實(shí)現(xiàn)。然而，很多實(shí)時(shí)系統(tǒng)是不能停止的。因此，在不設(shè)置斷點(diǎn)的情況下，如何查看系統(tǒng)正在做什么？如何在不妨礙和影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的前提下，實(shí)時(shí)查看和監(jiān)測系統(tǒng)的行為？
　　當(dāng)我們試圖觀測實(shí)時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為時(shí)，傳統(tǒng)的調(diào)試技術(shù)功能很快就變得有限了。自從第一片微處理器誕生以來，用于監(jiān)控和調(diào)試動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的工具基本上沒有發(fā)生什么變化。為了解決這個(gè)問題，嵌入式工程師采用了諸如LED、測試端口、示波器、邏輯分析儀、仿真器、字符型LCD、圖形顯示等工具。事實(shí)上，上述的任何一種方式都可以從嵌入式系統(tǒng)中獲取一些正在運(yùn)行的線索，每種方式都可以提供觀察嵌入式硬件操作的觀察點(diǎn)，用以揭露系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的神秘事情。但是，其中許多技術(shù)需要額外的硬件和軟件來記錄和查看目標(biāo)系統(tǒng)發(fā)生的事情。
　　我們首先簡要評估在監(jiān)控目標(biāo)系統(tǒng)實(shí)時(shí)行為時(shí)，嵌入式工程師常用的一些技術(shù)，然后推薦一種便宜的、使用簡單，但非常強(qiáng)大的新技術(shù)。

使用LED

　　很多嵌入式系統(tǒng)都會(huì)包含一個(gè)，在某些情況下會(huì)有多個(gè)發(fā)光二極管（LED）。LED被用來顯示各種各樣的動(dòng)態(tài)信息。它們可以指示嵌入式系統(tǒng)是否在運(yùn)行，某個(gè)條件是否發(fā)生，系統(tǒng)是否發(fā)生了錯(cuò)誤，已經(jīng)運(yùn)行到了某個(gè)位置等等。LED是一種簡單、有效且比較便宜的設(shè)備，但同時(shí)它們也有局限性。首先，它們增加了成本，除非將它們進(jìn)行組合，形成條形或其它更復(fù)雜的顯示方式，否則它們不能傳遞變量的值。其次，LED顯示的數(shù)據(jù)量是有限的，并且大多以一種并不友好的方式進(jìn)行顯示。必須承認(rèn)，LED存在一些比較好的方式來指示一個(gè)系統(tǒng)正在運(yùn)行或一個(gè)特定的事件已經(jīng)發(fā)生，但在其它方面并不擅長。

使用printf()函數(shù)

　　嵌入式工程師轉(zhuǎn)向在代碼中使用printf()函數(shù)（假設(shè)采用C語言編程）來輸出對象的動(dòng)態(tài)行為。因此，printf()函數(shù)被插入到代碼中的關(guān)鍵位置來查看系統(tǒng)的行為。在調(diào)試過程中，printf()函數(shù)被到處移動(dòng)來顯示目標(biāo)應(yīng)用的不同方面，以此在系統(tǒng)開發(fā)過程中獲取信息。不難想象，過度使用printf()函數(shù)將導(dǎo)致應(yīng)用程序臃腫。通常printf()輸出會(huì)放在主機(jī)的終端輸出窗口，由于這個(gè)原因，當(dāng)數(shù)據(jù)連續(xù)獲得時(shí)，工程師需要將各種數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)地重新分類。這些數(shù)據(jù)流一般是由整型或浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到的文本值，它迫使工程師讀取每個(gè)值時(shí)，調(diào)整它的量級，理解它的重要性。大多數(shù)情況下，采用數(shù)據(jù)值曲線圖或許比文本值更恰當(dāng)。
　　由于printf()函數(shù)占用代碼量，在一些系統(tǒng)中，特別是在8位微控制器中，不能簡單地應(yīng)用這種方法。即使在代碼不受限制的情況下，printf()函數(shù)在格式化輸入時(shí)也會(huì)引起延時(shí)。當(dāng)通過串口傳遞信息時(shí)，這個(gè)延時(shí)會(huì)更長，更不用說增加到系統(tǒng)上的負(fù)載。況且新的PC機(jī)不再包含串行接口（即RS-232C），因此這個(gè)技術(shù)幾乎要銷聲匿跡了。

使用字符型LCD

　　有一些嵌入式處理器擁有額外的I/O口與字符型液晶顯示器（LCD）。這種方式相對費(fèi)用比較昂貴，且需要寫代碼來顯示我們希望得到的狀態(tài)和變量的值。這種設(shè)備可以顯示的變量數(shù)是有限的，需要一次或幾次完成所有的顯示。此外，我們還需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)用戶接口來選擇查看變量的值。很明顯，這種方式占用了嵌入式工程師開發(fā)實(shí)際產(chǎn)品精力。取決于產(chǎn)品本身的成本或其它原因，顯示可能不會(huì)作為最終產(chǎn)品的一部分。

　
 
圖1：帶有LCD可以顯示2行16個(gè)字符的嵌入式系統(tǒng)

采用圖形顯示

　　那些擁有圖形顯示設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)可以傳遞很多系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息。值、圖、圖表、柱狀圖等都可以很容易的顯示出來。然而，這種顯示手段會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)成本價(jià)格的增長，如增加電子顯示設(shè)備，實(shí)現(xiàn)顯示功能的圖形用戶接口（GUI）軟件，創(chuàng)建接口將感興趣的信息傳遞給工程師所用的時(shí)間。盡管在開發(fā)的初級階段，顯示設(shè)備可以被借用來幫助開發(fā)，事實(shí)上，很多嵌入式系統(tǒng)擁有的顯示設(shè)備，通常是將其作為用戶接口，而不是開發(fā)使用。

轉(zhuǎn)移顯示使之更加直觀

　　我們需要的是允許我們監(jiān)測目標(biāo)系統(tǒng)，而不需要負(fù)擔(dān)額外的費(fèi)用或增加設(shè)備的負(fù)載。有一種設(shè)備允許我們以圖形方式顯示我們希望從目標(biāo)系統(tǒng)獲取的任何信息，這個(gè)設(shè)備是普遍存在的且易于使用，它就是一臺PC機(jī)。
　　以上結(jié)論使得Micrium公司開發(fā)了µC/Probe。這個(gè)概念很簡單，我們可以把大部分的負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移到運(yùn)行Microsoft Windows的PC機(jī)上，而將盡量少的代碼放到目標(biāo)系統(tǒng)中。µC/Probe是一個(gè)基于Microsoft Windows的應(yīng)用程序，可以實(shí)時(shí)顯示產(chǎn)品中任何變量的值，內(nèi)存分配和I/O口的值。µC/Probe允許通過邏輯圖、數(shù)據(jù)指示器、溫度計(jì)、柱狀圖、速度圖、餅圖、LED以及其他方式來顯示變量的值。而且不需要在嵌入式產(chǎn)品中寫入任何代碼，不需要使用printf()函數(shù)，也不需要在產(chǎn)品中包含用戶接口。Micrium公司以源代碼的方式提供了一個(gè)小且簡單的樹樁（stub），在創(chuàng)建你的目標(biāo)應(yīng)用時(shí)需要包含它。在PC機(jī)端，樹樁（stub）接口使用通用的串行異步接收發(fā)送器接口（UART），通用串行接口（USB），網(wǎng)口（采用TCP/IP），調(diào)試接口（JTAG或其它的接口）或其它目標(biāo)系統(tǒng)可以使用的接口。在開發(fā)產(chǎn)品的過程中，一旦在樹樁（stub）與產(chǎn)品一起編譯連接，可以立即開始查看嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)行為。
　　µC/Probe可以用于任何編譯器和處理器（8,16,32位CPU或DSP）。事實(shí)上，任何工具鏈（編譯器、匯編器、連接器）都是適合的。如果系統(tǒng)中有RTOS，可以與RTOS結(jié)合使用。它可以用于任何RTOS。

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　　µC/Probe工作流程如下，Windows應(yīng)用程序分析由工具鏈的連接器產(chǎn)生的文件，確定目標(biāo)板上每個(gè)全局變量的名稱、類型和地址，并在符號瀏覽器中列出所有的變量。然后用戶將圖形組件（虛擬對象）拖拽到一個(gè)畫布，也就是數(shù)據(jù)屏幕中，并為每一個(gè)對象指定符號瀏覽器中的一個(gè)變量。在目標(biāo)系統(tǒng)接口允許的情況下，放在開放數(shù)據(jù)屏幕中的圖形組件關(guān)聯(lián)符號值將很快獲得更新。如果工程師需要修改目標(biāo)代碼，連接器則將改變變量的地址，µC/Probe將重新加載新的連接文件，調(diào)整數(shù)據(jù)屏幕中所有圖形組件的信息。
 
　

圖2 三個(gè)簡單步驟：拖拽一個(gè)圖形組件，挑選一個(gè)監(jiān)控的符號，點(diǎn)擊運(yùn)行，觀察圖形組件表示的符號的值

　
 
圖3 µC/Probe提供了可視對象的完整集合，包括虛擬LED，標(biāo)簽，標(biāo)準(zhǔn)尺，圖和表
　　事實(shí)上，目標(biāo)系統(tǒng)中只需要很少的代碼，就足夠響應(yīng)如“發(fā)送地址0x40102030地址開始的12個(gè)字節(jié)”這樣的要求。Windows應(yīng)用程序在收到應(yīng)答后，根據(jù)新的值更新數(shù)據(jù)屏幕中相關(guān)的組件。因?yàn)榇a位于RTOS的空閑任務(wù)中，在與RTOS一起使用時(shí)，目標(biāo)駐留代碼通常不會(huì)插入。換句話說，因?yàn)樵诳臻e任務(wù)中CPU不執(zhí)行任何操作，它不占用應(yīng)用程序的CPU周期。如果工程師希望僅僅更新某一段代碼中的變量的值，他可以將目標(biāo)駐留代碼放在那個(gè)位置。無論如何，用于與Windows應(yīng)用程序通信占用的時(shí)鐘周期的百分比，可以通過簡單地修改目標(biāo)系統(tǒng)中調(diào)用駐留代碼的頻率（和調(diào)用的位置）來滿足用戶的需求。
　　采用µC/Probe可以顯示溫度，壓強(qiáng)，濕度，過程變量，狀態(tài)變量，定時(shí)器，計(jì)算結(jié)果，邏輯輸入和輸出，最大最小值，執(zhí)行時(shí)間，堆棧使用，I/O寄存器，I/O口，表，數(shù)組，繪圖變量隨時(shí)間的變化等等。也可以顯示布爾型、整型、浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)和字符串。
　　µC/Probe允許創(chuàng)建多個(gè)數(shù)據(jù)屏幕，通過邏輯分組來顯示變量，來查看目標(biāo)的行為。如果設(shè)計(jì)一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，可以通過創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)屏幕來顯示控制器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，例如：制動(dòng)位置、電流和每分鐘最大轉(zhuǎn)數(shù)、氣缸溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間、發(fā)動(dòng)機(jī)油壓和溫度、空氣壓強(qiáng)和溫度、停止時(shí)間、燃料數(shù)量等等。

圖4：飛機(jī)駕駛艙工具例程
 
　

圖5:可以用來顯示變量當(dāng)前值的一些圖形
　　µC/Probe提供了完整的圖形的對象，包括模擬LED、標(biāo)簽、標(biāo)準(zhǔn)尺、圖、表（增強(qiáng)了控制的靈活性），當(dāng)然，LED可用來顯示布爾型變量的值，開或關(guān)。
　　標(biāo)簽用于顯示變量的值或者內(nèi)容，比如ASCII 字符串，但作為數(shù)字量則代表了一個(gè)整型或浮點(diǎn)型數(shù)?；蛘哂糜诤唵蔚仫@示一個(gè)字符串（可配置長度）。
　　標(biāo)準(zhǔn)尺允許使用模擬的標(biāo)準(zhǔn)尺或者儀表方式來顯示值數(shù)據(jù)。圖則通過兩種通用的圖格式：線圖和柱狀圖來顯示數(shù)據(jù)。線圖用于追蹤一個(gè)或幾個(gè)變量或數(shù)組變量的值隨時(shí)間的變化。柱狀圖為每個(gè)數(shù)組變量的當(dāng)前狀態(tài)提供了一個(gè)圖形化的比較。
　　表是最靈活的，并且有一個(gè)電子數(shù)據(jù)表接口，允許數(shù)據(jù)單元包含采用其它數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)（可能是目標(biāo)系統(tǒng)中變量的值）的計(jì)算公式。極大增強(qiáng)了表的擴(kuò)展性和靈活性。以枚舉類型為例，可以從整型值轉(zhuǎn)換為邏輯字符串的形式表示，因此比數(shù)值更有意義。

應(yīng)用

　　對于應(yīng)用級別的調(diào)試來講，高級調(diào)試工具，例如µC/Probe比初級的工具更合適。由實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的幾個(gè)任務(wù)組成的嵌入式系統(tǒng)，不適合采用斷點(diǎn)和LED的方式來調(diào)試。通過使用µC/Probe窗口接口，可以在一個(gè)觀察點(diǎn)獲取更廣泛的信息，更適合這種類型的調(diào)試工作。為某一個(gè)特定的模塊，如RTOS,TCP/IP協(xié)議?；騏SB協(xié)議棧等開發(fā)的數(shù)據(jù)屏幕，可以用于使用這些模塊的任何嵌入式系統(tǒng)。與模塊相對應(yīng)的數(shù)據(jù)屏幕可以用于新的工作屏幕，與圖形相關(guān)聯(lián)的變量將被重新連接，這意味著變量的地址將從運(yùn)行在新的目標(biāo)上的代碼的連接輸出文件中自動(dòng)獲取。
　　“高級調(diào)試工具在對有問題的低層代碼函數(shù)調(diào)試時(shí)缺乏洞察力”的評論也是正確的。對這種任務(wù)調(diào)試來說，斷點(diǎn)和LED是不可替代的。無論如何，µC/Probe可以作為在所有產(chǎn)品的初期開發(fā)階段使用的工具，為系統(tǒng)高級特性的缺陷，比如任務(wù)的性能，堆棧使用，或緩存使用，在早期就提供一些警告信息。