高級調(diào)試動態(tài)系統(tǒng)mC/Probe

　　前言

　　隨著低成本的在線調(diào)試能力的增強，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，但通常只有在目標系統(tǒng)停止運行時使用。然而，很多實時系統(tǒng)是不能停止的。因此，在不設(shè)置斷點的情況下，如何查看系統(tǒng)正在做什么？如何在不妨礙和影響系統(tǒng)動態(tài)性能的前提下，實時查看和監(jiān)測系統(tǒng)的行為？

　　當我們試圖測試實時系統(tǒng)的動態(tài)行為時，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)中獲取一些正在運行的信息，每種方式都可以提供嵌入式硬件操作的觀察點，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系統(tǒng)發(fā)生的信息。

　　下文首先簡要評估在監(jiān)控目標系統(tǒng)實時行為時，嵌入式工程師常用的一些初級技術(shù)，然后推薦一種便宜的、使用簡單，但性能強大的新調(diào)試技術(shù)。
  
　　常用的初級調(diào)試工具

　　LED

　　很多嵌入式系統(tǒng)都會包含一個，在某些情況下會有多個發(fā)光二極管(LED)。LED被用來顯示各種各樣的動態(tài)信息。它們可以指示嵌入式系統(tǒng)是否在運行，某個條件是否發(fā)生，系統(tǒng)是否發(fā)生了錯誤，已經(jīng)運行到了某個位置等等。

　　LED是一種簡單、有效且比較便宜的器件，但同時它們也有局限性。首先，它們增加了成本，除非將它們進行組合，形成條形或其它更復雜的顯示方式，否則它們不能傳遞變量值。其次，LED顯示的數(shù)據(jù)量是有限的，并且顯示方式也不夠友好。必須承認，LED具有比較好的指示方式，顯示系統(tǒng)正在運行或一個特定的事件已經(jīng)發(fā)生，但在其它方面并不擅長。

　　使用printf()函數(shù)

　　嵌入式工程師可以在代碼中使用printf()函數(shù)(假設(shè)采用C語言編程)設(shè)置斷點來獲得對象的動態(tài)行為。在調(diào)試過程中，printf()函數(shù)可以到處移動來顯示目標的應(yīng)用，以便在系統(tǒng)開發(fā)過程中獲取信息。不難想象，過度使用printf()函數(shù)將導致應(yīng)用程序臃腫。通常printf()函數(shù)會放在主機的終端輸出窗口，由于這個原因，當連續(xù)獲取數(shù)據(jù)時，工程師需要將各種數(shù)據(jù)流實時地重新分類。這些數(shù)據(jù)流一般是由整數(shù)或浮點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到的文本值，故迫使工程師讀取每個值時，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。

　　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)在格式化輸入時也會引起延時。當通過串口傳遞信息時，產(chǎn)生的延時會更長，更不用說增加了系統(tǒng)的負載。況且新的PC機不再包含串行接口RS-232C，因此這個技術(shù)幾乎要銷聲匿跡了。

　　LCD字符顯示

　　有一些嵌入式處理器使用額外的I/O口與字符型LCD。這種方式相對費用比較昂貴，且需要寫代碼來顯示希望得到的狀態(tài)和變量值。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，還需要實現(xiàn)一個用戶接口來選擇查看變量值。很明顯，這種方式占用了嵌入式工程師開發(fā)實際產(chǎn)品精力。取決于產(chǎn)品本身的成本或其它原因，顯示可能不會作為最終產(chǎn)品的一部分。

　　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)的實時信息，數(shù)值、圖、列表、柱狀圖等都很容易顯示出來。然而，這種顯示手段會導致系統(tǒng)成本的增加，如電子顯示設(shè)備和圖形用戶接口(GUI)軟件，以及創(chuàng)建接口傳遞信息所占用時間。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，而不是用于開發(fā)。
  
　　高級調(diào)試工具

　　我們需要的是監(jiān)測目標系統(tǒng)，而不必負擔額外的費用或增加設(shè)備的負載。有一種設(shè)備允許我們以圖形方式顯示從目標系統(tǒng)獲取的任何信息，它就是普遍存在的PC機。

　　以上結(jié)論使得Micrium公司開發(fā)了mC/Probe高級調(diào)試系統(tǒng)。這個概念很簡單，我們可以把大部分的負擔轉(zhuǎn)移到運行Microsoft Windows的PC機上，而將盡量少的代碼放到目標系統(tǒng)中。

　　mC/Probe是一個基于Microsoft Windows的應(yīng)用程序，可以實時顯示產(chǎn)品中任何變量值、內(nèi)存分配和I/O口值。mC/Probe通過邏輯圖、數(shù)據(jù)指示器、溫度計、柱狀圖、速度圖、餅圖、LED以及其他方式來顯示變量值。而不需要在嵌入式產(chǎn)品中寫入任何代碼，不使用printf()函數(shù)，也不必在產(chǎn)品中增加用戶接口。Micrium公司以源代碼的方式提供了一個小且簡單的stub(占位程序)，在創(chuàng)建目標應(yīng)用時需要PC機端的stub，使用通用的UART、USB、TCP/IP、JTAG接口或其它目標系統(tǒng)接口。在開發(fā)產(chǎn)品的過程中，一旦stub與產(chǎn)品一起編譯連接，即可開始查看嵌入式系統(tǒng)的實時行為。

　　mC/Probe可以用于任何編譯器和處理器(8、16、32位CPU或DSP)。事實上，任何工具鏈(編譯器、匯編器、連接器)都適用。如果系統(tǒng)中有RTOS，亦可以與RTOS結(jié)合使用。

　　mC/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，確定目標板上每個全局變量的名稱、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)拖拽到數(shù)據(jù)屏幕中的一個畫面，并為每個對象指定符號瀏覽器中的一個變量。在目標系統(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代碼，則連接器將改變變量的地址，mC/Probe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。

　　事實上，目標系統(tǒng)只需要很少的代碼，就足夠響應(yīng)如“發(fā)送0x40102030地址開始的12個字節(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。因為代碼位于RTOS的空閑任務(wù)中，在與RTOS一起使用時，目標駐留代碼通常不會插入。換句話說，因為在空閑任務(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值，他可以將目標駐留代碼放在那個位置上。結(jié)果是，與Windows應(yīng)用程序通信所占用的時鐘周期的百分比，可以通過簡單地修改目標系統(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mC/Probe可以顯示溫度、壓強、濕度、過程變量、狀態(tài)變量、定時器、計算結(jié)果、邏輯I/O、最大/最小值、執(zhí)行時間、堆棧使用、I/O寄存器、I/O口、列表、數(shù)組、繪圖變量隨時間的變化等等。也可以顯示布爾型、整數(shù)、浮點數(shù)據(jù)和字符串。

　　mC/Probe允許創(chuàng)建多個數(shù)據(jù)屏幕，通過邏輯分組來顯示變量，查看目標的行為。如果設(shè)計一個發(fā)動機控制器，可以通過創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)屏幕來顯示控制器的實時數(shù)據(jù)，例如：制動位置、電流和每分鐘最大轉(zhuǎn)數(shù)、氣缸溫度、發(fā)動機運行時間、發(fā)動機油壓和溫度、空氣壓強和溫度、停止時間、燃料數(shù)量等等。

　　mC/Probe提供了完整的圖形對象，包括模擬LED、標簽、標準尺、圖、列表，增強了控制的靈活性。

　　標簽用于顯示變量值或者內(nèi)容，如ASCII 字符串，但作為數(shù)字量則代表了一個整數(shù)或浮點數(shù)，或者用于簡單地顯示一個可配置長度的字符串。標準尺使用模擬尺或者儀表方式來顯示數(shù)據(jù)。圖形通過線圖和柱狀圖來顯示數(shù)據(jù)。列表是最靈活的，并且有一個電子數(shù)據(jù)表接口，允許包含其它數(shù)據(jù)單元的數(shù)據(jù),或者目標系統(tǒng)中變量值的計算公式。極大增強了列表的擴展性和靈活性。以枚舉類型為例，可以從整數(shù)值轉(zhuǎn)換為邏輯字符串的形式表示，因為比數(shù)值更有意義。
  
　　應(yīng)用級的調(diào)試

　　對于應(yīng)用級別的調(diào)試來講，高級調(diào)試工具，例如mC/Probe比初級的工具更合適。由實現(xiàn)相關(guān)功能的幾個任務(wù)組成的嵌入式系統(tǒng)，不適合采用斷點和LED的方式來調(diào)試。通過使用mC/Probe窗口接口，可以在一個觀察點獲取更廣泛的信息，更適合應(yīng)用級的調(diào)試工作。為某一個特定的模塊，如RTOS、TCP/IP、USB協(xié)議等開發(fā)的數(shù)據(jù)屏幕，可以用于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，這意味著變量地址將從新目標上運行的代碼連接輸出文件中自動獲取。

　　認為“高級調(diào)試工具在對有問題的底層代碼函數(shù)調(diào)試時缺乏洞察力”的評論也是正確的。對這種任務(wù)調(diào)試來說，斷點和LED是不可替代的。應(yīng)該指出，mC/Probe可以作為在所有產(chǎn)品的初期開發(fā)階段使用的工具，對于高級特性的系統(tǒng)缺陷，如任務(wù)的性能、堆棧使用、或緩存使用等，在早期就提供一些警告信息。