ARM仿真器与嵌入式系统设计讲解

嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储 在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统， 但大多数嵌入式系统都是是由单个程序实现整个控制逻辑。
　　所谓ARM仿真器，即用于调试基于ARM内核芯片的一个硬件模块。ARM内核包括ARM7，ARM9，ARM11，Cortex-A，Cortex-M，Cortex-R等系列，而基于这些内核的芯片则更多了。那么这些仿真器选择有一个原则，用于低端嵌入式微控制器的话，用ULINK2，ULINKPpro即可，可以调试Cortex-M，Cortex-R芯片。用于高端的应用处理器ARM9，ARM11，Cortex-A的话，就需要用到DSTREAM仿真器了。
　　一、嵌入式产品的开发周期
　　典型的嵌入式微控制器开发项目的第一个阶段是用C编译器从源程序生成目标代码，生成的目标代码将包 括物理地址和一些调试信息。目前代码可以用软件模拟器、目标Monitor或在线仿真器来执行和调试。软件模拟器是在PC机或工作站平台上，以其 CPU（如x86）及其系统资源来模拟目标CPU（如P51XA），并执行用户的目标代码；而目标Monitor则是将生成的目标代码下载到用户目标板的 程序存储器中，并在下载的代码中增加一个Monitor任务软件，用来监视和控制用户目标代码的执行，用户通过目标板上的串行口或其它调试端口，利用桌面计算机来调试程序。
　　程序的调试是通过设置断点、使程序在指定的指令位置停止运行来实现的。在程序中止的时候，检查存储器和寄存器的内容，作为发现程序错误的线索。
　　程序经过调试、找到所有的错误后，修改源代码，重新编译，以一种标准格式生成目标代码文件，比如Intel HEX.这个目标代码将被存储在最终产品的非挥发存储器，比如EPROM或FLASH中。
　　二、为什么需要仿真器
　　软件模拟器和目标 Monitor提供了一种经济的调试手段，对于很多设计来说已经足够。但是也有很多场合，需要利用仿真器来找到程序错误。 无论在哪一种场合，仿真器都能够减少调试时间、简化系统集成、增加可靠性、优化测试步骤，从而使其物有所值。更常见的情况是工程师在项目的不同阶段同时使 用软件模拟器和仿真器，特别是在大的开发项目中。
　　软件模拟器和软件调试器在断点之外只提供了很少的几种功能，比如显示端口内容和代码覆盖。没有检测 事件和条件、然后作出反应的手段，也没有办法记录MCU的总线周期、然后判断程序的执行究竟发生了什么情况。如果你的MCU有片上EPROM或FLASH 存储器，并且运行在单片模式，则只有仿真器才能够对系统进行调试，而不严重占用和消耗MCU资源。
　　在线仿真器可以很容易地做到这些事情，并且还能够提供很多其它功能。仿真器是软件和硬件之间的桥梁。在项目进行的某些阶段，你必须让程序在实际的硬件上面运行。仿真器可以很容易地帮助你了解如何在调试阶段充分利用仿真器。
　　三、仿真器究竟是什么？
　　仿真器可以替代你的目标系统中的MCU，仿真其运行。 仿真器运行起来和实际的目标处理器一样，但是增加了其它功能，使你能够通过桌面计算机或其它调试界面来观察MCU中的程序和数据，并控制MCU的运行。仿 真器是调试嵌入式软件的一个经济、有效的手段。Nohau的EMUL51XA-PC仿真器系列用来调试Philips P51XA系列MCU，而EMUL51-PC系列仿真器则支持众多厂家的8051系列单片机。
　　
　　四、内部和外部模式
　　内部模式是指程序和数据位于MCU芯片内部，以FLASH或EPROM的形式存在，地址和数据总线 对于用户并不可见，由此节省下来的芯片引脚作为I/O口提供给用户。内部模式也称单片模式，所有的程序执行都发生在内部ROM中。为了有效地仿真这种芯 片，要求仿真器使用bondout或增强型Hooks芯片。
　　外部模式是当程序存储器，可能还有部分数据存储器，位于MCU外部的情况，需要有地址和数据总线来 访问这部分存储器。外部模式也称扩展模式，用户芯片、bondout芯片和增强型hooks芯片都能够产生这种工作模式，这种情况下芯片的地址和数据总线 引脚不能作为通用I/O口使用。Nohau的仿真器使用这三种芯片来实现有效的程序调试。
　　五、Bondout、增强型Hooks芯片和标准产品芯片
　　这些名词是指仿真器所使用的、用来替代目标MCU的三种仿真处理器。只有Bondout和增强型 Hooks芯片能够实现单片调试，标准产品芯片不能。和标准产品芯片相比，bondout芯片有一些增加的引脚，连接到芯片内部硅片的电路节点上，所有又 称“超脚芯片”.P51XA系列单片机仿真器都使用bondout芯片，EMUL51XA-PC就是很好的例子。
　　增强型Hooks芯片利用各种芯片引脚上面没有的机器周期来提供地址和数据总线，一些80C51系 列仿真器就是使用增强型Hooks芯片。有趣的是，这些增强型Hooks芯片中的一些也是标准的产品芯片。使用增强型Hooks芯片作为仿真CPU需要一 些额外的特殊功能电路来从复用的芯片引脚中，分解出地址和数据总线以及一些必须的控制信号，用户的目标板没有这些电路，所有仍然是单片工作模式。采用 bondout芯片和增强型Hooks芯片能够实现极为精确的仿真，从功能一直到芯片的功耗。
　　六、使硬件工作起来
　　软件模拟器是很好的，可是它不能考虑进所有的变化因素。软件模拟器设计师必须考虑到每一件事情，特别是那些只有在硬件搭起来以后才会出现的因素，比如电容、定时、电感、芯片版本等，随着 CPU速度的增加，这些变得越来越重要。
　　目标Monitor相比之下要好得多，因为它是在实际硬件中运行的。但是为了使Monitor程序 能够运行起来，目标系统必须是一个完整的、能够工作的系统。采用仿真器后就不是这样，仿真器在目标系统硬件不完整、或者是一点硬件都没有的情况下都可以运 行。然而目标Monitor可以安装在最终产品的程序中，随时都可以激活，用来进行调试，所以这对于测试和维护来说还是有一定优势的。
　　七、仿真器的优点
　　仿真器具有软件模拟器和目标Monitor的所有功能，加上下面一些优点：
　　1.不使用目标系统或CPU资源
　　目标Monitor内核一般需要10K的ROM和10~20字节的RAM以及一个空闲的通信端口。一个好的仿真器不会使用上面任何一项。仿真器对于目标系统应当是不可见的，也就是所谓的“全透明仿真”。
　　2.硬件断点
　　软件断点的实现是通过在用户目标代码中插入2字节的TRAP（陷井）指令，将正常的程序流偏转到调 试器上。如果程序计数器碰巧落到第二个字节上，程序就会崩溃。 Nohau仿真器的硬件断点功能使用比较器，将系统总线状态与预先设定的锁存器内容相比较，用以监测对于指定地址的访问，而不修改任何程序存储器内容。区 域断点需要使用硬件断点来实现，但是软件断点仍然是很方便、有用的，所以Nohau的仿真器两种断点功能都提供。
　　当用户的目标程序存放在ROM中时，软件断点是不能用的，因为无法插入TRAP指令。对于ROM程序存储器系统，只能使用硬件断点。
　　3.跟踪功能（TRACE）
　　跟踪功能以时间为线索记录所有的处理器机器周期、以及可选的外部信号电平。跟踪功能能够记录所有的 取指操作，并且在采用流水线并行处理模式的单片机中，如P51XA，区分在流水线中被取消的指令以及那些成功地执行的指令。跟踪的开始通过条件触发来实 现，这样可以实现过滤功能，也就是只有感兴趣的指令周期被记录下来，其余的被舍弃。软件模拟器和目标Monitor没有跟踪存储器，也不能实现Trace 功能。
　　4.条件触发
　　条件触发是非常强大、便于使用的功能，它使你可以在某些事件发生时，进行某个预先设定的行动，触发 条件可以包括地址、数据、时钟周期和外部信号，这些条件可以触发一个断点、启动/停止跟踪记录、记录一个时间标记、以及很多其它由仿真器功能所决定的行 动。这种强大的工具只有在仿真器中才能实现。Nohau仿真器的条件触发功能和跟踪功能有机地结合在一起，具有三级时间触发，最高级触发具有计数功能。
　　5.实时显示存储器和I/O口内容
　　使用仿真器后，可以实时地观察存储器和I/O口的内容，而不仅仅是软件模拟。你可以将自己特别喜欢的外设芯片连接到Nohau仿真器特性板的下部，然后在调试界面中访问它。如果你了解外设的所有细节，那么可以非常精确地进行系统模拟。
　　在很多情况下我们可能已经发现，好象只有在接入实际的硬件系统后某些问题才开始出现。采用仿真器能够使你从一开始就进入这一阶段，从而及早地发现问题、更快地完成调试任务。
　　因为仿真器内部自带的RAM可以和目标系统中的ROM互相替代，所以你在ROM目标系统中也可以简易地进行程序代码和数据的调试和修改。
　　同样，当目标系统中还没有装上存储器时，你可以使用仿真器中的仿真存储器对系统进行调试。仿真存储器的大小、分辨率和映象地址可以由用户选择。
　　6.硬件性能分析
　　软件模拟器和目标Monitor只能模拟系统运行，然后进行性能分析，但是它们已经做得不错了；而 仿真器则更进一步，在实际硬件上面进行性能分析，这样就增加了精度。而且，使用实际的硬件能够发现在软件模拟中无法发现的错误。虚假中断以及其它一些故障 可能会出乎意料地消耗CPU资源，导致严重的性能问题，而且很难发现。利用仿真器的性能分析，这些问题很容易暴露。
　　7.将仿真器和目标系统相连接
　　仿真器和目标系统的连接很容易。大多数问题都被仿真器公司及其代理解决了。连接需要两个步骤：
　　首先，需要选择适当的适配器连接方法，最好选用焊接和插座方式。P51XA系列单片机仿真器支持PLCC插座和表面安装两种目标连接方式。夹接适配器价格较高而且不可靠，不推荐用户使用。
　　然后，仿真器上面的软件和跳线器必须正确配置，和目标板以及软件初始化程序相匹配。这很简单，好的技术支持应当包括这一点。Nohau的仿真器一般使用缺省设置就可以工作。
　　对于P51XA系列单片机，只要在用户的目标板上焊接一个芯片插座（PLCC或表面安装形式）、插入EMUL51XA-PC的特性板适配器接头，在PC机或笔记本电脑上运行调试软件就可以了。然后你就可以用随仿真提供的TIme.c测试程序对目标系统进行测试了！
　　总结
　　本文提供了一些关于在线仿真器的信息，以及给作为嵌入式系统设计师的你带来的好处。根据你的需要，你将在产品开发中对开发工具作出更恰当的选择。相信你通过自己的努力可以得到更多的知识。