嵌入式系統縮小到我們現在在單個芯片上擁有完整系統的尺寸。您在上一個項目中成功使用的許多調試技術可能無法適應新技術。您不能再依靠可靠的邏輯分析儀或在線仿真器(ICE)來公開您最新設計的所有內部工作原理。高時鐘頻率，隱藏的探測點和實時軟件只是可能破壞您的調試工作并讓您撓頭的一些問題。但是，您可以調整目標嵌入式系統的設計，以簡化調試工作。盡早參與項目并提出可簡化調試的硬件或軟件結構。您的建議可能會影響內存配置，I/O要求，處理器速度，機械布局，處理器架構和實時規范的設計。您的早期參與將確保您不會遇到笨拙的調試設置或資源太少而無法滿足您的日程安排。

例如，應用程序存儲的類型會對調試產生深遠的影響。如果目標應用程序代碼駐留在ROM中，請確?？梢蕴鎿Q等效的讀/寫內存進行調試。否則，您必須為每個程序更新創建ROM版本。此外，除非您的處理器具有片上調試功能，否則不能在基于ROM的代碼中引入斷點。許多最近的項目選擇閃存用于應用程序存儲，因為它易于更新以進行調試，并且具有簡單且可能遠程的現場修訂的額外好處。

更快的處理器，似乎是每個新項目的規范，也創建調試噩夢。當總線速度接近100 MHz時，您將失去仿真器和邏輯分析儀的實時狀態顯示功能。即使在邊緣速度區域，調試連接也可以改變電路阻抗特性，足以引入自己的錯誤。在選擇最新和最好的處理器之前，確保您的項目確實需要額外的速度。

隱藏的引腳

即使有合理的時鐘頻率，目標硬件的物理接口也會令人沮喪調試工作。封裝引腳可能會阻止探測，因為它們太精細或者隱藏在芯片下面。大規模ASIC甚至可能無法將所需的總線信號帶到外部引腳。這些情況可能會強制您創建與生產單元不匹配的離散組件調試目標。然后，您可以花費數小時追逐甚至可能不會出現在生產硬件中的錯誤。機械接口問題的另一個解決方案是購買轉換器件，將芯片引腳分配轉換為與仿真器或邏輯分析器探頭兼容的東西。這些易碎的適配器可能會為目標硬件調試預算增加1000美元。

處理器架構也會影響嵌入式系統調試。例如，完全在片上高速緩存中執行的程序循環不會出現在外部總線引腳上。是的，您可以對處理器進行編程以顯示外部總線上的所有活動，但是會丟失緩存性能增強功能。 RISC處理器存在類似的調試問題，包括用于并行指令執行的多個執行單元。如果您的軟件設計依賴于這些處理器功能才能正常運行，則無法看到所有處理器活動。

除硬件外，選擇最佳開發和操作系統軟件以節省調試時間。您最難忘的調試問題可能包括實時軟件問題。異步中斷，多處理器或多任務操作系統可以隱藏無法檢測的交互錯誤。尋找可以處理系統面臨的實時問題的調試工具和操作軟件。

您最常使用的調試軟件工具 - 主機調試器 - 為您提供目標系統代碼可見性和執行控制。主機調試器將大部分調試軟件集中在通用桌面PC上，并具有到目標的通信通道。您可以在顯示寄存器，堆棧內容和CPU狀態時啟動，停止，單步或斷點代碼。通過編譯器提供的程序信息，您可以訪問源代碼，變量名稱和位置。一個好的調試器應該能夠在幾個調試環境之間切換，例如目標監視器，ICE，指令模擬器和片上調試。調試器供應商包括Mentor Graphics，Green Hills軟件，軟件開發系統和Wind River Systems。

您的編譯器也會影響調試效率。如果編譯器優化代碼，則源文件不一定與目標代碼匹配，因為編譯器可以重新排列指令或刪除不必要的代碼。您可以關閉優化以進行調試，但您的系統性能 - 以及可能的可見錯誤 - 將會發生變化。當然，答案是編寫完美優化的代碼，以便您不需要編譯器的幫助。

線程挑戰調試

實時操作系統(RTOS)揭示了一個新的調試挑戰的世界。您調試共享重入代碼的多個程序線程。您必須能夠暫停或單步執行一個線程并讀取寄存器而不停止其他線程。但要注意，這個專長會導致其他線程的性能受到影響，因為斷點會調用處理程序來確定活動線程。異步中斷和消息傳遞也會在實時調試問題列表中排名很高。

目標硬件和軟件并不是影響調試計劃和預算的唯一因素。您的調試配置定義了所需的設備，并確定何時可以開始使用。例如，如果您懷疑目標硬件有延遲，則可能需要使用指令集模擬器開始調試。模擬器是大多數工具供應商提供的低成本選項，它們應該與您用于實際硬件調試的調試器一起使用(圖1a)。您可以單步執行并跟蹤應用程序代碼的一部分，以發現許多邏輯和靜態錯誤。大多數嵌入式應用程序都是I/O密集型的，因此您還需要外設模擬器功能。指令集模擬器的主要缺點是其模擬速度低。您可能必須修改代碼的程序時間敏感區域以使仿真工作。

許多低預算的嵌入式項目使用圖1b中所示的配置啟動調試過程。您可以在臺式PC上準備，編譯和鏈接應用程序軟件，然后使用目標代碼對EPROM或一次性可編程(OTP)設備進行編程并將其插入目標。調試包括觀察操作并重復編輯 - 編譯 - 更新循環，直到獲得所需的性能。您可以通過添加示波器或內置LED可以觀察到的僅調試輸出指令來獲得洞察力。這種調試技術可能適用于簡單的軟件項目，但它通常演變為更全面的方法之一，如邏輯分析器方法，以找到微妙的軟件錯誤。

如果您的嵌入式系統硬件可以節省I/O端口和應用程序空間，可以在代碼中添加一個簡單的目標監視器進行調試(圖1c)。您可以讀取寄存器，單步執行，并在駐留在讀/寫內存中的任何應用程序代碼中引入斷點。雖然基于主機的調試器是可選的，但它的使用將減少所需的目標應用程序空間。目標監視器通過跳轉到目標監視器來替換每個斷點或單步位置處的指令來執行運行控制。當程序執行到達斷點時，監視器將恢復斷點指令，顯示當前寄存器狀態，并等待下一個命令。目標監視器的缺點是您犧牲了系統資源，無法調試基于ROM的代碼，并且您沒有實時的程序跟蹤功能。

因為大多數嵌入式設計中缺少額外的資源，您可能需要升級到ROM仿真器來調試系統(圖1d)。 ROM仿真器用RAM替換目標ROM，并提供到主機調試器的通信路徑。此調試設置為您提供與目標監視器相同的功能，而無需在目標中使用不必要的資源。另一個優點是您可以通過通信路徑輕松更新代碼。您將有一個更短的編輯，重新編譯，下載和調試周期。 ROM仿真器適用于大多數基于ROM的設計，即使您選擇了不同的處理器，也可以在下一個項目中使用它。 Applied Microsystems的NetROM仿真器支持各種調試器，包括網絡連接(圖2)。

在ICE上放置錯誤

傳統上，ICE是軟件調試的首選工具。 ICE的成本可高達25,000美元，但它是最強大，最有效的調試工具之一。您可以獲得實時程序跟蹤以及所有標準調試器功能。 ICE探針插入目標系統并模擬處理器，ROM和RAM的功能(圖1e)。您可以在事件之前和之后指定復雜的觸發點并捕獲總線數據。由于大多數ICE供應商都包含專有調試器，因此您可能需要學習兩個系統才能在調試配置之間切換。在目標硬件可用之前，ICE還可以用作高速模擬器。 Huntsville Microsystems的SPS-1000系列仿真器支持Motorola 5xx/6xx和IBM 4xx PowerPC處理器。

盡管ICE可能是您發現微妙實時問題的門票，但該技術已經達到極限。提高處理器總線速度現在正在挑戰許多仿真器的功能。與任何其他調試工具一樣，ICE可以加載高速信號并引入與工具相關的錯誤。嵌入復雜ASIC的處理器內核的趨勢也使得ICE的使用變得不切實際。

邏輯分析儀，長期以來是硬件工程師的最愛，是其他有效的軟件調試工具(圖1f)。基本設置是將邏輯分析儀探頭連接到目標硬件的各個引腳。然后，定義一個靠近問題區域的觸發點，并在觸發前的數千個時鐘周期內捕獲總線和I/O數據。分析跟蹤地址和數據應該會導致您遇到軟件錯誤。雖然這種方法聽起來很簡單，但邏輯分析儀很難設置。較舊的邏輯分析儀要求您輸入觸發點作為絕對地址，這些分析儀不顯示源代碼信息。此外，缺少外部信號和隱藏的表面安裝引腳可能無法連接到處理器地址和數據總線。與ICE一樣，邏輯分析儀也會隨著時鐘速率的增加而面臨帶寬限制。盡管存在這些限制并且由于項目預算縮減，但發現自己坐在邏輯分析儀前調試軟件并不會感到驚訝。

即使存在ICE和邏輯分析儀的問題，儀器制造商也沒有放棄了。事實上，他們繼續推進產品功能。 ICE和邏輯分析儀開始合并。較新的邏輯分析器可以從主機下載源文件或符號表，以啟用源代碼調試。泰克TLA 720系列邏輯分析儀包括主機調試器，可以對處理器進行運行控制并下載軟件更新。

硅片上調試

增加缺乏外部探測點和更高的總線速度迫使處理器制造商開發片上調試技術。將少量寄存器和串行端口添加到處理器的芯片中可實現遠程執行控制，而無需使用任何目標內存資源或I/O(圖1g)。您可以通過串行鏈路單步執行，設置斷點，設置或讀取內存和寄存器到外部調試器。由于片上調試芯片通過硬件比較檢測地址，因此您可以在基于ROM的代碼中插入斷點。您可以在沒有其他調試技術所需的所有外部連接的情況下查看處理器。片上調試的另一個優點是，很少有目標硬件可以開始調試。如果可以為處理器供電，片上通信鏈路可能會工作。

制造商參考通過接口類型進行片上調試。摩托羅拉使用BDM(后臺調試模式)，而其他處理器廠商稱之為JTAG(聯合行動測試組)調試。雖然處理器之間的細節不同，但BDM和JTAG接口將調試引腳與通用I/O引腳復用，以最大限度地減少片上調試的影響。 IEEE 1149.1定義了JTAG接口，設計人員將其設想為復雜IC邊界掃描測試的訪問端口。到目前為止，調試軟件供應商已經成功地處理了處理器供應商之間片上調試特性的差異。但是，正在努力使串行接口標準化并指定最低功能。

嵌入式調試方法包括簡單的，有時是免費的模擬器，以及價格超過25,000美元的仿真器/調試器組合。因此，為了最有效地利用您的時間和預算，您應該在項目的早期計劃調試。您在設計階段的輸入可以簡化調試，甚至無需昂貴的測試設備。此外，您應該注意新的調試方法。處理器供應商不斷尋求新的調試技術，這些技術將通過快速時鐘速率和深度嵌入式內核證明是有效的(參見附文“下一代調試”)。你可以打賭，調試世界將繼續改變。

下一代調試

制造商已將片上調試功能集成到當今許多復雜處理器和內核的芯片中。簡單的串行接口和遠程軟件產生令人印象深刻的調試系統。但是，這些串行調試系統缺少連接在線仿真器或邏輯分析儀時的實時跟蹤功能。捕獲的程序流跟蹤是一個很好的工具，用于跟蹤錯誤的實時應用程序中的錯誤。

盡管如此，您可能沒有多久等待片上調試芯片帶來回到那些實時痕跡。最近推出的AMD的élanSC520微控制器包含一個256位緩存，可實時記錄程序分支。利用此信息和源代碼，主機調試軟件可以重建并顯示程序跟蹤(圖A)。可選的并行軟件調試接口僅在特殊的綁定部分提供，可在處理器和主機軟件之間進行更高速的命令和數據交換。

泄漏你的膽量

調試工具需要花費數百美元甚至數千美元，但設計師必須經常用很少的信息做出購買決策。是的，他們有大量的供應商文獻，廣告和白皮書，但這些信息遠非客觀。您可以提供幫助。

您對嵌入式系統調試工具的體驗和挫折可能會使其他EDN讀者免于無法安排的日程安排和浪費的項目資金。所以，繼續讓世界知道你的感受。訪問EDN針對嵌入式調試工具的新讀者評論在線存儲庫。您的意見可能會讓設計師受益，或者只是防止另一個錯誤。無論哪種方式，EDN讀者都會感謝您的意見。

要輸入您的意見，請訪問我們的嵌入式系統網頁，并點擊讀者評論鏈接。只需訪問該網站，選擇您使用的產品，然后輸入您的體驗的簡短摘要。我們將嘗試通過一些簡單的規則來保持民事。