從只有幾千字節(jié)存儲(chǔ)空間的簡(jiǎn)單 8 位控制器，到現(xiàn)在先進(jìn)的 32 位控制器，雖然微控制器經(jīng)歷了諸多演變，但是許多開(kāi)發(fā)人員仍在使用老舊的工具，拖慢了開(kāi)發(fā)周期。

設(shè)計(jì)人員若要適應(yīng)當(dāng)今快速發(fā)展且復(fù)雜多變的開(kāi)發(fā)環(huán)境，則需要確保擁有合適的工具才能應(yīng)對(duì)。他們需要嵌入式工具，以便監(jiān)視芯片并查看其軟件是否按照預(yù)期方式運(yùn)行；他們還需要可指出錯(cuò)誤或優(yōu)化代碼規(guī)模的工具，以降低其 BOM 成本。

現(xiàn)在有許多工具可以幫助他們降低整體開(kāi)發(fā)成本，加快調(diào)試過(guò)程，從而縮短上市時(shí)間。本文將介紹一些這樣的工具，然后說(shuō)明如何通過(guò)它們獲得最大收益。

利用專(zhuān)業(yè)調(diào)試器節(jié)省時(shí)間和金錢(qián)

開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)的軟件程序第一次試運(yùn)行就正常工作非常少見(jiàn)。因此軟件開(kāi)發(fā)需要調(diào)試，所以對(duì)于軟件開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，最重要的工具就是調(diào)試器。利用調(diào)試器，開(kāi)發(fā)人員可以將應(yīng)用程序加載到目標(biāo)微控制器上，逐步檢查代碼，查看存儲(chǔ)器和其他寄存器，并操縱硬件。

問(wèn)題是，許多專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)人員通常使用的調(diào)試器是其低成本開(kāi)發(fā)板所附帶的。這些調(diào)試器方便、便宜，而且在演示時(shí)表現(xiàn)完美。但是，在開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)軟件時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)以下限制：

• 斷點(diǎn)有限

• 時(shí)鐘速率降低

• 缺乏跟蹤功能

• 功能極少

換言之，有時(shí)真是一分錢(qián)一分貨：附送的簡(jiǎn)化工具集可能不是快速有效地開(kāi)發(fā)和調(diào)試軟件的最佳方式。

專(zhuān)業(yè)級(jí)調(diào)試器具有許多功能，可提高工程師的生產(chǎn)力，例如無(wú)限制的斷點(diǎn)。許多調(diào)試器只能使用微控制器的內(nèi)部比較器來(lái)設(shè)置斷點(diǎn)，而在大多數(shù)情況下只有兩個(gè)可用。在有數(shù)萬(wàn)行代碼的復(fù)雜程序中，只有兩個(gè)可用的斷點(diǎn)可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)發(fā)人員把時(shí)間浪費(fèi)斷點(diǎn)切換上，也可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)發(fā)人員錯(cuò)過(guò)軟件中的關(guān)鍵點(diǎn)，從而錯(cuò)過(guò)潛伏的漏洞。這樣一來(lái)，可能會(huì)導(dǎo)致編碼時(shí)間更長(zhǎng)，反而增加了開(kāi)發(fā)成本并影響了上市時(shí)間。

專(zhuān)業(yè)級(jí)調(diào)試器提供的算法不僅可以使用硬件斷點(diǎn)，還可以使用軟件和閃存斷點(diǎn)，為開(kāi)發(fā)人員提供了更多的靈活性，而且用來(lái)評(píng)估代碼的斷點(diǎn)數(shù)量幾無(wú)限制。

當(dāng)然專(zhuān)業(yè)級(jí)調(diào)試器不便宜。它們的價(jià)格可以輕松標(biāo)到幾百到幾千美元。但它們?yōu)殚_(kāi)發(fā)人員帶來(lái)了不可計(jì)算的投資回報(bào)，并能使用多年，無(wú)需升級(jí)或更換。選擇調(diào)試器時(shí)，開(kāi)發(fā)人員應(yīng)該問(wèn)自己幾個(gè)問(wèn)題：

• 調(diào)試器的斷點(diǎn)數(shù)是否無(wú)限制？

• 這是一款可以與幾乎所有工具鏈和微控制器配合使用的第三方調(diào)試器嗎？

• 五年后這個(gè)調(diào)試器還能使用嗎？

• 這個(gè)調(diào)試器有很好的生態(tài)系統(tǒng)嗎？

• 調(diào)試器的能力可以擴(kuò)展嗎？

因?yàn)榉仙鲜鰳?biāo)準(zhǔn)而變得非常受歡迎的一款第三方調(diào)試器是 Segger J-Link。根據(jù)開(kāi)發(fā)人員的需求，Segger J-Link 可提供不同的版本。其中包括 J-Link Base Unit、J-Link Plus、J-Link Ultra Plus 和 J-Link Trace（圖 1）。

圖 1：Segger J-Link 調(diào)試器型號(hào)比較。（來(lái)源：Segger）

使用調(diào)試器跟蹤和分支檢測(cè)來(lái)揪出潛藏的錯(cuò)誤

高級(jí)調(diào)試器（通常也是最昂貴的）配備 ETM 跟蹤連接器，可以獲得大量跟蹤數(shù)據(jù)，這是使用 JTAG 或 SWD 的標(biāo)準(zhǔn)跟蹤無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

使用高級(jí)跟蹤功能，開(kāi)發(fā)人員可以將調(diào)試器與商業(yè)工具鏈（如適用于 ARM 的 Keil MDK-PRO）連用，來(lái)監(jiān)視系統(tǒng)中的每一行代碼在測(cè)試期間是否得到執(zhí)行。如下例所示，針對(duì) ARM 的 Keil MDK-PRO 與跟蹤調(diào)試器一并運(yùn)行，檢測(cè)到了那些代碼行在測(cè)試期間得到執(zhí)行（圖 2）。這種跟蹤對(duì)于需要 100％ 測(cè)試覆蓋的安全關(guān)鍵型系統(tǒng)非常有用。在未測(cè)試代碼之處，可能會(huì)潛藏錯(cuò)誤并在以后導(dǎo)致問(wèn)題。

圖 2：在調(diào)試模式下運(yùn)行并對(duì)軟件執(zhí)行分支分析的用于 ARM 的 Keil MDK-PRO。左側(cè)的綠色塊表示在測(cè)試期間得到執(zhí)行的代碼行。（圖片來(lái)源：Keil）

如果開(kāi)發(fā)人員不想購(gòu)買(mǎi)成熟的跟蹤工具，則可以使用 SWD 進(jìn)行跟蹤。在這種情況下，開(kāi)發(fā)人員可以選擇使用如 Segger 的 SystemView 或 Percepio 的 Tracelyzer 之類(lèi)軟件工具將跟蹤信息流傳輸?shù)皆?PC 上執(zhí)行的應(yīng)用程序。這些跟蹤系統(tǒng)通常在 RTOS 中工作，并且需要幾行代碼來(lái)設(shè)置跟蹤任務(wù)、捕獲數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到調(diào)試器，然后再發(fā)送到 PC 上。

顯示軟件跟蹤的輸出示例（圖 3）。開(kāi)發(fā)人員可以使用這些工具來(lái)檢測(cè)諸如優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)換、死鎖、線程饑餓以及許多在復(fù)雜系統(tǒng)中可能遇到的其他問(wèn)題。每個(gè)任務(wù)都有一條生命線，顯示其何時(shí)就緒、何時(shí)執(zhí)行、何時(shí)完成，以及在此期間可能發(fā)生的任何事件，例如發(fā)出和接收信號(hào)。

專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)人員需要這樣的細(xì)節(jié)，同樣地，也要求他們使用的調(diào)試工具能夠檢索這類(lèi)信息。

圖 3：使用如 Percepio 的 Tracealyzer 之類(lèi)工具檢查軟件操作，并查看執(zhí)行時(shí)間和時(shí)間長(zhǎng)短。（圖片來(lái)源：Digi-Key）

最大限度利用調(diào)試器的技巧與竅門(mén)

調(diào)試工具有很多功能，但有時(shí)可能受限于為應(yīng)用選擇的微控制器。開(kāi)發(fā)人員需要了解其調(diào)試器的功能，并要將其與微控制器正確配對(duì)?，F(xiàn)今的許多調(diào)試器都可與 ARM? Cortex?-M 微控制器配合使用，開(kāi)發(fā)人員在調(diào)試這些系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：

• 避免通過(guò) UART 進(jìn)行 printf。而應(yīng)使用 ITM 端口來(lái)獲得更好的性能

• 不要逐條查看代碼，使用高級(jí)斷點(diǎn)來(lái)提高調(diào)試效率

• 選擇一個(gè)通過(guò)服務(wù)器控制的調(diào)試器，以便為多個(gè)應(yīng)用提供調(diào)試數(shù)據(jù)，即自定義分析儀、跟蹤、調(diào)試環(huán)境等等。

• 調(diào)整調(diào)試器使用的默認(rèn)時(shí)鐘速率，因該速率通常比最大值慢得多

• 在開(kāi)發(fā)周期的早期階段設(shè)置跟蹤，以建立比較基準(zhǔn)

• 使 SWO 能夠從系統(tǒng)獲取更多信息

• 在硬件、軟件和閃存斷點(diǎn)之間進(jìn)行選擇性選擇，以最小化實(shí)時(shí)性能影響

使用這些技巧可以幫助開(kāi)發(fā)人員從調(diào)試器及其調(diào)試會(huì)話(huà)中獲取更多信息。

使用商業(yè)編譯器降低成本

GCC 是一款極受歡迎且大獲成功的編譯器。它與商業(yè)工具相比有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是免費(fèi)！免費(fèi)并不意味著編譯器的質(zhì)量和輸出將產(chǎn)生與商業(yè)工具同等的可執(zhí)行代碼。事實(shí)上，在許多情況下，將 GCC 與商業(yè)編譯器（如用于 ARM 的 Keil MDK-PRO 或 IAR Embedded Workbench）進(jìn)行比較，得出的結(jié)果是，GCC 使用的代碼規(guī)模更大，占用的 RAM 空間更多。Renesas 甚至在他們的 Synergy 平臺(tái)規(guī)格書(shū)中顯示了這一點(diǎn)（圖 4）。

在圖中，Renesas 使用 EEMBC CoreMark? 對(duì)其編譯器進(jìn)行了基準(zhǔn)測(cè)試，顯示了 IAR 編譯的代碼比 GCC 編譯的代碼更快。

基準(zhǔn)測(cè)試還顯示，使用商業(yè)級(jí)編譯器可以顯著減少代碼規(guī)模。乍一看，開(kāi)發(fā)人員可能會(huì)認(rèn)為購(gòu)買(mǎi)諸如用于 ARM 的 Keil MDK-PRO 之類(lèi)工具不值得投資，而應(yīng)該使用 GCC。但是，當(dāng)開(kāi)發(fā)人員使用包含 128 KB 代碼空間的微控制器（如 NXP MK20DX128）并發(fā)現(xiàn)使用 GCC 應(yīng)用程序需要 132 KB 時(shí)，會(huì)發(fā)生什么？

若發(fā)生這種情況，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)就被迫要尋找一個(gè)具有足夠內(nèi)存但卻更為昂貴的引腳兼容器件，如 NXP MKD20DX256。如果該公司只能生產(chǎn)適量的產(chǎn)品，那么每年花在 MCU 上的成本可能會(huì)超過(guò)最初投資于商業(yè)編譯器上的成本。

使用商業(yè)編譯器也有其他優(yōu)勢(shì)，有助于降低成本，例如：

• 代碼分析功能，如分支檢測(cè)

• 軟件復(fù)雜性測(cè)量

• 高效生成代碼

• 卓越的調(diào)試工具和功能

• 技術(shù)支持

• 集成到驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)和框架

結(jié)論

開(kāi)發(fā)人員當(dāng)然可以使用免費(fèi)或便宜的開(kāi)發(fā)工具。然而問(wèn)題在于，這些低成本工具在大多數(shù)情況下并非是適合這種工作的最佳工具。它們往往缺乏每個(gè)開(kāi)發(fā)人員所需的高級(jí)功能，不能節(jié)省時(shí)間和金錢(qián)，而且常常會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目延遲并增加成本。

購(gòu)買(mǎi)好的專(zhuān)業(yè)調(diào)試器和工具鏈?zhǔn)且豁?xiàng)投資，可以在未來(lái)幾年節(jié)省大量時(shí)間和金錢(qián)，并大幅提高開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的工作效率和績(jī)效。