周靈彬 方曙光 盧家橋等

摘 要:詳細(xì)介紹Proteus嵌入式系統(tǒng)仿真平臺的源碼調(diào)試技術(shù)。它融合、發(fā)展了傳統(tǒng)的源碼調(diào)試技術(shù),并從工程角度實現(xiàn)了調(diào)試過程。用實例闡述Proteus源碼調(diào)試的三種方法,著重敘述它與第三方IDE聯(lián)合仿真中的源碼調(diào)試技術(shù)和特有的條件斷點、硬件斷點調(diào)試。結(jié)果表明Proteus源碼調(diào)試技術(shù)是開發(fā)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的高效 、高速的先進(jìn)技術(shù),值得推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:Proteus仿真;源碼調(diào)試;條件斷點調(diào)試;硬件斷點調(diào)試

中圖分類號:TP368.1

0 引 言

Proteus是功能最強的嵌入式系統(tǒng)(單片機、ARM等)的設(shè)計與仿真平臺‐[1[CD*2]4]。它主要由Proteus VSM(Virtual System Model)和PCB 設(shè)計構(gòu)成。Proteus VSM的最大特色就是能對嵌入式系統(tǒng)(硬、軟件)及其外圍電路進(jìn)行協(xié)同、動態(tài)、交互式的仿真,并提供了仿真中進(jìn)行源碼調(diào)試的三種方式。

Proteus源碼調(diào)試綜合并突破了傳統(tǒng)硬件仿真器和軟件集成開發(fā)環(huán)境(Integrated Development Environment,IDE)源碼調(diào)試功能。不僅能跟蹤、分析嵌入式系統(tǒng)內(nèi)的指令執(zhí)行,觀察、改變存儲單元內(nèi)容等的調(diào)試;且從工程角度實現(xiàn)了過程與結(jié)果,硬件與軟件,全速與跟蹤,中斷與監(jiān)視,靜態(tài)與動態(tài)等的統(tǒng)一調(diào)試。豐富而靈活的調(diào)試手段,人與機的積極互動為高質(zhì)高效實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)創(chuàng)造了條件。從研發(fā)產(chǎn)品的實踐上也證明了Proteus源碼調(diào)試的高質(zhì)、高效和可信度。這里從實踐角度出發(fā)總結(jié)Proteus的三種源碼調(diào)試方式,著重講述了國內(nèi)書刊尚未詳細(xì)敘述的第三種方式,以發(fā)揮Proteus在產(chǎn)品研發(fā)和教學(xué)中的先進(jìn)作用。在此采用的是Proteus 7.5。

1 Proteus VSM源碼調(diào)試

Proteus VSM源碼調(diào)試是第一種源碼調(diào)試方式。Proteus的源碼調(diào)試由源代碼控制系統(tǒng)支持。該系統(tǒng)主要功能是編輯、匯編源碼,并保證代碼及時更新。該系統(tǒng)有源碼(源程序)編輯器、匯編器、調(diào)試數(shù)據(jù)提取器(Debug Data Extractor,DDX)和裝載器等。DDX從匯編器產(chǎn)生的文件中提取調(diào)試信息裝入裝載器。源碼調(diào)試步驟是:建源碼文件、加載到系統(tǒng),選擇微控制器及匯編器,將源碼經(jīng)匯編器匯編產(chǎn)生的目標(biāo)代碼加載到微控制器中,啟動仿真進(jìn)行源碼調(diào)試。

VSM提供了幾種匯編器,主要有51系列的ASEM51,AVR系列的AVRASM,AVRASM32,PIC系列的MPASM,MPASM32和HC11系列的ASM11等。匯編后可產(chǎn)生HEX或S19(用于MC68HC11),LST,㏒DI等調(diào)試文件。不同的微控制器選擇相應(yīng)的匯編器,系統(tǒng)自動更新DDX。設(shè)定微控制器屬性編輯框中的程序文件即加載代碼文件。啟動仿真進(jìn)行源碼調(diào)試。暫停時,在源碼調(diào)試窗口可看到調(diào)試格式┪募.SDI提供的源碼、代碼及地址,還可打開各種寄存器窗口查看各存儲單元內(nèi)容。調(diào)試中可看到電路與程序代碼協(xié)同、交互式仿真過程和結(jié)果。調(diào)試中可隨時進(jìn)行源碼修改、設(shè)置各種斷點等。圖1所示為單片機讀鍵并將值送數(shù)碼管顯示實驗的源碼調(diào)試狀態(tài)。

2 Proteus 借第三方編譯器實現(xiàn)源碼調(diào)試

這是第二種源碼調(diào)試方式。若源碼使用高級語言,就必須借用Proteus之外的第三方代碼生成工具(匯編器/編譯器)。若此時仍要用VSM的源碼調(diào)試功能,就需要匯編器/編譯器提供DDX或輸出Proteus支持的調(diào)試格式文件(帶調(diào)試信息的目標(biāo)代碼)。裝載器從這些調(diào)試文件中提取調(diào)試信息以實現(xiàn)源碼調(diào)試。

Proteus裝載器支持的調(diào)試文件格式主要有:COFF(通用的,適應(yīng)于PIC)、OMF(用于8051范圍內(nèi))、UBROF(IAR編譯器生成)、ELF/DWARF(通用的,較COFF有較好的調(diào)試性能)、COD(由BYTECRAFT生成, 廣泛應(yīng)用在PIC中)等。

使用以上格式時,首先在編譯器中設(shè)置輸出格式,如在Keil中指定OMF格式的代碼文件,如圖2所示(例:6[CD*2]164.OMF)。然后將生成的帶調(diào)試信息的代碼文件作為單片機窗口的“程序文件”。啟動仿真,則可進(jìn)行源碼調(diào)試。

3 Proteus 與第三方IDE聯(lián)合仿真實現(xiàn)源碼調(diào)試

這是第三種源碼調(diào)試方式。Proteus聯(lián)合第三方IDE,充分發(fā)揮Proteus的微控制器仿真功能和第三方IDE豐富的代碼調(diào)試功能,創(chuàng)造最佳的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境。多數(shù)專業(yè)匯編軟件和編譯器都有自己的集成開發(fā)環(huán)境IDE,如IAR的嵌入式工作臺,Keil′s μVision,Microchip′s MPLAB,Atmel′s AVR studio等。Proteus作為IDE的插入式仿真器,由IDE的調(diào)試器控制調(diào)試的執(zhí)行。這種源碼調(diào)試方法有兩種方法,如表1所示。

Proteus 通過TCP/IP協(xié)議與IDE通信。Proteus充當(dāng)虛擬在線仿真器(In Circuit Emulator,ICE)。例如KEIL與Proteus聯(lián)調(diào)。先要將Proteus提供的驅(qū)動器VDMAGDI.EXE裝在KEIL的安裝路徑下。在同臺計算機中調(diào)出KEIL與Proteus,進(jìn)行仿真與聯(lián)調(diào)。如圖3所示,左邊為KEIL窗口,可利用斷點、變量窗口等監(jiān)視程序的執(zhí)行,進(jìn)行源碼調(diào)試。右邊為Proteus窗口,在Proteus窗口可同步監(jiān)視電路的運行狀態(tài)與過程,也查看Proteus提供的CPU寄存器、內(nèi)RAM等各種存儲器窗口。

也可將IDE調(diào)試器、Proteus分別安裝在不同計算機中,利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行兩者的聯(lián)合調(diào)試。

方法二

Proteus集成在IDE(例Proton,MPLAB,Atmel AVR studio)中,作為IDE中的一個仿真與調(diào)試工具。現(xiàn)以Proteus與AVR Studio聯(lián)合仿真中的源碼調(diào)試為例較詳細(xì)地敘述該調(diào)試方法。

(1) 在Proteus的ISIS中設(shè)計電路并保存(命名為LSD.DSN);

(2) 在AVR Studio中聯(lián)合調(diào)試。

打開[XC<57t9.tif>;%125%125],新建工程,在彈出的對話框中選擇工程類型為[XC<57t10.tif>;%125%125]。 設(shè)置工程名,源文件自動與工程名相同。操作菜單Debug →Select Platform and Device,在彈出的對話框中設(shè)置調(diào)試平臺為Proteus VSM Viewer、器件為Atmegar16,如圖4所示。點擊Finish接著彈出源程序編輯窗口。寫完程序、保存并點擊匯編,生成LSD.HEX。在Proteus VSM視窗中點擊打開按鈕(若視窗未打開,操作菜單View→Toolbars→Proteus VSM),打開已有的LSD.DSN電路文件,對Atmegar16設(shè)置程序文件為LSD.HEX。點擊AVR的按鈕啟動調(diào)試,接下來按AVR中的調(diào)試方法進(jìn)行。┩5右側(cè)為AVR開發(fā)環(huán)境中的I/O視窗及CPU信息框,可查看與當(dāng)前設(shè)計相關(guān)的PORTD口的內(nèi)容。在Proteus VSM視窗中右擊還可打開各種存儲器窗口和觀察窗口。

電路與源碼協(xié)同仿真、調(diào)試[JZ)][HT5]

Proteus 除了支持一般的軟件斷點外,還有獨特的條件斷點和硬件實時斷點功能。對源碼調(diào)試提供了更靈活的手段。當(dāng)硬件條件發(fā)生時暫停仿真,與單步調(diào)試工具結(jié)合極為方便有效。尤其在電路中引入異步觸發(fā),當(dāng)需要跟蹤分析其對電路的影響時更有用。

(1) 條件斷點。如圖5中Proteus的觀察窗口中添加PORTD,并設(shè)置它的斷點條件為“On Change”。仿真時當(dāng)PORTD輸出數(shù)據(jù)發(fā)生變化就暫停仿真。

[JP2](2) 電壓探針斷點。對PORTD0引腳加一電壓探針,命名為PD0(見圖6),設(shè)置為數(shù)0值觸發(fā)。每當(dāng)PORTD0輸出低電平時,觸發(fā)斷點使仿真暫停,如圖7所示。

(3) 硬件斷點:實時斷點發(fā)生器。

實時斷點發(fā)生器有實時電壓、電流斷點觸發(fā)器RTVBREAK和RTIBREAK:當(dāng)觸發(fā)器引腳上的電壓或流經(jīng)的電流超過設(shè)定的值將觸發(fā)斷點,為上升沿觸發(fā);實時數(shù)字?jǐn)帱c觸發(fā)器RTDBREAK:當(dāng)輸入到引腳的二進(jìn)制數(shù)等于設(shè)定值時觸發(fā)斷點;實時電壓、電流監(jiān)視器RTVMON和RTIMON:當(dāng)輸入電壓或當(dāng)流經(jīng)的電流不在設(shè)定范圍內(nèi),可觸發(fā)斷點、警告或是錯誤?？蓪TVMON和RTIMON用于創(chuàng)建仿真模型,當(dāng)模型中的電壓或電流超過設(shè)定的工作極限時警告終端用戶。

如圖8對POETD0引腳添加實時數(shù)字?jǐn)帱c觸發(fā)器并設(shè)置觸發(fā)值為0,達(dá)到同上述(2)中電壓探針一樣的斷點調(diào)試效果。