快速嵌入式MCU設計仿真的三大因素淺析

　　調試嵌入式應用有很多種方法。設計者利用包含電路內置仿真器（in-circuit emulator，ICE）和電路內置調試器（in-circuit debugger，ICD）的調試工具可以快速構建出系統原型，幫助設計者在建立原型階段和最終測試階段查找硬件和軟件中的問(wèn)題。在調試過(guò)程中，成本和易用性是人們主要關(guān)心的問(wèn)題，相比ICE工具，設計者可能更喜歡使用仿真器來(lái)調試代碼段，因為仿真器可以直接在PC上運行，不需要映射到目標硬件上。

　　仿真器使用起來(lái)非常方便，通過(guò)它們開(kāi)發(fā)人員可以了解一款新型的MCU，或者熟悉一套新的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（integrated development environment ，IDE）工具包，而不需要接觸目標硬件。有的時(shí)候，設計者可以免費瀏覽某個(gè)供貨商的所有MCU產(chǎn)品。例如，用戶(hù)可以從官方網(wǎng)站上免費下載到 Microchip的MPLAB IDE 和 MPLAB SIM仿真器（如圖1所示）。

　　圖1 很多仿真器（例如Microchip的MPLAB SIM）都為用戶(hù)提供了快速調試應用程序所需的圖形用戶(hù)界面

　　仿真器提供了特殊調試功能

　　一般而言，仿真器運行在IDE環(huán)境下，并且具有與其他調試引擎類(lèi)似的功能。用戶(hù)在開(kāi)始使用仿真器時(shí)通常用它來(lái)開(kāi)發(fā)代碼，當硬件設計完成后，可以用硬件調試器進(jìn)行測試工作。仿真器能夠實(shí)現的基本調試功能包括：執行代碼驗證其功能是否符合設計規范;復位目標系統重新運行應用程序;在斷點(diǎn)處暫停程序執行;檢查和修改存儲內容與變量。

　　最新的仿真器具有某些硬件調試器所不具備的獨特功能，利用這一類(lèi)仿真器可以實(shí)現更多的功能。例如，可以輕松實(shí)現復雜情況下的中斷執行——這是任何ICE和ICD工具都不具備的。通過(guò)事件計數和斷點(diǎn)執行，用戶(hù)可以構造出復雜事件。利用這種復雜斷點(diǎn)，可以描述出代碼行為異常的情況，追蹤異常情況下的代碼。這種方式相比在代碼中設置簡(jiǎn)單斷點(diǎn)和跳步執行，能夠更快速地發(fā)現bug。

　　通過(guò)仿真分析代碼

　　設計者可以利用仿真器響應引腳的輸入輸出信號，模仿MCU外設部件的行為。為了實(shí)現這一功能，有些高級仿真器就提供了能夠模擬信號的復雜激勵發(fā)生器。利用這一功能，用戶(hù)可以通過(guò)向固件模塊加載輸入信號的方式來(lái)測試固件模塊，例如，可以產(chǎn)生兩個(gè)相隔50ns的中斷信號。這種模擬信號的方式是利用真正的硬件很難做到的。激勵發(fā)生器可以向器件引腳或仿真器內的寄存器發(fā)送信號。通過(guò)使用USART以I/O設備的方式或者使用寄存器日志的方式，可以將仿真器的行為記錄到一個(gè)log文件中以便于后續分析。

　　大多數仿真器支持三種激勵源。手動(dòng)觸發(fā)可以通過(guò)鼠標點(diǎn)擊、產(chǎn)生重復波形的循環(huán)式激勵，以及向引腳、寄存器或者寄存器中的某些位加載數據的連續型激勵來(lái)產(chǎn)生。這些連續型數據可以輸入對話(huà)框，或者來(lái)自于某個(gè)文件。仿真器還可以模擬外設部件，從而諸如A/D轉換器、I/O引腳、串行通信設備和定時(shí)器等設備就可以被激活。這些外設可以采用仿真波形和模擬數字信號的輸入，可以接受手工輸入來(lái)模擬中斷和傳感器讀數（如圖2所示）。

　　圖2 仿真器通常支持三種激勵源并且具有方便的定義和配置功能

　　提高代碼性能

　　大多數高級仿真器都能夠將應用程序在目標系統上的執行過(guò)程與源代碼關(guān)聯(lián)起來(lái)，使設計者能夠單步執行高級語(yǔ)言代碼，例如C代碼，即使每條C語(yǔ)句可能會(huì )生成多行機器代碼。同樣，文件寄存器中的存儲器內容也能夠與程序中使用的變量關(guān)聯(lián)起來(lái)。因此，如果某個(gè)浮點(diǎn)數跨越多個(gè)機器文件寄存器，設計者就可以在觀(guān)察點(diǎn)監測到該寄存器的內容，并以浮點(diǎn)表示形式顯示出來(lái)。

　　利用仿真器還可以?xún)?yōu)化程序例程，精確測量并調整某些關(guān)鍵代碼的執行時(shí)間。用戶(hù)可以使用仿真器的秒表功能對一段代碼的執行過(guò)程進(jìn)行計時(shí)。根據處理器的頻率，就可以對所執行的指令進(jìn)行秒表計時(shí)。

　　秒表功能不是仿真器中測量時(shí)間的唯一方式。某些應用（例如電機控制）不允許在某個(gè)斷點(diǎn)處中斷運行。在這些情況下，將程序流和寄存器讀寫(xiě)結果保存在追蹤緩沖器（trace buffer）內就是一種好的替代辦法。追蹤緩沖器在指令執行的時(shí)候將其記錄下來(lái)，并給每條指令打上一個(gè)時(shí)間戳。這樣，當捕捉到追蹤緩沖器內的事件后，就可以對其進(jìn)行計時(shí)了。例如，捕捉到了一系列中斷，那么就能夠很容易地計算出中斷之間的時(shí)間間隔，以及每個(gè)中斷執行所花的總時(shí)間。

　　仿真器可以將寄存器值的變化情況記錄到文件中，用于性能分析。利用仿真器，工程師可以觀(guān)察出某個(gè)算法對多種輸入的響應情況，從而對其進(jìn)行測試或改進(jìn)。例如，可針對多組已存數據（例如使用目標硬件從A/D轉換器結果寄存器中讀取的數據）進(jìn)行快速傅立葉變換（FFT），但是要對所希望看到的數據類(lèi)型進(jìn)行總數控制。