邏輯分析儀在嵌入式開發(fā)調(diào)試中的應(yīng)用

在嵌入式開發(fā)調(diào)試中，開發(fā)人員的調(diào)試手段包括斷點、觸發(fā)和跟蹤三種。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，新一代的嵌入式處理器集成度和工作頻率越來越高，芯片封裝形式也越來越趨向表貼化。在線調(diào)試器(ICD)與邏輯分析儀的組合開發(fā)調(diào)試平臺越來越多地成為廣大的新一代嵌入式處理器的開發(fā)人員實現(xiàn)上述三種調(diào)試手段的優(yōu)選。

開發(fā)人員使用斷點功能控制所調(diào)試的應(yīng)用程序的起和停。使應(yīng)用程序運行到自己想要調(diào)試的程序上。通過觀察在斷點處的應(yīng)用程序的變量以及寄存器和存儲器的值檢測所調(diào)試的應(yīng)用程序運行是否正確。斷點是開發(fā)人員經(jīng)常使用的調(diào)試手段。

斷點，顧名思義就是(應(yīng)用程序)停下來的地方。斷點按照其實現(xiàn)方法分為軟件斷點和硬件斷點。軟件斷點是靠程序指令陷阱來實現(xiàn)的。硬件斷點是靠嵌入式處理器或調(diào)試工具硬件來實現(xiàn)的。軟件斷點的實現(xiàn)方法對于不同的嵌入式處理器和不同的調(diào)試工具而言，實現(xiàn)方法都是一樣的，都是通過修改程序指令的方法實現(xiàn)的。硬件斷點的實現(xiàn)方法對于不同的嵌入式處理器和不同的調(diào)試工具而言，實現(xiàn)方法是不一樣的。有的嵌入式處理器具有片上調(diào)試邏輯，調(diào)試工具通過JTAG、BDM、OCDS、NEXUS等接口訪問控制片上調(diào)試邏輯，通過片上調(diào)試邏輯實現(xiàn)硬件斷點。這種硬件斷點的數(shù)量是有限制的。由于不同的嵌入式處理器上的調(diào)試邏輯實現(xiàn)方法不同，因而它們提供的硬件斷點的數(shù)量是不一樣的。在線調(diào)試器(ICD)就是通過訪問控制片上調(diào)試邏輯實現(xiàn)硬件斷點的。沒有片上調(diào)試邏輯的嵌入式處理器不能使用在線調(diào)試器。在線仿真器(ICE)通過基于存儲器的斷點技術(shù)實現(xiàn)硬件斷點。在線仿真器實現(xiàn)的硬件斷點的數(shù)量是沒有限制的。對于沒有片上調(diào)試邏輯的嵌入式處理器，可以考慮用在線仿真器(ICE)進行調(diào)試。

單步是斷點的一種特殊形式，它相當于在下一條指令或程序行上設(shè)置一個斷點，程序啟動運行到斷點停下來。

觸發(fā)用于捕捉所調(diào)試的應(yīng)用程序在運行中出現(xiàn)的某一特定目標狀態(tài)。這一特定的目標狀態(tài)就是通常所說的觸發(fā)條件。觸發(fā)條件通常是處理器的特定的地址、數(shù)據(jù)、控制總線以及內(nèi)部/外部信號狀態(tài)的邏輯組合。當一個觸發(fā)條件不足以描述要捕捉的目標狀態(tài)時，開發(fā)人員通常會使用觸發(fā)序列器(Sequencer)將多個觸發(fā)條件級聯(lián)起來。調(diào)試工具在觸發(fā)發(fā)生之后，要么停止所調(diào)試的應(yīng)用程序的運行，要么增加觸發(fā)記數(shù)器，要么輸出一個觸發(fā)信號，以便通知開發(fā)人員，所要捕捉的觸發(fā)條件已發(fā)生。為了便于開發(fā)人員觀察觸發(fā)發(fā)生之后應(yīng)用程序的執(zhí)行情況，調(diào)試工具通常會提供觸發(fā)滯后的功能。觸發(fā)滯后就是調(diào)試工具在發(fā)生觸發(fā)之后仍然使應(yīng)用程序結(jié)續(xù)運行一段特定的時間之后才將應(yīng)用程序停下來。

不同的調(diào)試工具對觸發(fā)功能的實現(xiàn)程度是不一樣的。在線仿真器(ICE)絕大多數(shù)都可以實現(xiàn)完型的觸發(fā)功能。在線調(diào)試器(ICD)對觸發(fā)功能的實現(xiàn)程度取決于所調(diào)試的嵌入式處理器上的片上調(diào)試邏輯。在線調(diào)試器(ICD)與邏輯分析儀組合，可以宴現(xiàn)較完整的觸發(fā)功能。

開發(fā)人員通常將觸發(fā)功能與下面要講到的跟蹤功能一起使用，來捕捉導致應(yīng)用程序中問題產(chǎn)生自原因。

跟蹤就是記錄所調(diào)試的應(yīng)用程序的執(zhí)行過程，以便開發(fā)人員分析導致應(yīng)用程序出現(xiàn)問題的原因。跟蹤的記錄方式有先進先出方式和壓棧方式。先進先出方式總是記錄應(yīng)用程序停下來之前的新運行過程。在先進先出方式下，如果跟蹤記錄緩沖填滿的話，先跟蹤的記錄就要丟棄，以便填充新的記錄。壓找方式記錄跟蹤開始到跟蹤記錄緩沖被填滿這段時間內(nèi)應(yīng)用程序的運行過程。在壓棧方式下，如果跟蹤記錄緩沖填滿的話，新的應(yīng)用程序執(zhí)行過程將不被記錄。跟蹤還可以有選擇地記錄程序的執(zhí)行過程，例如，只記錄函數(shù)入口和出口的執(zhí)行過程。當然，要進行有選擇跟蹤，開發(fā)人員必須對跟蹤功能進行設(shè)置。

不同的調(diào)試工具對跟蹤功能的實現(xiàn)方式是不一樣的。在線仿真器(ICE)由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，它可以捕獲到嵌入式處理器的總線周期，它的跟蹤記錄的小單位就是總線周期。在線仿真器(ICE)調(diào)試軟件譯碼這些總線周期，倒推出程序的執(zhí)行過程。在線調(diào)試器(ICD)因為不能捕獲嵌入式處理器的總線周期，因而決大多數(shù)沒有跟蹤功能。有些嵌入式處理器的片上調(diào)試邏輯能夠?qū)⒊绦虻膱?zhí)行過程信息壓縮之后通過特定的接口送到芯片外部，供外部的調(diào)試工具使用。這樣，在線調(diào)試器(ICD)可以通過增加跟蹤模塊捕獲這些信息的方法實現(xiàn)跟蹤功能。在線調(diào)試器(ICD)調(diào)試軟件從跟蹤模塊記錄的嵌入式處理器送出來的指令流信息，還原出應(yīng)用程序的執(zhí)行過程?；贏RM內(nèi)核的嵌入式處理器芯片上的ETM接口就是一個這樣的接口。通過這種方法實現(xiàn)的跟蹤功能的完善程度完全取決于片上調(diào)試邏輯。

由于邏輯分析儀具有超強的邏輯跟蹤分析功能，因而它可以捕獲記錄嵌入式處理器的總線周期，也可以捕獲記錄來自象ETM這樣的接口的程序執(zhí)行信息，并對這些記錄進行分析，譯碼或還原出應(yīng)用程序的執(zhí)行過程。邏輯分析儀通過觸發(fā)接口與在線調(diào)試器(ICD)協(xié)調(diào)工作，補充在線調(diào)試器(ICD)在跟蹤功能方面的不足，與在線調(diào)試器(ICD)一起為開發(fā)人員提供斷點、觸發(fā)和跟蹤三種調(diào)試手段。

下面以Lauterbach公司的TRACE32-ICD和Tektronix公司的TLA700邏輯分析儀為例，介紹如何將邏輯分析儀與在線調(diào)試器組合成開發(fā)調(diào)試平臺，為開發(fā)人員提供的斷點、觸發(fā)和跟蹤功能。

首先介紹一下Lauterbach公司的TRACE32-ICD。

TRACE32-ICD是在線調(diào)試器。它采用模塊化的設(shè)計，可以支持具有JTAG、BDM、0CDS、NEXUS等調(diào)試接口的嵌入式處理器。它可以為嵌入式處理器的開發(fā)人員提供斷點及觸發(fā)功能(利用片上調(diào)試邏輯)。TRACE32-ICD的調(diào)試器軟件運行在Windows平臺上。TRACE32-ICD通過并口、以太網(wǎng)口、USB口等形式與PC連接。TRACE32-ICD具有觸發(fā)輸入/輸出端口，通過它TRACE32-ICD與邏輯分析儀連接。TRACE32-ICD與邏輯分析儀通過該連接相互觸發(fā)，協(xié)調(diào)工作。

接下來，介紹一下Tektronix公司的TLA700邏輯分析儀。

TLA700邏輯分析儀除了具有傳統(tǒng)的邏輯分析儀的邏輯采集和分析功能之外，是它采用了開放靈活的Windows平臺架構(gòu)，具有串口、并口及以太網(wǎng)等接口。這樣一來，基于Windows平臺的嵌入式開發(fā)調(diào)試軟件就可以運行在TLA700上。嵌入式處理器的開發(fā)人員可以用TLA700搭建嵌入式開發(fā)調(diào)試平臺。另外，TLA700的HLL源碼支持功能可以直接分析采用IEEE695、OMFx86、COFF、ELF/Dwarf、ELF/Stabs和ASCII格式的可調(diào)試的應(yīng)用程序。這也為它集成在線調(diào)試器，例如，TRACE32-ICD，補充在線調(diào)試器在跟蹤功能方面的不足奠定了基礎(chǔ)。

首先，將TRACE32-ICD的調(diào)試器軟件安裝到TLA700的Windows平臺上。將TRACE32-ICD連接到TLA700的串口、并口或以太網(wǎng)口上。將TRACE32-ICD的觸發(fā)輸入/輸出端口與TLA700的觸發(fā)輸出/輸入端口連接。TRACE32-ICD的調(diào)試電纜與目標板上的JTAG、BDM、0CDS、NEXUS等接口連接，用來控制目標板上的嵌入式處理器。TLA700的邏輯探頭連接到嵌入式處理器的地址、數(shù)據(jù)和控制總線上，采集嵌入式處理器的總線周期，或者連接到片上調(diào)試邏輯的指令流信息接口(例如，ETM口)上，采集嵌入式處理器執(zhí)行的指令流信息。由TRACE32-ICD和TLA700組合成的嵌入式處理器高度平臺與目標板的連接關(guān)系，如圖1所示。

在完成了TRACE32-ICD和TLA700以及目標板之間的連接之后，開發(fā)人員就可以使用這一組合開發(fā)調(diào)試平臺了。

開發(fā)人員首先啟動TLA700，等TLA700啟動完成之后，再來啟動TRACE32-ICD調(diào)試器軟件。在TRACE32-ICD和TLA700都完成了啟動之后，TRACE32-ICD的調(diào)試界面和TLA700的邏輯跟蹤界面就會分別顯示在不同的Windows窗口中。當然，這些顯示都在TLA700自帶的彩色液晶屏上，或者在TLA700外掛的顯示器上。

開發(fā)人員開始真正的調(diào)試工作之前，還要分別對TRACE32-ICD和TLA700進行設(shè)置。當然，這些設(shè)置是在TRACE32-ICD和TLA700各自的Windows窗口中完成的。對TRACE32-ICD的設(shè)置工作主要完成對目標板上的嵌入式處理器的設(shè)備寄存器的初試化，將準備調(diào)試的應(yīng)用程序下載到目標板上的嵌入式處理器的程序存儲器空間，定義觸發(fā)輸入/輸出端口的方向。對TLA700的設(shè)置工作包括定義邏輯通道，用HLL源碼支持功能加載分析TRAC32ICD所下載的可調(diào)試格式(IEEE695、OMFx86、ELF/Dwarf、ELF/Stabs和ASCⅡ)的文件，定義觸發(fā)條件。

接下來，開發(fā)人員就可以開始調(diào)試他們的應(yīng)用程序了。

開發(fā)人員用TRACE32-ICD設(shè)置斷點調(diào)試程序，用TLA700設(shè)置觸發(fā)條件，并由TLA700完成跟蹤功能。

TRACE32-ICD和TLA700如何同步工作呢?這就要借助與TRACE32-ICD和TLA700的觸發(fā)輸入/輸出端子了。

當開發(fā)人員想要用TLA700的強大的觸發(fā)功能來捕捉產(chǎn)生某一特殊目標狀態(tài)的程序時，可以將TRACE32-ICD的觸發(fā)輸入/輸出端子定義為輸入(可以是高電平或低電平觸發(fā))，然后，將TLA700所定義的觸發(fā)條件對應(yīng)到連接TRACE32-ICD的觸發(fā)輸出端子。開發(fā)人員運行程序的時候，如果目標狀態(tài)出現(xiàn)，TLA700就會產(chǎn)生觸發(fā)信號送給TRACE32-ICD，TRACE32-ICD在收到這個觸發(fā)信號之后，它就會將開發(fā)人員所調(diào)試的應(yīng)用程序停下來。由于TLA700不停地跟蹤記錄應(yīng)用程序的執(zhí)行情況，這時候，將TLA700停下來，就可以看到產(chǎn)生觸發(fā)前后應(yīng)用程序的執(zhí)行情況。由于TLA有很深的記錄存儲，開發(fā)人員可以觀察到很詳盡的程序執(zhí)行情況。

開發(fā)人員也可以將TRACE32-ICD的觸發(fā)輸入/輸出端子定義為輸出，將該信號連接到TLA700的一個觸發(fā)輸入端子，并設(shè)置TLA700根據(jù)該信號控制跟蹤的啟動或停止。這樣就可以實現(xiàn)跟蹤與程序運行同步，使開發(fā)人員能夠跟蹤到程序在調(diào)試過程中所有的運行情況。

TRACE32-ICD和TLA700給開發(fā)人員提供了靈活的觸發(fā)設(shè)置功能，開發(fā)人員可以充分發(fā)揮聰明才智來設(shè)計復雜的觸發(fā)條件，來捕捉應(yīng)用程序中的問題。

在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試中，開發(fā)人員通常會遇到四類問題:邏輯問題、軟/硬件相互影響問題、軟件實時問題和崩潰問題。應(yīng)用程序邏輯設(shè)計或編碼錯誤或設(shè)計假設(shè)不正確都屬于邏輯錯誤。指令引起的存儲器訪問出錯，應(yīng)用程序在運行過程中出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上的特定數(shù)據(jù)格式引起的串擾假信號，這些都是軟/硬件相互影響問題。應(yīng)用程序在單步、端點的調(diào)試中都運行正常，而只有在目標系統(tǒng)全速運行的時候才會出問題，這類問題就屬于軟件實時問題。目標系統(tǒng)在運行中發(fā)生系統(tǒng)崩潰，這類問題就是崩潰問題。邏輯問題大約占開發(fā)人員遇到的所有調(diào)試問題的80%。解決這類問題，開發(fā)人員通過在應(yīng)用程序中設(shè)置斷點，檢查寄存器、存儲器、變量等的值來解決。開發(fā)人員解決邏輯問題的時間約占解決所有調(diào)試問題的總時間20%。而解決其它三類問題所用的時間要占到解決所有調(diào)試問題的總時間的80%。這三類問題只靠設(shè)置斷，點的方法，往往是比較難以解決的。由于產(chǎn)生這三類問題的原因通常都比較復雜，所以，開發(fā)人員必須通過觸發(fā)來捕捉這些問題，然后，再通過跟蹤來分析產(chǎn)生這些問題的原因。