Отладка микроконтроллеров с помощью эмулятора ПЗУ. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Микроконтроллеры

 Комментарии к статье

Трудоемкость разработки и отладки рабочей программы электронного устройства, содержащего микропроцессор, нередко определяет стоимость его разработки в целом. В микроконтроллерах (МК), интегрировавших в себе память и некоторые периферийные устройства, это проявляется особенно сильно. Одно из средств, значительно облегчающих отладку, - описанный в [1] эмулятор ПЗУ. В предлагаемой статье описывается технология работы с ним. Возможности отладки не ограничиваются изложенными приемами. Этот процесс, как и проектирование в целом, в определенной степени - искусство: для одного и того же инструмента каждый создает "свою музыку". Мы будем благодарны читателям, которые поделятся своими оригинальными средствами и методами отладки программ МК.

Сложность и трудоемкость процесса отладки программного обеспечения МК определяется следующими факторами [2]:

• сильной взаимосвязью программной и аппаратной частей системы;
• отсутствием непосредственного доступа к внутренним ресурсам и контрольным точкам МК;
• многоразрядным характером сигналов, сложно распределенных во времени;
• непериодичностью или очень низкой частотой повторения сигналов в системе;
• большим разнообразием внешних устройств и протоколов обмена информацией с ними.

Традиционная контрольно-измерительная аппаратура (например, осциллограф) может лишь в ограниченной степени использоваться для отладки МК.

Простейший (и одновременно самый неэффективный) способ отладки - "метод проб и ошибок": загрузка программы в репрограммируемое постоянное запоминающее устройство (РПЗУ), попытка ее выполнения, обнаружение и исправление ошибок в программе и аппаратуре, стирание РПЗУ, новая загрузка программы и т. д. Процессы стирания и записи данных в микросхему РПЗУ занимают много времени, а после определенного числа циклов перепрограммирования она вообще выходит из строя. Многократные установки и извлечения микросхемы снижают надежность электрических контактов в розетке РПЗУ. Возможность получения отладочной информации о системе практически отсутствует.

В настоящее время МК чаще всего отлаживают кросс-средствами на базе персонального компьютера. Это позволяет в минимальной степени отвлекать ресурсы МК. Отлаживаемое устройство, как показано на рисунке, соединяют с компьютером через некоторое инструментальное средство, например, эмулятор ПЗУ. Такой комплекс позволяет загружать и редактировать программу, вводить в нее тестовые модули, получать определенную информацию о системе и многое другое, о чем мы расскажем ниже.

Хотя эмуляторы ПЗУ - не единственное и не самое мощное отладочное средство, они по-прежнему популярны. Их "долголетие" объясняется независимостью от типа МК (необходима только возможность работы с внешней памятью программ), работой в реальном масштабе времени, невысокой ценой и доступностью широкому кругу разработчиков аппаратуры и радиолюбителей. Технологию отладки программы с помощью эмулятора ПЗУ рассмотрим на примере МК семейства MCS-51 (8031, 8051, 80C31, 80С51. КР1816ВЕ31, КР1816ВЕ51, КР1830ВЕ31, КР1830ВЕ51 и т. п.).

Приступая к отладке, необходимо проверить работоспособность аппаратной части системы и самого МК. Для этого можно воспользоваться тестами "свободного счета" [3]. которые заключаются в переборе всех возможных кодовых комбинаций на линиях портов МК. В процессе тестирования линии портов будут устанавливаться в состояние вывода, поэтому прежде всего убедитесь по схеме отлаживаемого устройства, что они не нагружены на выходы других элементов. Временно отсоедините такие нагрузки, если они есть.

Загрузите эмулятор ПЗУ кодами команды "нет операции" (NOP) в пределах всего адресного пространства программ МК. Для MCS-51 это код 00Н. Выполняя такую "программу", МК последовательно перебирает все адреса программной памяти. Проконтролируйте осциллографом сигналы ALE, РМЕ и портов Р0, Р2. Осциллограммы на линиях портов должны соответствовать временным диаграммам двоичного счетчика с учетом мультиплексирования на Р0 младшего байта адреса и данных.

Далее проверьте порты Р1 и РЗ, загрузив в эмулятор ПЗУ тестовую программу, приведенную в табл. 1. Она выводит на линии указанных портов последовательность кодов от 00Н до 0FFH, моделируя восьмиразрядный двоичный счетчик. Если осциллограммы соответствуют требуемым, восстановите отключенные от портов нагрузки и переходите к отладке рабочей программы МК. Помните, что вы отлаживаете одновременно программную и аппаратную части системы, и не забывайте периодически контролировать осциллографом сигналы в контрольных точках. Несоответствие вида сигналов вашим представлениям о них -повод для серьезных размышлений и дополнительных проверок.

Для облегчения разработки и отладки следует придерживаться модульного принципа программирования, т. е. разделять программу МК на части по функциональному признаку. Это позволит легко перемещать отдельные модули, а при необходимости и применять их в других проектах. Модуль, в который передается управление после включения питания или сброса МК, называют главным или основным. Передавать управление на точку входа в программу следует командой перехода, а не вызовом подпрограммы, чтобы не засорять стек адресом возврата.

Во избежание непредсказуемых результатов работы программы не забывайте присвоить начальное значение каждой из переменных до ее первого использования. В некоторых случаях может потребоваться инициализация периферийного оборудования. Блок инициализации помещают в начало основного программного модуля.

Примерный вид основного программного модуля в начале отладки приведен в табл. 2. Он содержит только точку входа в программу и обработчик выхода из нее. Хотя в микроконтроллерных системах такой выход используют крайне редко, его необходимо предусмотреть для корректного завершения аварийных ситуаций. В рассматриваемом примере после завершения работы программа "зацикливается". Из этого состояния ее выведет только перезапуск системы сигналом аппаратного сброса.

В ходе отладки к основному модулю по мере готовности добавляют другие программные модули. Порядок их подключения и отладки играет важную роль. Начинать следует с драйверов устройств вывода информации (дисплея, цифроаналогового преобразователя и т. п.), поместив их вызовы в основной модуль. Затем отлаживают драйверы остальных периферийных устройств, подпрограммы обработки данных и лишь после этого проверяют совместную работу всех программных модулей. При наличии буквенно-цифрового дисплея его драйвер отлаживают в первую очередь и используют в дальнейшем для вывода отладочной информации, например, содержимого внутренней памяти данных МК. Если используется такой эмулятор ПЗУ, что находящуюся в нем информацию способны записывать и считывать как управляющий компьютер, так и отлаживаемое устройство, МК может поместить отладочные данные в свободную область памяти эмулятора ПЗУ, а управляющий компьютер считает их и выведет на свой дисплей.

Например, чтобы вывести содержимое внутреннего ОЗУ данных МК, соедините его выход сигнала записи во внешнюю память данных (WR) со входом сигнала записи эмулятора ПЗУ и используйте подпрограмму, приведенную в табл. 3. Предполагается, что объем памяти программ отлаживаемого устройства не превышает 32 Кбайт, поэтому отладочная информация, помещаемая в память эмулятора, начинается с адреса 8000Н. Содержимое регистров R0 и R1 пересылается отдельно, так как в дальнейшем они используются в подпрограмме для организации цикла. После вывода отладочной информации программу МК приостанавливают, считывают управляющим компьютером содержимое ячеек памяти эмулятора ПЗУ 8000H-807FH, выводят его на дисплей и анализируют. Аналогичным образом может быть выведено содержимое всех программно доступных регистров МК.

Приступая к отладке драйвера периферийного устройства, временно отключите от него вырабатываемые МК управляющие сигналы, чтобы избежать возможного выхода устройства из строя из-за ошибок в программе. Если процесс носит однократный характер, "зациклите" его и запрограммируйте при необходимости сигнал синхронизации осциллографа Отлаживайте драйвер, контролируя осциллографом формируемые МК сигналы. Убедившись в соответствии временных диаграмм управляющих сигналов требуемым, подключите периферийное устройство и продолжите отладку драйвера на реальной аппаратуре. В заключение удалите из программного модуля отладочные элементы и проверьте его работу в окончательном виде.

Использование общих ресурсов МК разными модулями довольно часто приводит к тому, что отлаженная программа перестает работать при добавлении еще одной подпрограммы Поэтому после отладки очередного модуля убедитесь, что все ранее отлаженные драйверы и подпрограммы продолжают работать правильно. Если в программе используются прерывания, не запрещайте их без крайней необходимости. Отлаженный модуль не следует удалять из программы, даже если он в данный момент не нужен.

При "зависании" МК пригодится следующий метод локализации ошибки: введите в программу контрольные точки, выводящие на дисплей последовательно возрастающие числа. После "зависания" на дисплее будет отображено число, соответствующее последней успешно пройденной контрольной точке. Если несколько таких точек попали в бесконечный цикл, числа на дисплее будут быстро сменяться. Для того чтобы определить, какие именно точки попали в цикл, придется искусственно замедлить смену чисел, задав при выводе каждого из них программную задержку, например, в виде холостого цикла. Если в отлаживаемой системе нет встроенного дисплея, информацию можно вывести на дисплей управляющего компьютера через свободную область памяти эмулятора ПЗУ.

Отладив все драйверы устройств, приступают к отладке прочих подпрограмм. Если какая-либо из них реализует сложный алгоритм обработки или преобразования данных, вывод на дисплей одного или нескольких промежуточных значений переменных зачастую не дает достаточной для анализа ошибок информации Преодолеть трудности и здесь поможет запись отладочной информации необходимого объема в свободную область памяти эмулятора ПЗУ.

Добившись нормальной работы всех программных модулей, можно отлаживать их совместно. Возникающие при этом трудности делятся на две группы. К первой относятся проблемы совместного использования общих ресурсов МК: арифметико-логического устройства, памяти данных, портов ввода-вывода. Вторая связана с работой микроконтроллерных устройств в реальном масштабе времени.

Системы реального времени обычно являются многопоточными. Несколько программных задач (потоков) выполняются параллельно, взаимодействуя друг с другом и используя общие ресурсы. Но в каждый момент МК в силу своей структуры решает только одну из них, поочередно переключаясь на другие с учетом приоритета. Конфликты между задачами возникают как из-за недостатка ресурсов, так и из-за дефицита времени на обработку данных. Поэтому обращайте особое внимание на ресурсы МК, используемые в программных модулях, почаще контролируйте изменение их состояния путем вывода отладочной информации. Старайтесь уменьшить число глобальных переменных, по возможности заменяя их локальными. Следите за состоянием стека. Оценивайте время выполнения критичных участков программы, проверяйте систему при различных значениях входных сигналов, возможных на практике.

С помощью эмулятора ПЗУ можно отладить и программу, предназначенную для работы во внутренней памяти МК, если временно разместить ее во внешней памяти программ. Так как при этом порты Р0 и Р2 окажутся занятыми обслуживанием внешней памяти, то, если оставшихся свободными линий ввода-вывода МК недостаточно, Р0 и Р2 заменяют портами ввода-вывода, адресуемыми как ячейки внешней памяти данных. Их подключают по стандартным схемам, применяя для увеличения числа линий вывода триггерные регистры, а числа линий ввода - элементы с тремя состояниями выходов.

Отладив систему с помощью эмулятора, удалите из нее отладочные элементы, запишите программу в ПЗУ (или во внутреннюю память программ МК) и проверьте работу устройства в окончательном виде.

Литература

1. Выдолоб Г., Кудряшов В., Самойлов В. Эмулятор ПЗУ/ОЗУ RE020. - Радио, 1997. №11, С. 30-32.
2. Зеленко Г. В., Иванников А. Д., Сыпчук П. П. Проектирование и отладка микропроцессорных систем. - М. Машиностроение. 1982.
3. Уильяме Г. Б. Отладка микропроцессорных систем: Пер. с англ. - М Энергоатомиздат. 1988

Авторы: Г.Выдолоб, В.Самойлов, г.Москва (Зеленоград)

Смотрите другие статьи раздела Микроконтроллеры.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Власть является ключевым фактором счастья в отношениях 11.03.2026

Исследования семейных и романтических отношений показывают, что длительное счастье пары зависит не только от привычных факторов, таких как доверие, уважение и преданность, но и от более тонких психологических аспектов. Современные ученые ищут закономерности, которые отличают действительно счастливые пары от остальных, чтобы понять, какие механизмы поддерживают гармонию в отношениях. Группа исследователей из Университета Мартина Лютера в Галле-Виттенберге и Бамбергского университета провела опрос среди 181 пары, которые состояли в совместных отношениях более восьми лет и прожили вместе хотя бы месяц. Участники заполняли анкету, описывая различные аспекты своих отношений, включая распределение обязанностей, эмоциональную поддержку и степень вовлеченности в совместные решения. Анализ данных показал интересный паттерн: пары, где оба партнера ощущали высокий уровень личной власти, оказывались наиболее счастливыми и удовлетворенными. В данном контексте под властью понимается способност ...>>

Защищенная колонка-повербанк Anker Soundcore Boom Go 3i 11.03.2026

Компания Anker представила новую модель линейки Soundcore - колонку Soundcore Boom Go 3i, ориентированную на активное использование на улице. Новинка отличается высокой степенью защиты: корпус соответствует стандарту IP68, что обеспечивает водо- и пыленепроницаемость, а ударопрочный дизайн выдерживает падение с высоты до одного метра. За качество звука отвечает 15-ваттный драйвер, обеспечивающий пик громкости до 92 дБ, а технология BassUp 2.0 усиливает низкие частоты, делая звучание более насыщенным. Колонка обладает автономностью до 24 часов, а LED-индикатор позволяет контролировать уровень заряда батареи. Кроме того, Soundcore Boom Go 3i может выполнять функцию павербанка: согласно внутренним тестам, устройство способно зарядить iPhone 17 с нуля до 40% за один час, что делает его полезным аксессуаром в походах и поездках. Среди функциональных особенностей модели стоит выделить технологию Auracast, которая улучшает подключение и позволяет создавать стереопару из двух колонок ...>>

Раннее воздержание от алкоголя перестраивает мозг и иммунитет 10.03.2026

Алкогольная зависимость - хроническое расстройство с компульсивным употреблением спиртного, которое влияет не только на поведение, но и на функционирование мозга и иммунной системы. Недавние исследования показали, что даже на ранних этапах воздержания организм начинает перестраиваться, открывая новые возможности для терапии зависимости. Ученые сосредоточились на пациентах, находящихся в первые недели абстиненции, и зафиксировали значительные изменения в мозговой активности. С помощью функциональной магнитно-резонансной томографии они выявили перестройку сетей нейронных связей, отвечающих за контроль импульсов и принятие решений. Эти изменения могут быть ключевыми для восстановления самоконтроля и снижения риска рецидива. Одновременно с нейронной перестройкой исследователи наблюдали колебания иммунной системы. В крови повышался уровень цитокинов - сигнальных белков, регулирующих воспалительные процессы. Эти данные свидетельствуют о существовании нейроиммунного взаимодействия, при ...>>

Случайная новость из Архива Открыта новая форма магнетизма 21.11.2023 Научный коллектив из ETH Zurich объявил о революционном открытии нового вида магнетизма. Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что искусственно созданный материал может приобретать магнитные свойства за счет механизма, ранее неизвестного. Экспериментальное обнаружение новой формы магнетизма в муаровых материалах открывает новые перспективы в понимании магнитных свойств материалов. Полученные результаты позволяют рассмотреть возможные применения этого явления в технологиях будущего и создании новых материалов с уникальными магнитными свойствами. Известная форма магнетизма, проявляющаяся, например, при приклеивании магнитов к холодильнику, называется ферромагнетизмом и возникает, когда все электроны в материале вращаются в одном направлении. Однако существуют и другие формы, такие как парамагнетизм, являющийся менее интенсивной версией и проявляющийся, когда вращение электронов направлено в случайных направлениях. В ходе нового исследования ученые из ETH Zurich исследовали магнитные свойства муаровых материалов, экспериментальных композиций, созданных путем включения двумерных листов молибдена диселенида и дисульфида вольфрама. Эти материалы обладают решетчатой структурой, способной содержать электроны. Для определения типа магнетизма в этих муаровых материалах исследователи внесли в них электроны с помощью электрического тока, увеличивая напряжение. Затем, для измерения магнетизма, они направили лазер на материал и измерили степень отражения света для разных поляризаций, что позволяет определить, вращаются ли электроны в одном направлении (свидетельствуя о ферромагнетизме) или в случайных направлениях (характеризующих парамагнетизм). Сначала материал проявлял признаки парамагнетизма, однако при добавлении большего количества электронов в решетку он внезапно и неожиданно переходил в состояние ферромагнетизма. Интересно, что этот сдвиг произошел именно тогда, когда в решетке содержалось более одного электрона на каждое место, исключая обменное взаимодействие - обычный механизм, отвечающий за ферромагнетизм. Ученые предложили альтернативный механизм: при попадании более одного электрона в узлы решетки они объединяются в частицы, известные как "дублоны", которые в конечном итоге заполняют всю решетку путем квантового туннелирования. В процессе этого электроны минимизируют свою кинетическую энергию, выравнивая свои спины и, таким образом, создавая ферромагнетизм. Такой "кинетический магнетизм" теоретически предполагался десятилетиями, но ранее не был замечен в твердых материалах.

Другие интересные новости:

▪ Новый Кубик Рубика сам научит себя собирать

▪ Самая маленькая микросхема флэш-памяти плотностью 128 Гбит

▪ Классическая музыка поможет сдать экзамен

▪ Транзисторы, работающие в 10 000 раз быстрее синапсов мозга

▪ Бетон, работающий как аккумулятор

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Цветомузыкальные установки. Подборка статей

▪ статья Отправить на свалку истории. Крылатое выражение

▪ статья Каким было первое шоссе? Подробный ответ

▪ статья Мельничный узел. Советы туристу

▪ статья Инфракрасный пульт управления для компьютера. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Растянутый узел. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026