嵌入式系统设计师必备的在线ARM仿真器知识

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本文提供了一些关于在线 arm 仿真器的信息，以 及给作为嵌入式系统设计师的你带来的好处。根据 你的需要，你将在产品开发中对开发工具作出更恰 当的选择。


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仿真器和目标系统的连接很容易。大多数问题都被仿真 器公司及其代理解决了。连接需要两个步骤： 首先，需要选择适当的适配器连接方法，最好选用焊接 和插座方式。P51XA系列单片机仿真器支持PLCC插座和表 面安装两种目标连接方式。夹接适配器价格较高而且不可靠， 不推荐用户使用。 然后，仿真器上面的软件和跳线器必须正确配置，和目 标板以及软件初始化程序相匹配。这很简单，好的技术支持 应当包括这一点。Nohau的仿真器一般使用缺省设置就可以 工作。 对于P51XA系列单片机，只要在用户的目标板上焊接一 个芯片插座(PLCC或表面安装形式)、插入EMUL51XA-PC的 特性板适配器接头，在PC机或笔记本电脑上运行调试软件就 可以了。然后你就可以用随仿真提供的TIme.c测试程序对目 标系统进行测试了!

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内部模式是指程序和数据位于MCU芯片内部，以 FLASH或EPROM的形式存在，地址和数据总线对于用 户并不可见，由此节省下来的芯片引脚作为I/O口提供 给用户。内部模式也称单片模式，所有的程序执行都发 生在内部ROM中。为了有效地仿真这种芯片，要求仿 真器使用bondout或增强型Hooks芯片。 外部模式是当程序存储器，可能还有部分数据存储 器，位于MCU外部的情况，需要有地址和数据总线来 访问这部分存储器。外部模式也称扩展模式，用户芯片、 bondout芯片和增强型hooks芯片都能够产生这种工作 模式，这种情况下芯片的地址和数据总线引脚不能作为 通用I/O口使用。Nohau的仿真器使用这三种芯片来实 现有效的程序调试。

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使用仿真器后，可以实时地观察存储器和I/O口的内容， 而不仅仅是软件模拟。你可以将自己特别喜欢的外设芯片连 接到Nohau仿真器特性板的下部，然后在调试界面中访问它。 如果你了解外设的所有细节，那么可以非常精确地进行系统 模拟。 在很多情况下我们可能已经发现，好象只有在接入实际 的硬件系统后某些问题才开始出现。采用仿真器能够使你从 一开始就进入这一阶段，从而及早地发现问题、更快地完成 调试任务。 因为仿真器内部自带的RAM可以和目标系统中的ROM 互相替代，所以你在ROM目标系统中也可以简易地进行程序 代码和数据的调试和修改。 同样，当目标系统中还没有装上存储器时，你可以使用 仿真器中的仿真存储器对系统进行调试。仿真存储器的大小、 分辨率和映象地址可以由用户选择。

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软件模拟器和目标Monitor只能模拟系统运行， 然后进行性能分析，但是它们已经做得不错了;而仿 真器则更进一步，在实际硬件上面进行性能分析， 这样就增加了精度。而且，使用实际的硬件能够发 现在软件模拟中无法发现的错误。虚假中断以及其 它一些故障可能会出乎意料地消耗CPU资源，导致 严重的性能问题，而且很难发现。利用仿真器的性 能分析，这些问题很容易暴露。

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这些名词是指仿真器所使用的、用来替代目标MCU的三 种仿真处理器。只有Bondout和增强型Hooks芯片能够实现 单片调试，标准产品芯片不能。和标准产品芯片相比， bondout芯片有一些增加的引脚，连接到芯片内部硅片的电 路节点上，所有又称“超脚芯片”。P51XA系列单片机仿真器 都使用bondout芯片，EMUL51XA-PC就是很好的例子。 增强型Hooks芯片利用各种芯片引脚上面没有的机器周 期来提供地址和数据总线，一些80C51系列仿真器就是使用 增强型Hooks芯片。有趣的是，这些增强型Hooks芯片中的 一些也是标准的产品芯片。使用增强型Hooks芯片作为仿真 CPU需要一些额外的特殊功能电路来从复用的芯片引脚中， 分解出地址和数据总线以及一些必须的控制信号，用户的目 标板没有这些电路，所有仍然是单片工作模式。采用 bondout芯片和增强型Hooks芯片能够实现极为精确的仿真， 从功能一直到芯片的功耗。

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仿真器具有软件模拟器和目标Monitor的所有功能， 加上下面一些优点：

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目标Monitor内核一般需要10K的ROM和10～ 20字节的RAM以及一个空闲的通信端口。一个好 的仿真器不会使用上面任何一项。仿真器对于目标 系统应当是不可见的，也就是所谓的“全透明仿真”。

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软件模拟器和目标 Monitor提供了一种经济的调试手段，对 于很多设计来说已经足够。但是也有很多场合，需要利用仿真器 来找到程序错误。 无论在哪一种场合，仿真器都能够减少调试时 间、简化系统集成、增加可靠性、优化测试步骤，从而使其物有 所值。更常见的情况是工程师在项目的不同阶段同时使用软件模 拟器和仿真器，特别是在大的开发项目中。 软件模拟器和软件调试器在断点之外只提供了很少的几种功 能，比如显示端口内容和代码覆盖。没有检测事件和条件、然后 作出反应的手段，也没有办法记录MCU的总线周期、然后判断程 序的执行究竟发生了什么情况。如果你的MCU有片上EPROM或 FLASH存储器，并且运行在单片模式，则只有仿真器才能够对系 统进行调试，而不严重占用和消耗MCU资源。 在线仿真器可以很容易地做到这些事情，并且还能够提供很 多其它功能。仿真器是软件和硬件之间的桥梁。在项目进行的某 些阶段，你必须让程序在实际的硬件上面运行。仿真器可以很容 易地帮助你了解如何在调试阶段充分利用仿真器。

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跟踪功能以时间为线索记录所有的处理器机器 周期、以及可选的外部信号电平。跟踪功能能够记 录所有的取指操作，并且在采用流水线并行处理模 式的单片机中，如P51XA，区分在流水线中被取消 的指令以及那些成功地执行的指令。跟踪的开始通 过条件触发来实现，这样可以实现过滤功能，也就 是只有感兴趣的指令周期被记录下来，其余的被舍 弃。软件模拟器和目标Monitor没有跟踪存储器， 也不能实现Trace功能。
软件断点的实现是通过在用户目标代码中插入2字 节的TRAP(陷井)指令，将正常的程序流偏转到调试器上。 如果程序计数器碰巧落到第二个字节上，程序就会崩溃。 Nohau仿真器的硬件断点功能使用比较器，将系统总线 状态与预先设定的锁存器内容相比较，用以监测对于指 定地址的访问，而不修改任何程序存储器内容。区域断 点需要使用硬件断点来实现，但是软件断点仍然是很方 便、有用的，所以Nohau的仿真器两种断点功能都提供。 当用户的目标程序存放在ROM中时，软件断点是 不能用的，因为无法插入TRAP指令。对于ROM程序存 储器系统，只能使用硬件断点。
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引言 一、嵌入式产品的开发周期 二、为什么需要仿真器 仿真器究竟是什么? 三、仿真器究竟是什么? 四、内部和外部模式 Bondout、增强型Hooks Hooks芯片和标准产品芯片 五、Bondout、增强型Hooks芯片和标准产品芯片 六、ห้องสมุดไป่ตู้硬件工作起来 七、仿真器的优点 不使用目标系统或CPU CPU资源 1.不使用目标系统或CPU资源 2.硬件断点 跟踪功能(TRACE) 3.跟踪功能(TRACE) 4.条件触发 实时显示存储器和I/O I/O口内容 5.实时显示存储器和I/O口内容 6.硬件性能分析 7.将仿真器和目标系统相连接 八、总结

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软件模拟器是很好的，可是它不能考虑进所有的变 化因素。软件模拟器设计师必须考虑到每一件事情，特 别是那些只有在硬件搭起来以后才会出现的因素，比如 电容、定时、电感、芯片版本等，随着 CPU速度的增 加，这些变得越来越重要。 目标Monitor相比之下要好得多，因为它是在实际 硬件中运行的。但是为了使Monitor程序能够运行起来， 目标系统必须是一个完整的、能够工作的系统。采用仿 真器后就不是这样，仿真器在目标系统硬件不完整、或 者是一点硬件都没有的情况下都可以运行。然而目标 Monitor可以安装在最终产品的程序中，随时都可以激 活，用来进行调试，所以这对于测试和维护来说还是有 一定优势的。

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仿真器可以替代你的目标系统中的MCU，仿真 其运行。 仿真器运行起来和实际的目标处理器一样， 但是增加了其它功能，使你能够通过桌面计算机或 其它调试界面来观察MCU中的程序和数据，并控制 MCU的运行。仿真器是调试嵌入式软件的一个经济、 有效的手段。Nohau的EMUL51XA-PC仿真器系列 用来调试Philips P51XA系列MCU，而EMUL51PC系列仿真器则支持众多厂家的8051系列单片机。

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条件触发是非常强大、便于使用的功能，它使 你可以在某些事件发生时，进行某个预先设定的行 动，触发条件可以包括地址、数据、时钟周期和外 部信号，这些条件可以触发一个断点、启动/停止 跟踪记录、记录一个时间标记、以及很多其它由仿 真器功能所决定的行动。这种强大的工具只有在仿 真器中才能实现。Nohau仿真器的条件触发功能和 跟踪功能有机地结合在一起，具有三级时间触发， 最高级触发具有计数功能。
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典型的嵌入式微控制器开发项目的第一个阶段是用C编译器从 源程序生成目标代码，生成的目标代码将包括物理地址和一些调 试信息。目前代码可以用软件模拟器、目标Monitor或在线仿真器 来执行和调试。软件模拟器是在PC机或工作站平台上，以其 CPU(如x86)及其系统资源来模拟目标CPU(如P51XA)，并执行用 户的目标代码;而目标Monitor则是将生成的目标代码下载到用户 目标板的程序存储器中，并在下载的代码中增加一个Monitor任务 软件，用来监视和控制用户目标代码的执行，用户通过目标板上 的串行口或其它调试端口，利用桌面计算机来调试程序。 程序的调试是通过设置断点、使程序在指定的指令位置停止 运行来实现的。在程序中止的时候，检查存储器和寄存器的内容， 作为发现程序错误的线索。 程序经过调试、找到所有的错误后，修改源代码，重新编译， 以一种标准格式生成目标代码文件，比如Intel HEX。这个目标代 码将被存储在最终产品的非挥发存储器，比如EPROM或FLASH中。