基于Proteus的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)仿真中的源碼調(diào)試

0 引 言
??? Proteus是功能最強(qiáng)的嵌入式系統(tǒng)(單片機(jī)、ARM等)的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)。它主要由Proteus VSM(Virtual System Model)和PCB設(shè)計(jì)構(gòu)成。ProteusVSM的最大特色就是能對(duì)嵌入式系統(tǒng)(硬、軟件)及其外圍電路進(jìn)行協(xié)同、動(dòng)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 Envi-ronment，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(chǔ)單元內(nèi)容等的調(diào)試；且從工程角度實(shí)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(dòng)態(tài)等的統(tǒng)一調(diào)試。豐富而靈活的調(diào)試手段，人與機(jī)的積極互動(dòng)為高質(zhì)高效實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)創(chuàng)造了條件。從研發(fā)產(chǎn)品的實(shí)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(shí)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Pro-teus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(shí)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(dòng)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，SDI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(dòng)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(dòng)仿真進(jìn)行源碼調(diào)試。暫停時(shí)，在源碼調(diào)試窗口可看到調(diào)試格式文件．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(chǔ)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(shí)進(jìn)行源碼修改、設(shè)置各種斷點(diǎn)等。圖1所示為單片機(jī)讀鍵并將值送數(shù)碼管顯示實(shí)驗(yàn)的源碼調(diào)試狀態(tài)。

2 Proteus借第三方編譯器實(shí)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(jí)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(shí)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(shí)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BYTE-CRAFT生成，廣泛應(yīng)用在PIC 中)等。
??? 使用以上格式時(shí)，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：6-164．OMF)。然后將生成的帶調(diào)試信息的代碼文件作為單片機(jī)窗口的“程序文件”。啟動(dòng)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(shí)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(tái)，Keil's μVision，Mi-crochip's MPLAB，Atreel'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。

3．1 萬法一
??? 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(dòng)器VDMAGDL EXE裝在KEIL的安裝路徑下。在同臺(tái)計(jì)算機(jī)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(diǎn)、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(yùn)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(chǔ)器窗口。也可將IDE調(diào)試器、Proteus分別安裝在不同計(jì)算機(jī)中，利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行兩者的聯(lián)合調(diào)試。

3．2 方法二
??? Proteus集成在IDE(例Proton，MPLAB，Atmel AVR studio)中，作為IDE中的一個(gè)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?cái)⑹鲈撜{(diào)試方法。
??? (1)在Proteus的ISIS中設(shè)計(jì)電路并保存(命名為LSD．DSN)；
??? (2)在AVR Studio中聯(lián)合調(diào)試。
??? 打開新建工程，在彈出的對(duì)話框中選擇工程類型為設(shè)置工程名，源文件自動(dòng)與工程名相同。操作菜單Debug→Select Platform and De-vice，在彈出的對(duì)話框中設(shè)置調(diào)試平臺(tái)為Proteus VSMViewer、器件為Atmegar16，如圖4所示。點(diǎn)擊Finish接著彈出源程序編輯窗口。寫完程序、保存并點(diǎn)擊匯編，生成LSD．HEX。在Proteus VSM視窗中點(diǎn)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(duì)Atmegar16設(shè)置程序文件為LSD．HEX。點(diǎn)擊AVR的按鈕啟動(dòng)調(diào)試，接下來按AVR中的調(diào)試方法進(jìn)行。圖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(jì)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(chǔ)器窗口和觀察窗口。

??? Proteus除了支持一般的軟件斷點(diǎn)外，還有獨(dú)特的條件斷點(diǎn)和硬件實(shí)時(shí)斷點(diǎn)功能。對(duì)源碼調(diào)試提供了更靈活的手段。當(dāng)硬件條件發(fā)生時(shí)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(duì)電路的影響時(shí)更有用。

? (1)條件斷點(diǎn)。如圖5中Proteus的觀察窗口中添加PORTD，并設(shè)置它的斷點(diǎn)條件為“On Change”。仿真時(shí)當(dāng)PORTD輸出數(shù)據(jù)發(fā)生變化就暫停仿真。
??? (2)電壓探針斷點(diǎn)。對(duì)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(shí)，觸發(fā)斷點(diǎn)使仿真暫停，如圖7所示。

??? (3)硬件斷點(diǎn)：實(shí)時(shí)斷點(diǎn)發(fā)生器。實(shí)時(shí)斷點(diǎn)發(fā)生器有實(shí)時(shí)電壓、電流斷點(diǎn)觸發(fā)器RTVBREAK和RTI－BREAK：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(diǎn)，為上升沿觸發(fā)；實(shí)時(shí)數(shù)字?jǐn)帱c(diǎn)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(shí)觸發(fā)斷點(diǎn)；實(shí)時(shí)電壓、電流監(jiān)視器RTVMON和RTI-MON：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(diǎn)、警告或是錯(cuò)誤?？蓪TVMON和RTI-MON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(shí)警告終端用戶。
??? 如圖8對(duì)POETD0引腳添加實(shí)時(shí)數(shù)字?jǐn)帱c(diǎn)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(diǎn)調(diào)試效果。

4 結(jié)語

??? 嵌入式系統(tǒng)的Proteus仿真中源碼調(diào)試的方式有三種，源碼的編寫、匯編、動(dòng)畫式的電路仿真與源碼調(diào)試都在Proteus中完成：Proteus用第三方的匯編/編譯器對(duì)源碼匯編/編譯生成的調(diào)試格式文件進(jìn)行源碼調(diào)試；Proteus與IDE聯(lián)合進(jìn)行源碼調(diào)試。Proteus獨(dú)特的條件斷點(diǎn)、硬件斷點(diǎn)功能為仿真及源碼調(diào)試更方便、更靈活、更高效。