（计算机应用技术专业论文）一种软件逻辑分析仪simla的研究与实现.pdf

t u 予科技人学颂i ：学位沦文：一种软件逻辑分析仪s i m l a 的磅f 宄崎实现 摘要 伴随着信息家电、网络产品、手持设备、无线设备等的迅速发展，嵌入式系 统的应用开发已经成为了计算机工业最热门的领域之一。但是由于嵌入式系统的 软件与目标硬件紧密相关，硬件平台和嵌入式应用的复杂性不断提高，导致软件 丌发周期长，丌发成本昂贵，软件质量无法保障。其中，测试占用了大部分的开 发时间，而测试工具的优劣是一个关键因素，如何研制显著缩短测试时间的测试 工具一直是个难题。嵌入式仿真开发由于不需要实际硬件支持而得到越来越多的 应用，其目标硬件环境用软件模拟实现。利用这个特性，可以为嵌入式仿真开发 构造满足嵌入式系统测试需要的测试工具( 以下简称“嵌入式仿真测试工具”) 。 本文正是基于这个目标，从嵌入式系统对测试工具的需求出发，进行了深入的理 论研究和实践探索，取得了一定的研究成果。 本文首先论述了嵌入式系统的现状，分析了嵌入式系统的交叉开发和仿真开 发这两种开发方式，并比较其优缺点。指出仿真开发的价值所在。简述了嵌入式 仿真开发平台i a s d p 的功能和结构组成。 然后深入的分析和研究了嵌入式系统的测试技术理论。详细分析了典型的嵌 入式测试工具的优缺点。论述了嵌入式系统对测试工具的真正需求。基于这个需 求，提出了嵌入式仿真测试工具设计目标和基本实现思路。 接着对逻辑分析仪的功能和实现原理做了大量深入的研究和总结，理清了嵌 入式仿真测试工具的实现思路。 在上述研究的基础上，设计并实现了一种嵌入式仿真测试工具一软件逻辑分 析仪s i m l a 。详细的论述了s i m l a 的总体设计框架、采集代理l a a g e n t 的设计 与实现、前端s i m l a g u i 的设计与实现。介绍了主要数据结构、主要算法及函 数流程。 最后以一个测试空调控制板的控制程序的例子，测试验证s i m l a 的实现情 况。总结s i m l a 的不足之处，对其下步开发提出了一些设想。 关键词：嵌入式系统，仿真开发平台， 嵌入式仿真测试工具，软件逻辑分析仪 十u 予科技人学颂i ：学位沦文：一种软件逻辑分析仪s i m l a 的阳f 宄崎实现 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o na p pl a n c e ，n e t w o r kp r o d u c t ，h a n d l e d d e v i c ea n dw i r e l e s sd e v i c e ，t h ed e v e l o p m e n to f e m b e d d e d a p p l i c a t i o n h a sb e c o m eo n e o ft h em o s tp o p u l a rd o m a i ni nc o m p u t e ri n d u s t r y h o w e v e ls i n c e t h ee m b e d d e d s o f t w a r ei st i g h t l yc o n n e c t e dw i t ht h et a r g e th a r d w a r ea n dt h ec o m p l e x i t yo f h a r d w a r e p l a t f o r m a n de m b e d d e da p p l i c a t i o ni s b e c o m i n gh i g h e rc o n t i n u a l l y , t h e s o f t w a r e d e v e l o p m e n tc y c l ei sl o n g ，t h ed e v e l o p m e n t c o s ti se x p e n s i v ea n dt h es o f t w a r eq u a l i t y i sn o tg u a r a n t e e d t h et e s t i n gw o r kt a k eu pm o s to ft h ed e v e l o p m e n tc y c l ea n dt h e p o w e r o ft h et e s t i n gt o o li sak e yf a c t o r i ti sad i f f i c u l tp r o b l e mt od e v e l o pat e s t i n g t o o lw h i c hc a ns h o a e nt h et e s t i n gt i m ee v i d e n t l y s i n c ei td o n tn e e dt h es u p p l yo f r e a lh a r d w a r e t h ee m b e d d e ds i m u l m i o nd e v e l o p m e n ti su s e dm o r ea n dm o r e i nt h e e m b e d d e ds i m u l a t i o n d e v e l o p m e n t ，t h e h a r d w a r ee n v i r o n m e n ti ss i m u l a t e d b y s o f t w a r e b ym a k e u s eo ft h i sc h a r a c t e r i s t i c ，w ec a l ld e v e l o pt h et e s t i n gt o o lw h i c h m e e tt h en e e do fe m b e d d e dt e s tf o re m b e d d e ds i m u l a t i o nd e v e l o p m e n t ( h e r e i n a f t e r , i t i sc n l e de m b e d d e ds i m u l a t i o nt e s t i n gt o o lf o rs h o r t ) t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt os h o wt h er e s e a r c ha n dp r a c t i c eo nt h i ss u b j e c t ，a n d h a sa c h i e v e ds e v e r n lu s e f u lr e s u l t s 、 t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c et h ee m b e d d e ds y s t e m ，a n a l y z ea n dc o m p a r et h et w o d e v e l o p m e n tt e c h n i q u e ：c r o s sd e v e l o p m e n t a n ds i m u l a t i o nd e v e l o p m e n t , p o i n to u tt h e v a l u eo fs i m u l a t i o nd e v e l o p m e n t o u t l i n et h ef u n c t i o na n da r c h i t e c t u r eo ft h ei a s d r a ne m b e d d e ds i m u l a t i o nd e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h i sp a p e ri n v e s t i g a t et h et h e o r yo fe m b e d d e ds y s t e m t e s t ，p o i n t so u t t h ed e m a n d o ft h ee m b e d d e ds y s t e mt e s tf o rt h et e s tt 0 0 1 a n da n a l y z et h ef u n c t i o na n dt h e r e a l i z a t i o np r i n c i p t e so f l o g i ca n a l y z e r b a s e do nt h ea n a l y s i sa b o v e t h i sp a p e r b r i n g so u t t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t o f t h ee m b e d d e d s i m u l a t i o nt e s t i n gt o o l ，s o f t w a r el o g i ca n a l y z e r s i m l a i n t r o d u c e sa n da n a l y s e st h ed e s i g na n d i m p l e m e n to fl a a g e n ta n ds i m l a g u ia n d t h em a i nd a t as t r u c t u r e ，i m p o r t a n tm e t h o d ，f u n c t i o n p r o c e s so fe v e r ys u b m o d u l e a tl a s t ，t h i sp a p e rs h o w s a r te x a m p l ef o rt e s ta n dv e r i f i c a t i o no f t h e s h n l a k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，s i m u l a t i o nd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，e m b e d d e ds i m u l a t i o n t e s t i n gt o o l ，s o f t w a r el o g i ca n a l y z e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的资料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 2 p 苹年。月钼 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行查阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 导师警逻丝 日期：年月 也于科投犬学颂 j 学位沦文：一种软件逻辑分析仪s i m l a 的研究与实观 1 1 课题背景 第一章绪论 伴随着信息家电、手持设备、无线设备等的迅速发展，电子产品升级换代快， 竞争激烈。掌握缩短产品开发周期、降低成本和提高质量的核心技术并形成自主 知识产权的平台产品是取得竞争胜利的关键。嵌入式系统作为这些电子产品的核 心部件正发挥着越来越大的作用。它具有嵌入式系统的所有特点：威力强大、应 用多样、资源有限、功能专用、成本敏感、更新迅速等。由于硬件价格的大幅度 降低，嵌入式软件的成本就成为制约嵌入式产品价格的决定性因素，嵌入式软件 的开发就成为一个十分重要的问题。因此，嵌入式系统开发平台技术的研发对电 子产品产业的发展至关重要。 传统的嵌入式交叉开发方式已经不适合目前的越来越短的产品开发周期要 求。嵌入式仿真开发克服了交叉开发的缺点，正越来越多的被采用。 本课题来自广东省十五科技攻关项目“信息家电嵌入式软件仿真开发平台” 科研项目。本人主要研究和实现仿真开发平台中的仿真测试工具。 信息家电嵌入式软件仿真开发平台是为提高智能家电控制器丌发效率而研 制的计算机仿真开发工具系统，目标是在不用控制器硬件及其外部设备的条件 下，在w i n d o w s 台式机上对智能家电的控制软件开发提供全过程支持，从而实 现产品的软硬件并行开发、协同验证，达到加快产品上市时间、降低开发成本， 减少开发风险等。 嵌入式测试技术是开发嵌入式应用的关键技术，嵌入式测试工具是嵌入式应 用开发环境的重要组成部分，但测试技术在国内的研究比较少( 国内的刊物在该 方面几乎是空白) ，并且层次也很低，因此深入的研究嵌入式测试技术是非常有 意义的事情。 测试工具对软件的测试有着极其重要的辅助作用，可显著加速软件产品的开 发时间，所以，研究和实现一种适合于嵌入式仿真开发的测试工具有着重要的意 义。在这个领域，有许多技术难题等待软件程序员去研究和解决。 1 2 研究内容 本文对嵌入式系统仿真测试工具的研制进行了深入的研究和实践，深入的分 一一! 生三型茎盔兰尘土兰竺垦兰：二塑竺堂望塑坌塑垡! ! 竺! 垒竺型窒竺壅些 析了嵌入式仿真丌发技术中对测试工具的要求，在总结当盼典型的嵌入式测试技 术和测试工具基础上，对逻辑分析仪的功能和原理进行了大量的深入的分析和研 究，设计实现了一种软件逻辑分析仪s i m l a ，为嵌入式仿真开发提供测试工具 支持。 论文的主要内容包括： 1 、嵌入式丌发技术的分析和比较：分析和比较了嵌入式交叉开发和仿真开 发的优点和缺点。 2 、嵌入式测试技术的学习和研究：通过大量阅读相关文献，阐述了软件测 试的基本概念和嵌入式测试的特定特点；分析和研究了当前典型的嵌入式测试理 沦和测试工具，并分析比较了它们的优点和缺点。 3 、逻辑分析仪的功能和实现原理：深入的分析和研究了逻辑分析仪的功能 和实现原理技术，并对其实现技术进行了比较和总结。 4 、软件逻辑分析仪s i m l a 的设计与实现：设计实现s i m l a 的体系结构， 设计和实现采集代理l a a g e n t 和逻辑分析仪前端s i m l a g u 。 1 3 论文章节安排 第一章简要介绍本课题的一些背景情况。 第二章对嵌入式系统及嵌入式开发技术进行了简单的阐述。 第三章比较深入的分析了嵌入式系统典型的测试技术和相应的测试工具， 并对其优缺点进行了较为详细的比较。 第四章深入的分析和研究了逻辑分析仪的功能和实现原理 第五章设计和实现了软件逻辑分析仪s i m l a 第六章澄明了s i m l a 的实现情况，并对s i m l a 进行测试验证。 第七章全文内容总结，讨论了本课题的成功与不足之处，指出下一步的改 进方向。 2 i 也了科技人学坝卜学位论文：一种软件逻辑分析仪s i m l a 的 0 u u - j 实现 第二章嵌入式系统及其开发技术 2 1 嵌入式系统概述 2 1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统定义比较多，常用的定义为： ( 1 ) 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适 用于对系统功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 ( 2 ) 嵌入式系统是计算机的一种应用形式，通常指埋藏在宿主设备中的微处理 机系统，此类计算机一般不被设备使用者在意，亦称埋藏式计算机，典型机种如 微控制器、微处理器和d s p 等。内藏这种计算机的系统威力大、反应速度快、 自动化程度高，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。用户不需知道 装置内计算机的存在，一般不能被用户编程，它有一些专用的i o 设备，对用户 的接口是应用专用的。 2 1 2 嵌入式系统的发展历程 在当前的数字信息技术和网络技术高速发展的后p c 时代，嵌入式系统已经 广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术、娱乐 业以及人们的日常生活等方方面面中。在p c 时代，可能有人从来没有接触过计 算机；但是在后p c 时代，他就不可能接触不到嵌入式系统，因为嵌入式系统可 能存在于生活的方方面面中，从家里的洗衣机、电冰箱，到作为交通工具的自行 车、小汽车，到办公室里的远程会议系统等等，都属于可以使用嵌入式技术开发 和改造的产品。 简单的说，嵌入式系统就是系统的应用软件与硬件一体化。这种系统具有软 件代码小，高度智能化、响应速度快等特点特别适合于要求实时的和多任务的 体系。嵌入式系统至今已经有3 0 多年的历史了，其技术的发展大致分为以下四 个时期： 最初是以单芯片可编程控制器为核心的系统，同时配置监视、伺服、指示设 备等功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有 操作系统的支持，通过汇编语言程序对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。 这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储 容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格很低，以前 在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储 生! ：壁垫查堂堡土鲎丝堕兰! 二盐竺堂望塑! ! 堑垡! ! 竺生垒竺堕壅! 兰些 介质的现代化工业控制和新兴的信息设备等领域的需求。 第二个时期的嵌入式系统是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心a 这一阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效 率高：操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友 好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 第三个时期是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要 特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好：操作 系统内核小、效率高、并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、 多任务、网络支持、图形窗网等功能；具有大量的应用程序接口( a p i ) ，开发 应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。 目前嵌入式系统正经历一个以i n t e m e t 为标志的迅速发展的阶段。目前大多 数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以及i n t e m e t 技术与 信息设备、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合将代表 着嵌入式技术的真正未来。在这个时期，在计算机、控制、通信互相融合的基础 上，占电子市场主体的不再是p c 和家用电器，而是具备视听功能、信息处理和 双向网络通信功能的信息设备。 2 1 3 嵌入式系统的特点 ( 1 ) 嵌入对象的广泛性 由于科学技术的飞速发展，特别是微电子技术的令人惊异变化，目前，几乎 一切系统或设备都可以采用嵌入式计算技术来完成过去很多想做的，而又无法实 现的工作。我们现在从日常生活中使用的洗衣机，要实现全套洗衣流程的自动控 制操作，到提高国防力量的导弹，要实现全程自动寻找目标并实施攻击控制，无 一能离开嵌入式系统。 ( 2 ) 嵌入形式的多样性 嵌入式技术得到广泛应用，但各种系统或设备对嵌入式计算机的性能，功能、 规模要求是绝对不同的。这种差异势必造成嵌入式系统有其相应的多样形式。从 目前看，在r 常生活设备中有大量的单片形式的嵌入式系统，在工业中和军事系 统设备中、有无数的单板嵌入形式和整机形式的嵌入式系统。在大型系统中，甚 至还有以计算机系统形式的嵌入式系统。 ( 3 ) 嵌入作用关键性 当前，计算机已被人们美誉为“电脑”，可见计算机能力和作用的重要性。 尽管嵌入式系统是从应用配套而逐步妙, g n n 设备的，但一旦进入后，它就在 新系统或新设备承担许多自动控制的处理任务。因此新系统或者设备对其依赖性 | 乜于科技大学坝1 学位论文：一种软件逻辑分析仪s i 仃1 l a 的研究与实现 越来越大，已经不再是可有可无的部分， 能”的设备，当其发生“思维混乱”时 ( 4 ) 嵌入功能的专一一性 而己升到关键部分，试想一个具有“智 其后果是可想而知的。 由于嵌入式系统需完成的任务和需达到的性能指标十分明确，功能目标也十 分清楚，因此，其常常无需兼顾其它功能，对于多余的功能和过高的技术指标是 毫无意义的，有时甚至是有害的，所以说嵌入式系统的功能是十分专一的 ( 5 ) 嵌入接口的多样性 尽管每种嵌入式系统i o 接口的性质、规格和数量都是固定的，但由于应用 中涉及到各行各业，所以要处理的接收信号和要发出的控制信号是五花八门的， 例如：指导飞行器的陀螺信号，无线通信各种波长信号，雷达接收信号，电机、 马达、发动机等信号。在这些信号中，包括有：数字信号、模拟信号、高电压 大电流信号、低电压1 , 电流信号、连续式信号、间断式和突发性信号，凡此种 种要求嵌入式系统设有多种类型接口，它们决非如通用计算机制定的有限几个 规范所能全部包含的，也决非单靠嵌入式计算机厂商所能全部解决的。 ( 6 ) 嵌入性能的实时性 嵌入式系统在接收到规定信号后，必须在有限的时间内完成确定的工作任 务，这是区别于其它计算机的一个十分重要的特点，也是嵌入式系统设计所必须 考虑的主要问题，它不但涉及硬件体系结构、包括c p u 速度、内存访问速度、 总线速度及中断机制等硬件问题，还涉及软件的中断管理和任务调度策略，包括 调度算法、调度频率和调度时机等。 ( 7 ) 嵌入结构匹配性 通用计算机是以计算机为核心，按计算机本身的需求而设计其结构，而嵌入 式系统是以被嵌入的系统或设备为核心，按系统或设备的约束条件而设计其结构 的。不与系统或设备相匹配的嵌入式系统是没有出路的，要求其体积、重量，还 包括允许的功耗等因素符合宿主系统的要求。 ( 8 ) 嵌入操作的可靠性 嵌入式系统是被隐藏在系统或设备中的，不少系统或设备用户很难直接与嵌 入式计算机接触，有的甚至在工作时，人根本无法再进行控制，如：宇航上嵌入 式计算，一旦发射、就完全独立于人的控制之中。因此，嵌入式系统可靠性是一 个重要因素。 ( 9 ) 嵌入环境的一致性 嵌入式系统必须同设备的使用环境保持一致，嵌入到日常生活中的系统或设 备，大多不必进行环境适应性加固措施。如果想越高越好，使用加固的嵌入式计 算机、由于成本的提高，体积的增大，它必定也是没有生命力的。反之，嵌入到 乜于科技大学颂i j 学位 色文：一种软件逻辑分析仪s i m l a 的研究与实现 恶劣环境中的工业和军事方面的系统或设备，那就必须进行针对性的合适级别的 环境适应性加固措施。如果有不予理会的想法，它在某些环境条件下不能工作或 彳；能稳定工作最后也必会被系统否定， ( 1 0 ) 嵌入产品开发周期短、生命周期长 因为嵌入式系统往往和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具 体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 2 i 4 嵌入式系统的应用领域 嵌入式应用领域众多，主要有：汽车、消费电子、工业自动化、信息自动化、 医疗、军事航空航天、办公自动化、零售自动化、建筑自动化家庭自动化、电 信数据通讯等，见图2 1 所示。 图2 一i 嵌入式系统应用领域 信息电器 信息电器是指所有能提供信息服务或通过网络系统交互信息的消费类电子 产品。具有信息服务功能，如：网络浏览、视频点播、文字处理、电子邮件、个 人事物管理等；又应该简单易用、价格低廉、维护简便。 后p c 时代，计算机将无处不在，家用电器将向数字化和网络化发展，电视 机、冰箱、微波炉、电话等都将嵌入计算机，并通过家庭控制中心与i n t e m e t 连 接，转变为智能网络家电，还可以实现远程医疗，远程教育等。目前，智能小区 的发展为机顶盒打开了市场，机顶盒将成为网络终端，它不仅可以使模拟电视接 收数字电视节目，而且可以上网，炒股，点播电影，实现交互式电视，依靠网络 服务器提供各种服务。信息家电( 网络冰箱、机顶盒、家庭网关、数字机顶盒等) 据估计未来十年间总量可达到1 - 1 5 亿台，总市场需求将达到9 0 0 1 5 0 0 亿元。 t u 亍科技人学坝i j 学位硷究：一种软件逻辑分析仪s i m l a 的研究与实现 移动计算设备 包括手机、p d a 、掌上电脑等各种移动设备。中国拥有最大的手机用户，而 掌上电脑( 或p d a ) 由于易于使用，携带方便，价格便宜，未柬几年将得到快速 发展，p d a 与手机已呈现融合趋势。用掌上电脑( 或p d a ) 上网，人们可以随时 随地获取信息。 新的手持设备将使无线互联访问成为更加普遍的现象。c a h n e r si n s t a t 集团 预测无线数据通讯是驱动这个市场发展的关键因素。互联网连接，结合音频应用 ( 如m p 3 功能) ，将会促使移动计算设备市场创立新的销售记录。到2 0 0 4 年， 掌上型电脑将成为最受欢迎的移动计算产品，期间平均每年的销售增长为2 8 ； 带有小键盘的手持设备销售额将下降7 3 ，从1 9 9 9 年的1 2 0 万台下降到2 0 0 4 年的8 l 万台；由于h a n d s p r i n g 和w i n d o w sc e 设备在盈利，p a l m 的市场份额将 从1 9 9 9 的7 2 降到2 0 0 0 年的6 5 ，但p a l m 还在控制掌上电脑市场；2 0 0 0 年全 世界移动计算设备市场和1 9 9 9 年相比，增长3 6 ；到2 0 0 4 年，售出的移动计算 设备中，5 l 将可以无线连接；整合手机模块，为移动计算设备提供语音功能， 也将是大势所趋。 网络设备 包括路由器、交换机、w e bs e r v e r 、网络接入盒等各种网络设备。基于l i n u x 等的网络设备价格低廉，将为企业提供更为廉价的网络方案。美国贝尔实验室预 测：在这阶段“将会产生比p c 时代多成百上千倍的瘦服务器和超级嵌入式瘦服 务器，这些瘦服务器将与我们这个世界任何物理信息、生物信息相联接，通过 i n t e m e t 自动、实时、方便、简单地提供给需要这些信息的对象”。 设计和制造嵌入式瘦服务器、嵌入式网关和嵌入式因特网路由器已成为嵌入 式i n t e m e t 时代的关键和核心技术。 工控、仿真、医疗仪器等 工业、医疗卫生、国防等各部门对智能控制需求的不断增长，同时也对嵌入 式微处理器的运算速度、可扩充能力、系统可靠性、功耗和集成度等方面提出了 更高的要求，为了适应各方面的需求，嵌入式微处理器体系结构也经历了一个从 c r i s c 到r i s c 和c o m p a c t r i s c ；从4 位、8 位、1 6 位、3 2 位到“位；寻址空 间从6 4 k b 到1 6 m b 甚至更大：处理速度从o 1m i p s 到2 0 0 0m i p s ；常用封装从 8 个引脚到1 4 4 个引脚的过程。处理器的功耗也有了明显降低；集成度进一步提 高。 2 1 5 嵌入式系统的发展趋势 以信息家电和移动嵌入式设备为代表的互联网时代嵌入式产品，不仅为嵌入 | 乜于科技大学颂i j 学位泡文：一种软件逻辑分析仪s i m l a 的研究与实现 式市场展现了美好前景，注入了新的生命；同时也对嵌入式系统技术，特别是软 件技术提出新的挑战。这主要包括：支持日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、 轻便的移动应用和多媒体的信息处理，此外，当然还需对付更加激烈的市场竞争。 这主要表现在以下几个方面： t 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持 应用功能密度的增长是网络时代嵌入式产品的普遍现象。随着因特网技术的 成熟、带宽的提高，i c p 和a s p 在网上提供的信息内容日趋丰富、应用项目多 种多样，像手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备的功能不再单一， 电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的 嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位r i s c 芯片或信号处理器d s p 增强处理能力：同时 还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程 序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 2 联网成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向2 1 世纪的嵌入式系统要 求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有 通信接口，相应需要t c p i p 协议族软件支持：由于家用电器相互关联f 如防盗报 警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息) 及实验现场仪器的协调工作 等要求，新一代嵌入式设备还需具备i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、b l u e t o o t h 或i r d a 通信接1 3 ，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支 持应用软件的特定编程模式，如w e b 或无线w 曲编程模式，还需要相应的浏览 器，如h t m l 、w m l 等。 3 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计相应降低处理器的性能，限制内存容 量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。如，选用最佳 的编程模型和不断改进算法，采用j a v a 编程模式，优化编译器性能。因此，既 要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如j a v a 、w 曲和w a p 等。 4 提供精巧的多媒体人机界面 嵌入式设备之所以为亿万用户接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲 和力、自然的入机交互界面。人们与信息终端交互要求以g u i 屏幕为中心的多 媒体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已 取得初步成效。目前一些先进的p d a 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语 音发布。 | 乜于科技大学颂i j 学位泡文：一种软件逻辑分析仪s i m l a 的研究与实现 2 2 嵌入式系统开发技术 虽然嵌入式系统已经应用于各个领域，但由于各种嵌入式设备都具有功能专 一、针对性强的特点，其硬件资源既不会也无必要如p c 机一样丰富，往往是非常 有限的。这样自然就引出一个问题：几乎不可能在嵌入式设备上建立一套丌发系统。 因此，需要采用一种称为交叉开发( c r o s sd e v e l o p i n g ) 的模式( 图2 2 ) ，即：开 发系统是建立在硬件资源丰富的p c 机( 或者工作站) 上，通常称其为宿主机( h o s t ) ， 应用程序的编辑、编译、链接等过程都是在h o s t 上完成的。而应用程序的最终运行 平台却是和h o s t 有很大差别的嵌入式设备，通常称其为目标机( t a r g e t ) 。调试在 二者之间联机交互进行。 宿主系统 ( h o s t ) 通信系统 ( c o m ) 目标系统 ( t a r g e t ) 开发 ( 编辑、编译、连接， 调试) 运行 ( 运行程序、) 宿主机操作系统 宿主机硬件目标机硬件 图2 2 交叉开发系统 这里二者的“差别”主要是指： 硬件的差别通常c p u 的类型都不同。例如：宿主机的c p u 为i n t e l p e n t i u mi i i 芯片，而目标机的是s t r o n g a r m l l l 0 。 软件环境的差异在宿主机上都有通用操作系统( o s ) 的支持，如 w i n d o w s 、l i n u x 和u n i x 等。而目标机一般都是裸机，没有任何的软件资 源。现有的目标机操作系统( 如v x w o r k s ) 是用于对嵌入式应用的支撑， 而不是用于目标机的开发环境平台。 基于交叉开发模式的丌发系统被称为交叉开发系统，它主要包括：交叉编译器、 交叉链接器、交叉调试器以及其它的一些交叉实用工具等。其中交叉调试器是开发 人员使用时间最长的工具，一般会耗费总体开发时间的3 0 5 0 。所以交叉调试器 功能的强大与否直接关系到产品的投放时间( t i m et om a r k e t ) 。 2 2 1 开发方法简介 交叉开发的发展过程实质上就是嵌入式应用开发技术发展的过程，二者密不可 分。随着硬件和软件技术的不断发展，嵌入式应用开发的技术越来越高级、越来越 完善，相应的交叉开发技术也得到了不断的发展。交叉调试方式的更新是其发展的 重要标志。 | 乜于科技大学颂i j 学位 色文：一种软件逻辑分析仪s i m l a 的研究与实现 崩溃与烧制 在嵌入式系统发展的早期，一般采用崩溃与烧制( c r a s h a n db u r n ) 的方式进行 开发，其基本思想是： ( 1 ) 在宿主机p c 上编写代码： ( 2 ) 在宿主机上编译应用程序，生成可执行程序； ( 3 ) 固化( b u r n ) 到目标机的非易失性存储( e p r o m 、f l a s h 等) 中； ( 4 ) 启动运行，若f 确则转到( 7 ) ； ( 5 ) 不正确则改写代码，纠正错误： ( 6 ) 返回( 2 ) 重复操作； ( 7 ) 固化成功。 显然，这种调试方式无法进行程序调试，效率低下，对开发人员而言非常辛苦。 但由于开发条件，特别是开发工具的限制，直到现在许多的嵌入式应用( 特别是新 产品) 的开发也只得经常的“b u m ”“c r a s h ”“b u m ”“c r a s h ”。这 也反映了嵌入式应用开发的难度。 r o m 监控程序 为改变c r a s ha n db u r n 方法带来的缺陷，提出了一种r o m 监控程序( r o m m o n i t o r ) 的方法：将一段程序固化在目标机上，负责监控目标机上被调试程序的运 行：该程序与宿主端的程序一起完成对应用程序的调试。这段程序被称为r o m m o n i t o r 。 r o mm o n i t o r 预先被固化到目标机的r o m 空间，在目标机复位后首先执行的 就是r o mm o n i t o r 程序。它对目标机进行一些必要的初始化，然后初始化自己的程 序空间，最后就等待宿主端的命令。r o m m o n i t o r 能完成调试器的下载、目标机内 存和寄存器的读写、设置断点以及单步执行调试等功能。一些高级的r o mm o n i t o r 还能完成代码分析( c o d e p r o f i l i n g ) 、系统分析( s y s t e mp r o f i l i n g ) 、r o m 空间的写 操作以及设置各种非常复杂断点等功能。 利用r o m m o n i t o r 方式作为调试手段时，开发应用程序的步骤有些变化： ( 1 ) 编写代码； ( 2 ) 编译应用代码； ( 3 ) 将代码下载到目标机上的r a m 空间： ( 4 ) 用户使用调试器进行调试； ( 5 ) 如果程序e 常转到第( 8 ) 步； ( 6 ) 发现程序有问题，在调试器的帮助下定位错误： ( 7 ) 修改错误，重复( 2 ) ( 7 ) 步： ( 8 ) 将程序固化到目标机上。 采用r o m m o n i t o r 方法明显地提高了调试程序的效率，减小了调试的难度，缩 短了产品开发周期，有效地降低了开发成本。这种方法的优点包括：简单、方便、 乜予科技大学坝i ：学位论文：一种软件逻辑分 斤仪s i m l a 的研究与实蜕 可支持许多高级的调试功能、可扩展性强、成本低廉以及基本上不需要专门的调试 硬件支持。 但是，r o mm o n i t o r 也存在较多的缺点，主要体现在： ( 1 ) r o mm o n i t o r 本身的开发难度大，通常只能用“c r a s h a n db u r n ”方式。 ( 2 )当r o mm o n i t o r 占用c p u 时，应用程序不响应外部事件中断，因此不便 调试有时间特性的程序。 ( 3 ) 要求目标机必须有足够的r o m 。 ( 4 ) 若目标机c p u 不支持硬件断点( h a r d w a r eb r e a k p o i n t ) ，则r o mm o n i t o r 无法调试r o m 程序和设置数据断点( d a t a b r e a k p o i n t ，即能完成对数据读 写进行监视的断点) 。 ( 5 ) r o mm o n i t o r 要占用目标机一定数量的资源，如：c p u 资源、r a m 资源 和通信设备( 如：串口、网卡等) 资源。 ( 6 ) 在调试状态下，r o mm o n i t o r 已经为应用程序建立了运行环境。因此，这 会在一定程度上造成应用程序的最终运行环境和调试环境的差异，如：程 序初始化部分的代码、内存空间分配等都与最终运行环境不同。 虽然有上述缺陷，但r o mm o n i t o r 依然是目前最广泛使用的调试方式之一， 几乎所有的交叉调试器都采用。因此，为了克服r o m m o n i t o r 的缺点，人们又研究 出了若干的改良方法，如将r o mm o n i t o r 制成独立的中间件( 构件) ，减少对目标 杌资源的占用。 r o m 仿真器 由于嵌入式应用的开发经常会遭遇缺少目标机环境、缺乏目标机芯片等资源， 但丌发过程又不可能停止的问题，因此自然就提出了根据不同的应用需要，利用仿 真器件、仿真环境进行丌发的方法，如r o m 仿真器( r o me m u l a t o r ) 、在线仿真 器( i n c i r c u i te m u l a t o r ，简称i c e ) 、片上调试( o nc h i pd e b u g g i n g ，简称o c d ) 和模拟器( s i m u l a t o r ) 等。 在一定程度上，r o m 仿真器可以认为是一种用于替代目标机上r o m 芯片的设 备。利用这种设备，目标机可以没有r o m 芯片，但目标机的c p u 可以读取r o m 仿真器上r o m 芯片的内容。因为r o m 仿真器上r o m 芯片的地址可以实时地映射 到目标机的r o m 地址空间，所以可以仿真( e m u l a t i o n ) 目标机上的r o m 。 本质上，r o m 仿真器这种方式不是一种完整的调试方式。通常，r o m 仿真器 只是为目标机提供仿真的r o m 芯片和在目标机与宿主机h o s t 之间建立一条高速的 通信通道。因此，它经常和前面两种调试方式结合起来形成一种完备的调试方式。 r o m 仿真器的典型应用就是和r o mm o n i t o r 的调试方式相结合。 这种调试方式的最大优点就是目标机可以没有r o m 芯片，可以使用r o m 仿 真器提供的r o m 空间且不需要用别的工具来写r o m 。其缺点是目标机必须能支持 外部r o m 存储空间，而且由于其通常要和r o mm o n i t o r 配合使用，因此它拥有 乜于科技大学坝1 学位论文：一种软件逻辑分析仪s i m l a 的研究与实规 r o mm o n i t o r 的所有缺点。 这种方法仅适用r o m 芯片无法获得的情况。 在线仿真器 在线仿真器i c e 是一种用于替代目标机上c p u 的设备。i c e 的c p u 是一种特 殊的c p u ( 被称为“b o n d o u t ”，可以执行目标机c p u 的所有指令) ，比一般的c p u 有更多的引出线，能够将内部的信号输出到被控制的目标机。i c e 上的存储器也可 以被映射到用户的程序空间。这样即使目标机不存在，也可以进行代码的调试。 在连接i c e 和目标机时，一般是将目标机的c p u 取下，而将i c e 的c p u 引出 线接到目标机的c p u 插槽。在进行调试时，宿主端运行的调试器通过i c e 来控制 目标机上运行的程序。 采用这种调试方式，可以完成如下的特殊功能： 同时支持软断点和硬件断点的设置； 设置各种复杂的断点和触发器； 实时跟踪目标程序的运行； 选择性的跟踪程序的运行； 支持“时间邮票( t i m e s t a m p ) ” 允许用户设置“定时器” 提供“s h a d o w r a m ”，能在不中断被调试程序运行的情况下查看内存和变 量，即非干扰调试查询。 i c e 调试方式特别适用于调试实时应用系统、设备驱动程序以及对硬件进行功 能和性能的测试。利用i c e 可进行一些实时性能分析，非常精确的测定程序运行时 间( 精确到每条指令执行的时间) 。 i c e 的主要缺点就是太昂贵，价格大都上千美金、甚至几万美金。这显然阻碍 了团队的整体开发，因为不可能给每位开发人员都配备一套i c e 。所以，现在i c e 一般都是用于普通调试工具解决不了的问题，或者用做严格的实时性能分析。 片上调试 片上调试o c d 是c p u 芯片提供的一种调试功能，可以认为是一种廉价的i c e 功能。n l g 有一种况法：o c d 的价格只有i c e 的2 0 ，但提供了i c e8 0 的功能。 最初的o c d 是一种仿r o mm o n i t o r 的结构。它将r o mm o n i t o r 的功能以微 码( m i c r o c o d e ) 的形式体现，其中比较典型的是m o t o r o l ac p u 3 2 系列处理器。后 来的o c d 彻底废弃了这种r o mm o n i t o r 的结构，而采用两级模式的思路，即：将 c p u 的模式分为般模式和调试模式( 注：这里的一般模式是指除调试模式外c p u 的所有模式) a 在调试模式下c p u 不再从内存读取指令，而是从调试端口读取指令， 通过调试端口可以控制c p u 进入和退出调试模式；这样在宿主端的调试器就可以直 接向目标机发送要执行的指令。通过这种形式调试器可以读写目标机的内存和各种 | 乜于科技大学颂i j 学位 色文：一种软件逻辑分析仪s i m l a 的研究与实现 寄存器，控制目标程序的运行以及完成各种复杂的调试功能。 o c d 方式的主要优点是：不占用目标机的资源，调试环境和最终的程序运行 环境基本一致，支持软硬断点，提供跟踪功能，可以精确计量程序的执行