嵌入式系統(tǒng)分析工具

能否及時(shí)高效地構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)，取決于軟件開發(fā)人員在工作臺(tái)上是否有合適工具來幫助完成開發(fā)工作。雖然預(yù)算通常受到限制，但有些工具是每位嵌入式軟件工程師都必需的，這些工具可以幫助他們大幅減少構(gòu)建、調(diào)試和驗(yàn)證其設(shè)計(jì)所需的時(shí)間。

選擇調(diào)試器

開發(fā)人員的工作臺(tái)上必備的第一種最重要工具是調(diào)試器。調(diào)試器的作用就如同包含應(yīng)用代碼的主機(jī)開發(fā)機(jī)與將要運(yùn)行應(yīng)用代碼的目標(biāo)嵌入式處理器之間的橋梁。調(diào)試器提供幾種關(guān)鍵功能：

提取已編譯和鏈接的應(yīng)用，并將其加載到目標(biāo)存儲(chǔ)器中。

向目標(biāo)處理器告知調(diào)試器已連接，并配置所有板載硬件調(diào)試模塊和功能。

負(fù)責(zé)設(shè)置軟件和硬件斷點(diǎn)。

在調(diào)試過程中可用于讀取寄存器和片上存儲(chǔ)器。

接收實(shí)時(shí)應(yīng)用程序跟蹤信息以用于調(diào)試應(yīng)用程序。

在很多實(shí)例中，開發(fā)人員僅選擇他們能夠找到的最低成本的調(diào)試器，或很多開發(fā)套件附帶的默認(rèn)板載 (OB) 調(diào)試器。這種做法的問題在于 OB 調(diào)試器的功能非常有限。

比較調(diào)試器之間差異的一種很好的方法是檢查SEGGER提供的調(diào)試工具。很多不同微控制器供應(yīng)商的多種開發(fā)套件都提供了基于 SEGGER J-Link 的 OB 調(diào)試器。下圖顯示了面向各種目標(biāo)內(nèi)核的不同 J-Link OB 調(diào)試器的典型特性集（圖 1）。

圖 1：低成本開發(fā)板附帶的各種 SEGGER J-Link OB 調(diào)試器的特性集示例（圖片來源：SEGGER）

請(qǐng)注意，表格的最右側(cè)顯示了三個(gè)關(guān)鍵速度特性：SWO 速度、接口速度和下載性能。對(duì)于大多數(shù)零件而言，這些速度都不超過 4 MHz，其中大多數(shù)速度遠(yuǎn)低于這個(gè)數(shù)字。

初看起來，這些 J-Link OB 調(diào)試器的指標(biāo)數(shù)據(jù)還不錯(cuò)，畢竟它們是免費(fèi)的。但是，如果將這些特性與J-Link Ultra+或J-Trace等全功能調(diào)試器進(jìn)行比較（圖 2），您會(huì)改變這種看法。

圖 2：J-Link 系列調(diào)試器提供專業(yè)級(jí)調(diào)試功能，速度高達(dá) 100 MHz。（圖片來源：SEGGER）

請(qǐng)注意：最低 SWO 速度為 30 MHz，最高達(dá)到 100 MHz。SWO 接口用于調(diào)試，也用于接收一些跟蹤數(shù)據(jù)。這種速度增加，再加上無限制斷點(diǎn)、以太網(wǎng)選項(xiàng)和嵌入式跟蹤緩沖區(qū) (ETB) 等額外特性，使得這些調(diào)試器成為極其高效的工具。與開發(fā)套件上的基本調(diào)試器相比，這些調(diào)試器的功能更為強(qiáng)大和豐富，不僅有助于加快編程速度，還能縮短實(shí)際調(diào)試系統(tǒng)的時(shí)間。

我們以 J-Link Ultra+ 為例。這是一款全功能專業(yè)調(diào)試器，其特性包括無限制斷點(diǎn)，以及極快的 SWO 和接口時(shí)鐘速率（圖 3）。

圖 3：J-Link Ultra+ 是一款全功能專業(yè)調(diào)試器，其特性包括無限斷點(diǎn)，以及極快的 SWO 和接口時(shí)鐘速率。（圖片來源：SEGGER）

希望將嵌入式工作臺(tái)提升到全新水平的開發(fā)人員應(yīng)該考慮使用 SEGGER J-Trace（圖 4）。J-Trace 不僅支持與 J-Link Ultra+ 相同的功能，還能夠使用 Arm 嵌入式跟蹤宏單元 (ETM) 接口連接到目標(biāo)器件。

ETM 包含更多的數(shù)據(jù)通信通道，讓開發(fā)人員能夠檢索有關(guān)應(yīng)用程序及微控制器工作狀況的更多信息。例如，開發(fā)人員能夠使用 ETM 來執(zhí)行代碼分支分析，甚至執(zhí)行指令跟蹤。

圖 4：J-Trace 支持 ETM 接口，除了執(zhí)行代碼覆蓋分析之外，還讓開發(fā)人員能夠?qū)?yīng)用程序執(zhí)行指令跟蹤。（圖片來源：SEGGER）

嵌入式系統(tǒng)分析工具

一旦開發(fā)人員獲得了功能合適的調(diào)試器，他們將希望找到和選擇多種工具，以協(xié)助他們調(diào)試和分析系統(tǒng)。開發(fā)人員在開發(fā)周期中平均有多達(dá) 50% 的時(shí)間花費(fèi)在調(diào)試軟件上。調(diào)試系統(tǒng)的效率越高越好。

開發(fā)人員應(yīng)該考慮采用幾種工具來分析系統(tǒng)。這些工具包括像B&K PrecisionBK2190E這樣的雙通道 100 MHz 范圍的傳統(tǒng)示波器，或者SparkFun ElectronicsLogic Pro 8 USB 邏輯分析儀。Logic Pro 8 非常適合用于分析通用輸入/輸出行為和通信協(xié)議。該分析儀能夠同時(shí)監(jiān)控多達(dá)八個(gè)通道，并提供觸發(fā)功能，用于捕捉電平、上升沿或下降沿。

圖 5：Logic Pro 8 USB 邏輯分析儀是用于分析通用輸入/輸出行為和通信協(xié)議的強(qiáng)大工具。（圖片來源：SparkFun Electronics）

每個(gè)工作臺(tái)都需要的常規(guī)原型開發(fā)工具

雖然軟件開發(fā)人員并非硬件工程師，但準(zhǔn)備一些有助于檢測(cè)和操作硬件的工具仍然很有用。第一種必不可少的工具是一組跳線。跳線似乎總是供應(yīng)不足，但它是將外部傳感器或器件連接到開發(fā)套件所必需的。一組Bud Industries母頭對(duì)母頭跳線和公頭對(duì)公頭跳線足以包含所有必需的組合。

圖 6：母頭對(duì)母頭跳線（圖示）和公頭對(duì)公頭跳線對(duì)于快速原型開發(fā)和嵌入式系統(tǒng)故障排除至關(guān)重要。（圖片來源：Bud Industries）

除了跳線之外，還應(yīng)準(zhǔn)備一對(duì)優(yōu)質(zhì)Aven Tools尖嘴鉗和Apex Tool GroupMS54V4 英寸半埋式橢圓頭鋼絲鉗，以便將跳線放置到擁擠空間內(nèi)，或者進(jìn)行切割以在原型板上輕松連接。購(gòu)買一對(duì)高質(zhì)量工具將確保您能夠在需要時(shí)隨時(shí)使用。

最后，每位開發(fā)人員還需要備有放大燈，例如 Aven 的 5 英寸ProVue SuperSlim LED燈，以便輕松查看 PC 板上的絲印。軟件開發(fā)人員使用放大燈的頻率遠(yuǎn)少于硬件工程師，但有時(shí)需要對(duì)絲印進(jìn)行快速修改，或者電路板上的超小絲印需要放大或額外照明。

構(gòu)建工作臺(tái)的技巧和訣竅

構(gòu)建工作臺(tái)有時(shí)似乎非常簡(jiǎn)單，但令人吃驚的是很多團(tuán)隊(duì)沒有最基本的工具。以下一些技巧有助于您構(gòu)建出“終極”嵌入式工作臺(tái)：

找出開發(fā)過程中的主要瓶頸，確定是否有工具可以消除這些瓶頸。

購(gòu)買高質(zhì)量的工具。劣質(zhì)工具容易磨損和損壞，經(jīng)常需要更換。優(yōu)質(zhì)工具可以持續(xù)使用 20 年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。

不要讓價(jià)格成為主要決定性因素。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，多花一些錢購(gòu)買優(yōu)質(zhì)工具是值得的。

進(jìn)行成本效益分析以及投資回報(bào)分析。當(dāng)工具要使用五年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，或者僅在開發(fā)周期中使用數(shù)月時(shí)，可以更容易確定成本的合理性。

對(duì)于易損壞的低成本工具，購(gòu)買兩套，確保手頭有備用。

分階段逐步構(gòu)建工作臺(tái)。構(gòu)建專業(yè)的工作臺(tái)可能花費(fèi)數(shù)千美元。分批購(gòu)買工具，這樣有助于擺脫預(yù)算制約。

不要害怕購(gòu)買已經(jīng)用過的工具，只要其來源可靠且維護(hù)狀態(tài)良好即可。

在軟件調(diào)試方面，邏輯分析儀可以取代示波器。

總結(jié)

構(gòu)建高效的工作臺(tái)不能貪圖便宜。必須找到并購(gòu)買適合開發(fā)工作的工具，它們能夠提高效率和消除障礙，幫助提升整體產(chǎn)品質(zhì)量，甚至降低開發(fā)人員的壓力（至少減少他們遇到的問題）。

請(qǐng)仔細(xì)評(píng)估哪些工具能讓開發(fā)過程變得更加簡(jiǎn)單，并確定這些工具是否能夠長(zhǎng)期使用。盡可能不要考慮如何省錢。只要買到合適的工具就能獲得回報(bào)，因?yàn)楣δ芡陚淝遗渲眠m當(dāng)?shù)墓ぷ髋_(tái)是效率的保證。