基于Proteus的嵌入式应用系统仿真中的源码调试

摘 要:详细介绍Proteus嵌入式系统仿真平台的源码调试技术。它融合、发展了传统的源码调试技术,并从工程角度实现了调试过程。用实例阐述Proteus源码调试的三种方法,着重叙述它与第三方IDE联合仿真中的源码调试技术和特有的条件断点、硬件断点调试。结果表明Proteus源码调试技术是开发嵌入式应用系统的高效 、高速的先进技术,值得推广应用。

关键词:Proteus仿真;源码调试;条件断点调试;硬件断点调试

中图分类号:TP368.1

0 引 言

Proteus是功能最强的嵌入式系统(单片机、ARM等)的设计与仿真平台\[1[CD*2]4]。它主要由Proteus VSM(Virtual System Model)和PCB 设计构成。Proteus VSM的最大特色就是能对嵌入式系统(硬、软件)及其外围电路进行协同、动态、交互式的仿真,并提供了仿真中进行源码调试的三种方式。

Proteus源码调试综合并突破了传统硬件仿真器和软件集成开发环境(Integrated Development Environment,IDE)源码调试功能。不仅能跟踪、分析嵌入式系统内的指令执行,观察、改变存储单元内容等的调试;且从工程角度实现了过程与结果,硬件与软件,全速与跟踪,中断与监视,静态与动态等的统一调试。丰富而灵活的调试手段,人与机的积极互动为高质高效实现设计目标创造了条件。从研发产品的实践上也证明了Proteus源码调试的高质、高效和可信度。这里从实践角度出发总结Proteus的三种源码调试方式,着重讲述了国内书刊尚未详细叙述的第三种方式,以发挥Proteus在产品研发和教学中的先进作用。在此采用的是Proteus 7.5。

1 Proteus VSM源码调试

Proteus VSM源码调试是第一种源码调试方式。Proteus的源码调试由源代码控制系统支持。该系统主要功能是编辑、汇编源码,并保证代码及时更新。该系统有源码(源程序)编辑器、汇编器、调试数据提取器(Debug Data Extractor,DDX)和装载器等。DDX从汇编器产生的文件中提取调试信息装入装载器。源码调试步骤是:建源码文件、加载到系统,选择微控制器及汇编器,将源码经汇编器汇编产生的目标代码加载到微控制器中,启动仿真进行源码调试。

VSM提供了几种汇编器,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。汇编后可产生HEX或S19(用于MC68HC11),LST,SDI等调试文件。不同的微控制器选择相应的汇编器,系统自动更新DDX。设定微控制器属性编辑框中的程序文件即加载代码文件。启动仿真进行源码调试。暂停时,在源码调试窗口可看到调试格式文件.SDI提供的源码、代码及地址,还可打开各种寄存器窗口查看各存储单元内容。调试中可看到电路与程序代码协同、交互式仿真过程和结果。调试中可随时进行源码修改、设置各种断点等。图1所示为单片机读键并将值送数码管显示实验的源码调试状态。

2 Proteus 借第三方编译器实现源码调试

这是第二种源码调试方式。若源码使用高级语言,就必须借用Proteus之外的第三方代码生成工具(汇编器/编译器)。若此时仍要用VSM的源码调试功能,就需要汇编器/编译器提供DDX或输出Proteus支持的调试格式文件(带调试信息的目标代码)。装载器从这些调试文件中提取调试信息以实现源码调试。

Proteus装载器支持的调试文件格式主要有:COFF(通用的,适应于PIC)、OMF(用于8051范围内)、UBROF(IAR编译器生成)、ELF/DWARF(通用的,较COFF有较好的调试性能)、COD(由BYTECRAFT生成, 广泛应用在PIC中)等。

使用以上格式时,首先在编译器中设置输出格式,如在Keil中指定OMF格式的代码文件,如图2所示(例:6[CD*2]164.OMF)。然后将生成的带调试信息的代码文件作为单片机窗口的“程序文件”。启动仿真,则可进行源码调试。

3 Proteus 与第三方IDE联合仿真实现源码调试

这是第三种源码调试方式。Proteus联合第三方IDE,充分发挥Proteus的微控制器仿真功能和第三方IDE丰富的代码调试功能,创造最佳的应用系统开发环境。多数专业汇编软件和编译器都有自己的集成开发环境IDE,如IAR的嵌入式工作台,Keil′s μVision,Microchip′s MPLAB,Atmel′s AVR studio等。Proteus作为IDE的插入式仿真器,由IDE的调试器控制调试的执行。这种源码调试方法有两种方法,如表1所示。

Proteus 通过TCP/IP协议与IDE通信。Proteus充当虚拟在线仿真器(In Circuit Emulator,ICE)。例如KEIL与Proteus联调。先要将Proteus提供的驱动器VDMAGDI.EXE装在KEIL的安装路径下。在同台计算机中调出KEIL与Proteus,进行仿真与联调。如图3所示,左边为KEIL窗口,可利用断点、变量窗口等监视程序的执行,进行源码调试。右边为Proteus窗口,在Proteus窗口可同步监视电路的运行状态与过程,也查看Proteus提供的CPU寄存器、内RAM等各种存储器窗口。

也可将IDE调试器、Proteus分别安装在不同计算机中,利用互联网进行两者的联合调试。

方法二

Proteus集成在IDE(例Proton,MPLAB,Atmel AVR studio)中,作为IDE中的一个仿真与调试工具。现以Proteus与AVR Studio联合仿真中的源码调试为例较详细地叙述该调试方法。

(1) 在Proteus的ISIS中设计电路并保存(命名为LSD.DSN);

(2) 在AVR Studio中联合调试。

打开[XC<57t9.tif>;%125%125],新建工程,在弹出的对话框中选择工程类型为[XC<57t10.tif>;%125%125]。 设置工程名,源文件自动与工程名相同。操作菜单Debug →Select Platform and Device,在弹出的对话框中设置调试平台为Proteus VSM Viewer、器件为Atmegar16,如图4所示。点击Finish接着弹出源程序编辑窗口。写完程序、保存并点击汇编,生成LSD.HEX。在Proteus VSM视窗中点击打开按钮(若视窗未打开,操作菜单View→Toolbars→Proteus VSM),打开已有的LSD.DSN电路文件,对Atmegar16设置程序文件为LSD.HEX。点击AVR的按钮启动调试,接下来按AVR中的调试方法进行。图5右侧为AVR开发环境中的I/O视窗及CPU信息框,可查看与当前设计相关的PORTD口的内容。在Proteus VSM视窗中右击还可打开各种存储器窗口和观察窗口。

电路与源码协同仿真、调试[JZ)][HT5]

Proteus 除了支持一般的软件断点外,还有独特的条件断点和硬件实时断点功能。对源码调试提供了更灵活的手段。当硬件条件发生时暂停仿真,与单步调试工具结合极为方便有效。尤其在电路中引入异步触发,当需要跟踪分析其对电路的影响时更有用。

(1) 条件断点。如图5中Proteus的观察窗口中添加PORTD,并设置它的断点条件为“On Change”。仿真时当PORTD输出数据发生变化就暂停仿真。

[JP2](2) 电压探针断点。对PORTD0引脚加一电压探针,命名为PD0(见图6),设置为数0值触发。每当PORTD0输出低电平时,触发断点使仿真暂停,如图7所示。

(3) 硬件断点:实时断点发生器。

实时断点发生器有实时电压、电流断点触发器RTVBREAK和RTIBREAK:当触发器引脚上的电压或流经的电流超过设定的值将触发断点,为上升沿触发;实时数字断点触发器RTDBREAK:当输入到引脚的二进制数等于设定值时触发断点;实时电压、电流监视器RTVMON和RTIMON:当输入电压或当流经的电流不在设定范围内,可触发断点、警告或是错误。可将RTVMON和RTIMON用于创建仿真模型,当模型中的电压或电流超过设定的工作极限时警告终端用户。

如图8对POETD0引脚添加实时数字断点触发器并设置触发值为0,达到同上述(2)中电压探针一样的断点调试效果。

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