嵌入式開發(fā)中調(diào)試器中的小技巧和竅門小結(jié)

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程實際上就是一個調(diào)試診斷的過程，而且調(diào)試診斷將一直伴隨著一個產(chǎn)品的終身，即使是最成熟的產(chǎn)品也偶爾會出現(xiàn)這樣或那樣的問題，這都需要開發(fā)人員去診斷、排查。

從只有幾千字節(jié)存儲空間的簡單 8 位控制器，到現(xiàn)在先進的 32 位控制器，雖然微控制器經(jīng)歷了諸多演變，但是許多開發(fā)人員仍在使用老舊的工具，拖慢了開發(fā)周期。

設(shè)計人員若要適應(yīng)當(dāng)今快速發(fā)展且復(fù)雜多變的開發(fā)環(huán)境，則需要確保擁有合適的工具才能應(yīng)對。他們需要嵌入式工具，以便監(jiān)視芯片并查看其軟件是否按照預(yù)期方式運行;他們還需要可指出錯誤或優(yōu)化代碼規(guī)模的工具，以降低其 BOM 成本。

現(xiàn)在有許多工具可以幫助他們降低整體開發(fā)成本，加快調(diào)試過程，從而縮短上市時間。本文將介紹一些這樣的工具，然后說明如何通過它們獲得最大收益。

利用專業(yè)調(diào)試器節(jié)省時間和金錢

開發(fā)人員編寫的軟件程序第一次試運行就正常工作非常少見。因此軟件開發(fā)需要調(diào)試，所以對于軟件開發(fā)人員來說，最重要的工具就是調(diào)試器。利用調(diào)試器，開發(fā)人員可以將應(yīng)用程序加載到目標微控制器上，逐步檢查代碼，查看存儲器和其他寄存器，并操縱硬件。

問題是，許多專業(yè)開發(fā)人員通常使用的調(diào)試器是其低成本開發(fā)板所附帶的。這些調(diào)試器方便、便宜，而且在演示時表現(xiàn)完美。但是，在開發(fā)專業(yè)軟件時，可能會出現(xiàn)以下限制：

斷點有限

時鐘速率降低

缺乏跟蹤功能

功能極少

換言之，有時真是一分錢一分貨：附送的簡化工具集可能不是快速有效地開發(fā)和調(diào)試軟件的最佳方式。

專業(yè)級調(diào)試器具有許多功能，可提高工程師的生產(chǎn)力，例如無限制的斷點。許多調(diào)試器只能使用微控制器的內(nèi)部比較器來設(shè)置斷點，而在大多數(shù)情況下只有兩個可用。在有數(shù)萬行代碼的復(fù)雜程序中，只有兩個可用的斷點可能會導(dǎo)致開發(fā)人員把時間浪費斷點切換上，也可能會導(dǎo)致開發(fā)人員錯過軟件中的關(guān)鍵點，從而錯過潛伏的漏洞。這樣一來，可能會導(dǎo)致編碼時間更長，反而增加了開發(fā)成本并影響了上市時間。

專業(yè)級調(diào)試器提供的算法不僅可以使用硬件斷點，還可以使用軟件和閃存斷點，為開發(fā)人員提供了更多的靈活性，而且用來評估代碼的斷點數(shù)量幾無限制。

當(dāng)然專業(yè)級調(diào)試器不便宜。它們的價格可以輕松標到幾百到幾千美元。但它們?yōu)殚_發(fā)人員帶來了不可計算的投資回報，并能使用多年，無需升級或更換。選擇調(diào)試器時，開發(fā)人員應(yīng)該問自己幾個問題：

調(diào)試器的斷點數(shù)是否無限制?

這是一款可以與幾乎所有工具鏈和微控制器配合使用的第三方調(diào)試器嗎?

五年后這個調(diào)試器還能使用嗎?

這個調(diào)試器有很好的生態(tài)系統(tǒng)嗎?

調(diào)試器的能力可以擴展嗎?

因為符合上述標準而變得非常受歡迎的一款第三方調(diào)試器是 Segger J-Link。根據(jù)開發(fā)人員的需求，Segger J-Link 可提供不同的版本。其中包括 J-Link Base Unit、J-Link Plus、J-Link Ultra Plus 和 J-Link Trace(圖 1)。

Segger J-Link 調(diào)試器型號比較圖片

圖 1：Segger J-Link 調(diào)試器型號比較。(：Segger)

使用調(diào)試器跟蹤和分支檢測來揪出潛藏的錯誤

高級調(diào)試器(通常也是最昂貴的)配備 ETM 跟蹤連接器，可以獲得大量跟蹤數(shù)據(jù)，這是使用 JTAG 或 SWD 的標準跟蹤無法實現(xiàn)的。

使用高級跟蹤功能，開發(fā)人員可以將調(diào)試器與商業(yè)工具鏈(如適用于 ARM 的 Keil MDK-PRO)連用，來監(jiān)視系統(tǒng)中的每一行代碼在測試期間是否得到執(zhí)行。如下例所示，針對 ARM 的 Keil MDK-PRO 與跟蹤調(diào)試器一并運行，檢測到了那些代碼行在測試期間得到執(zhí)行(圖 2)。這種跟蹤對于需要 100% 測試覆蓋的安全關(guān)鍵型系統(tǒng)非常有用。在未測試代碼之處，可能會潛藏錯誤并在以后導(dǎo)致問題。

在調(diào)試模式下運行的用于 ARM 的 Keil MDK-PRO 圖片

圖 2：在調(diào)試模式下運行并對軟件執(zhí)行分支分析的用于 ARM 的 Keil MDK-PRO。左側(cè)的綠色塊表示在測試期間得到執(zhí)行的代碼行。(圖片：Keil)

如果開發(fā)人員不想購買成熟的跟蹤工具，則可以使用 SWD 進行跟蹤。在這種情況下，開發(fā)人員可以選擇使用如 Segger 的 SystemView 或 Percepio 的 Tracelyzer 之類軟件工具將跟蹤信息流傳輸?shù)皆?PC 上執(zhí)行的應(yīng)用程序。這些跟蹤系統(tǒng)通常在 RTOS 中工作，并且需要幾行代碼來設(shè)置跟蹤任務(wù)、捕獲數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到調(diào)試器，然后再發(fā)送到 PC 上。

顯示軟件跟蹤的輸出示例(圖 3)。開發(fā)人員可以使用這些工具來檢測諸如優(yōu)先級轉(zhuǎn)換、死鎖、線程饑餓以及許多在復(fù)雜系統(tǒng)中可能遇到的其他問題。每個任務(wù)都有一條生命線，顯示其何時就緒、何時執(zhí)行、何時完成，以及在此期間可能發(fā)生的任何事件，例如發(fā)出和接收信號。

專業(yè)開發(fā)人員需要這樣的細節(jié)，同樣地，也要求他們使用的調(diào)試工具能夠檢索這類信息。

Percepio 的 Tracealyzer 圖片

圖 3：使用如 Percepio 的 Tracealyzer 之類工具檢查軟件操作，并查看執(zhí)行時間和時間長短。(圖片：Digi-Key)

最大限度利用調(diào)試器的技巧與竅門

調(diào)試工具有很多功能，但有時可能受限于為應(yīng)用選擇的微控制器。開發(fā)人員需要了解其調(diào)試器的功能，并要將其與微控制器正確配對?，F(xiàn)今的許多調(diào)試器都可與 ARM? Cortex?-M 微控制器配合使用，開發(fā)人員在調(diào)試這些系統(tǒng)時應(yīng)考慮以下幾個因素：

避免通過 UART 進行 printf。而應(yīng)使用 ITM 端口來獲得更好的性能

不要逐條查看代碼，使用高級斷點來提高調(diào)試效率

選擇一個通過服務(wù)器控制的調(diào)試器，以便為多個應(yīng)用提供調(diào)試數(shù)據(jù)，即自定義分析儀、跟蹤、調(diào)試環(huán)境等等。

調(diào)整調(diào)試器使用的默認時鐘速率，因該速率通常比最大值慢得多

在開發(fā)周期的早期階段設(shè)置跟蹤，以建立比較基準

使 SWO 能夠從系統(tǒng)獲取更多信息

在硬件、軟件和閃存斷點之間進行選擇性選擇，以最小化實時性能影響

使用這些技巧可以幫助開發(fā)人員從調(diào)試器及其調(diào)試會話中獲取更多信息。

使用商業(yè)編譯器降低成本

GCC 是一款極受歡迎且大獲成功的編譯器。它與商業(yè)工具相比有一個優(yōu)點就是免費!免費并不意味著編譯器的質(zhì)量和輸出將產(chǎn)生與商業(yè)工具同等的可執(zhí)行代碼。事實上，在許多情況下，將 GCC 與商業(yè)編譯器(如用于 ARM 的 Keil MDK-PRO 或 IAR Embedded Workbench)進行比較，得出的結(jié)果是，GCC 使用的代碼規(guī)模更大，占用的 RAM 空間更多。Renesas 甚至在他們的 Synergy 平臺規(guī)格書中顯示了這一點(圖 4)。

在圖中，Renesas 使用 EEMBC CoreMark? 對其編譯器進行了基準測試，顯示了 IAR 編譯的代碼比 GCC 編譯的代碼更快。

基準測試還顯示，使用商業(yè)級編譯器可以顯著減少代碼規(guī)模。乍一看，開發(fā)人員可能會認為購買諸如用于 ARM 的 Keil MDK-PRO 之類工具不值得投資，而應(yīng)該使用 GCC。但是，當(dāng)開發(fā)人員使用包含 128 KB 代碼空間的微控制器(如 NXP MK20DX128)并發(fā)現(xiàn)使用 GCC 應(yīng)用程序需要 132 KB 時，會發(fā)生什么?

若發(fā)生這種情況，開發(fā)團隊就被迫要尋找一個具有足夠內(nèi)存但卻更為昂貴的引腳兼容器件，如 NXP MKD20DX256。如果該公司只能生產(chǎn)適量的產(chǎn)品，那么每年花在 MCU 上的成本可能會超過最初投資于商業(yè)編譯器上的成本。

使用商業(yè)編譯器也有其他優(yōu)勢，有助于降低成本，例如：

代碼分析功能，如分支檢測

軟件復(fù)雜性測量

高效生成代碼

卓越的調(diào)試工具和功能

技術(shù)支持

集成到驅(qū)動程序庫和框架