Работа № 2. средства отладки программного обеспечения

Цель работы: ознакомление с аппаратными и программными средствами отладки ПО; изучение команд отладчика среды AVR Studio; приобретение навыков отладки программ под управлением отладчика.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Особенность отладки ПО устройств на базе встраиваемых МП (в том числе однокристальных микроконтроллеров) состоит в отсутствии в их составе развитых средств для реализации пользовательского интерфейса и ограниченных возможностях системного ПО. В то же время именно для встраиваемых микропроцессорных систем этап отладки является чрезвычайно ответственным, так как для них характерна тесная взаимосвязь работы ПО и аппаратных средств.

Взаимодействие микропроцессора (микроконтроллера) с датчиками и исполнительными устройствами происходит путём передачи данных через регистры периферийных устройств (регистры ввода-вывода). Отдельные разряды таких регистров задают режимы работы периферийных устройств, имеют смысл готовности к обмену, завершения передачи данных и т. п. Состояние этих разрядов может устанавливаться как программно, так и аппаратно. При отладке ПО часто приходится переходить на уровень межрегистровых передач и проверять правильность установки отдельных разрядов. Кроме того, на этапе отладки может производиться оптимизация алгоритма, нахождение критических участков кода и проверка надёжности разработанного ПО.

Для решения указанных задач применяются аппаратные и программные средства отладки ПО (рис. 7).

Рис. 7. Классификация средств отладки программного обеспечения

К аппаратным средствам отладки относятся аппаратные эмуляторы и проверочные модули.

Аппаратные эмуляторы предназначены для отладки программного и аппаратного обеспечения микропроцессорных систем в режиме реального времени. Они работают под управлением «ведущего» компьютера, оснащённого специальным ПО – программами-отладчиками (см. ниже). Основными видами аппаратных эмуляторов являются:

— внутрисхемные эмуляторы или эмуляторы-приставки, замещающие микропроцессор в отлаживаемой системе;

— внутрикристальные эмуляторы, представляющие собой одно из внутренних устройств микропроцессора.

Внутрисхемный эмулятор (In-Circuit Emulator, ICE) – это устройство, содержащее аппаратный имитатор процессора и схему управления имитатором. При отладке с помощью эмулятора микропроцессор извлекается из отлаживаемой системы, на его место подключается контактная колодка, количество и назначение контактов которой идентично выводам замещаемого микропроцессора (рис. 8). С помощью гибкого кабеля контактная колодка соединятся с эмулятором. Управление процессом отладки осуществляется с персонального компьютера. Эмуляторам-приставкам присущи следующие недостатки: высо-кая стоимость, недостаточная надёжность, высокое энергопотребление, влияние на электрические характеристики цепей, к которым подключается эмулятор.

Рис. 8. Отладка с помощью внутрисхемного эмулятора

N – количество выводов процессора

Внутрикристальные эмуляторы (On-Chip Emulator) позволяют проводить отладку программ без извлечения микропроцессора из системы. При этом осуществляется непосредственный контроль за выполнением программы, так как

средства внутрикристальной отладки обеспечивают прямой доступ к регистрам, памяти и периферии микропроцессора. Наиболее распространённым средством внутрикристальной отладки является последовательный интерфейс IEEE 1149.1, известный как JTAG (Joint Test Action Group – Объединённая рабочая группа по автоматизации тестирования). Последовательный отладочный порт JTAG микропроцессора с помощью специального устройства сопряжения подключается к компьютеру, чем обеспечивается доступ к отладочным средствам процессора (рис. 9). Такой способ отладки также называют сканирующей эмуляцией. Достоинствами этого способа являются возможность выполнения различных действий на процессоре без его изъятия из системы, использование малого числа выводов процессора и поддержка его максимальной производительности без изменения электрических характеристик системы [12].

Рис. 9. Отладка с помощью внутрикристального эмулятора

Проверочные модули предназначены для быстрой отладки программного обеспечения в реальном масштабе времени. Проверочные модули бывают двух видов: стартовые наборы и отладочные платы.

Стартовые наборы (Starter Kit) предназначены для обучения работе с конкретным микропроцессором. Стартовый набор позволяет изучить характеристики микропроцессора, отладить не слишком сложные программы, выполнить несложное макетирование, проверить возможность применения микропроцессора для решения конкретной задачи. В состав стартового набора входят плата, ПО и комплект документации. На плате устанавливаются микропроцессор, устройство загрузки программ, последовательные или параллельные порты, разъёмы для связи с внешними устройствами и другие элементы. Плата подключается к компьютеру через параллельный или последовательный порт. Стартовые наборы удобны на начальном этапе работы с микропроцессором.

Отладочные платы (Evaluation Board) предназначены для проверки разработанного алгоритма в реальных условиях. Они позволяют проводить отладку и оптимизацию алгоритма с использованием установленной на плате периферии, а также изготовить на базе платы законченное устройство. Обычно на плате размещаются микропроцессор, схемы синхронизации, интерфейсы расширения памяти и периферии, схема электропитания и др. Плата подключается к компьютеру через параллельный или последовательный порт или непосредственно устанавливается в слот PCI.

Основными программными средствами отладки являются симуляторы и отладчики.

Симуляторы (simulator) или симуляторы системы команд представляют собой программы, имитирующие работу того или иного процессора на уровне его команд. Симуляторы обычно используются для проверки программы или её отдельных частей перед испытанием на аппаратных средствах.

Отладчики (debugger) представляют собой программы, предназначенные для анализа работы созданного программного обеспечения. Можно указать следующие возможности отладчиков.

1.Пошаговое выполнение. Программа выполняется последовательно, команда за командой, с возвратом управления отладчику после каждого шага.

2.Прогон. Выполнение программы начинается с указанной команды и осуществляется без остановки до конца программы.

3.Прогон с контрольными точками. При выполнении программы происходит останов и передача управления отладчику после выполнения команд с адресами, указанными в списке контрольных точек.

4.Просмотр и изменение содержимого регистров и ячеек памяти. Пользователь имеет возможность выводить на экран и изменять (модифицировать) содержимое регистров и ячеек памяти.

Отладчики ПО встраиваемых микропроцессоров обычно используются совместно с внутрисхемными или внутрикристальными эмуляторами, а также могут работать в режиме симулятора. Некоторые отладчики позволяют также выполнять профилирование, т. е. определять действительное время выполнения некоторого участка программы. Иногда функцию профилирования выполняет специальная программа – профилировщик (profiler).

Средства отладки ПО AVR-микроконтроллеров. Аппаратные средства отладки программного обеспечения AVR-микроконтроллеров представлены внутрисхемным эмулятором ICE50, внутрикристальным эмулятором JTAG ICE, а также стартовым набором STK500.

К программным средствам отладки ПО AVR-микроконтроллеров относятся отладчик и симулятор, входящие в состав среды AVR Studio. Отладчик среды AVR Studio позволяет проводить отладку программ как в исходных кодах (например, ассемблера), так и в кодах дизассемблера (оттранслированной или скомпилированной программы, записанной с помощью мнемоник ассемблера). Вызов окна с кодом дизассемблера производится командой Disassembler меню View или командой Goto Disassembly контекстного меню редактора исходного текста. Обратное переключение в окно исходного текста осуществляется командой Goto Source контекстного меню окна Disassembler.

Отладчик среды AVR Studio может использоваться с внутрисхемным эмулятором ICE50, внутрикристальным эмулятором JTAG ICE, отладочной платой STK500 или симулятором. Указание способа отладки производится при создании проекта. Симулятор среды AVR Studio предназначен для предварительной отладки программ без применения аппаратных средств. В дальнейшем в настоящем лабораторном практикуме для отладки создаваемых программ предполагается применение отладчика среды AVR Studioв режиме симулятора.

Отладка ПО в среде AVR Studio. Команды отладчика в программе AVR Studio находятся в меню Debug.

Переход в режим отладчика в средеAVR Studio осуществляется автоматически при использовании для трансляции программы команды Build and Run или командой Start Debugging меню Debug при использовании для трансляции команды Build. Выход из режима отладчика производится командой Stop Debugging меню Debug.

Пошаговое выполнение программы задаётся командами Step Into, Step Over меню Debug. Команда Step Into позволяет выполнить одну команду программы (в том числе команду вызова подпрограммы). Для завершения выполнения подпрограммы может использоваться команда Step Out. Команда Step Over также выполняет одну команду программы, но если это команда вызова подпрограммы, последняя полностью выполняется за один шаг. Следующая выполняемая команда (команда, адрес которой содержится в программном счётчике) обозначается символом в окне исходного текста программы. Сброс выполнения программы осуществляется с помощью команды Reset.

Прогон (запуск или продолжение выполнения) программы осуществляется командой Run. Для остановки выполнения программы служит команда Break.

Контрольные точки представляют собой специальные маркеры для программы-отладчика и могут быть трёх типов: точки останова, точки трассировки и точки наблюдения.

Точки останова задаются командой Toggle Breakpoint меню Debug или контекстного меню редактора исходного текста программы. Точка останова обозначается в редакторе исходного текста символом слева от помечаемой строки. Просмотреть заданные точки останова можно на закладке Breakpoints окна Output; там же точки останова могут быть запрещены (путём сброса флажка напротив точки останова) и разрешены (путём установки флажка). При достижении точки останова во время прогона программы её выполнение приостанавливается. Повторный вызов команды установки точки останова на той же строке программы приводит к удалению точки останова. Удалить все заданные точки останова позволяет команда Remove Breakpoints меню Debug или команда Remove all Breakpoints контекстного меню закладки Breakpoints окна Output. Параметры точки останова задаются в диалоговом окне Breakpoint Condition, вызов которого осуществляется командой Breakpoints Properties контекстного меню редактора исходного текста программы. Установка флажка Iterations позволяет задать количество итераций (повторных выполнений) команды до останова прогона программы. При установке флажка Watchpoint по достижению точки останова производится только обновление значений регистров и ячеек памяти в окнах просмотра. Флажки Iterations и Watchpoint не должны устанавливаться одновременно. Установка флажка Show message обеспечивает отображение сообщений о достижении точки останова на закладке Breakpoints окна Output. Вызов диалогового окна задания свойств и удаление точки останова могут быть произведены из контекстного меню закладки Breakpoints окна Output.

Точки трассировки предназначены для контроля выполнения программы в режиме реального времени. Трассировка позволяет отслеживать так называемую трассу программы – изменение содержимого регистров и ячеек памяти при выполнении определённых команд (команд, по адресам которых заданы точки трассировки). В среде AVR Studio функция трассировки может использоваться только при отладке программы с применением внутрисхемного эмулятора; при работе в режиме симулятора функция трассировки недоступна.

Точки наблюдения задаются командой Add to Watch контекстного меню редактора исходного текста программы. Точки наблюдения представляют собой символические имена регистров или ячеек памяти, содержимое которых необходимо отслеживать. При выполнении команды Add Watch на экране появляется окноWatches, разделённое на четыре столбца: Name (символическое имя точки наблюдения), Value (значение), Type (тип), Location (местонахождение). Новая точка наблюдения может быть также задана в выделенной ячейке столбца Name окна Watches или командой Quickwatch в окне редактора исходного текста программы (при этом курсор должен находиться на имени регистра или ячейки памяти). Значения, отображаемые в столбце Value, обновляются при изменении содержимого соответствующего регистра или ячейки памяти. Удалить заданные точки наблюдения можно из окна Watches.

Отладчик среды AVR Studio также обеспечивает следующие функции: выполнение до курсора (команда Run to Cursor меню Debug) и последовательное выполнение команд с паузами между ними (команда Auto Step меню Debug).

Для удобства использования в процессе отладки ряд команд отладчика доступен с клавиатуры (табл. 2).

Таблица 2

Команда отладчика	Клавиша	Команда отладчика	Клавиша
Run	F5	Step Into	F11
Break	Ctrl+F5	Step Out	Shift+F11
Reset	Shift+F5	Step Over	F10
Run to Cursor	Ctrl+F10	Toggle Breakpoint	F9

Для просмотра и изменения содержимого регистров и ячеек памяти служат команды Registers, Memory, Memory 1, Memory 2, Memory 3 меню View.

По команде Registers на экране отображается окно Registers, в котором приводятся шестнадцатеричные представления содержимого РОН. Изменение (модификация) содержимого регистров производится путём двойного щелчка мышью. Наблюдение за содержимым РОН может быть также произведено с помощью дерева устройств микроконтроллера, находящегося на закладке I/O окна Workspace. Для этого необходимо раскрыть объекты Register 0-15 и
Register 16-31 щелчком мыши по знаку «+».

Команды Memory, Memory 1, Memory 2, Memory 3 обеспечивают вызов оконMemory, служащих для отображения содержимого ячеек оперативной и энергонезависимой памяти данных, памяти программ, регистров ввода-вывода и РОН. Выбор типа памяти, отображаемой в окне Memory, производится с помощью списка, расположенного в панели управления окна (Data – оперативная память данных, Eeprom – энергонезависимая память данных, I/O – регистры ввода-вывода, Program – память программ, Register – РОН).

Для наблюдения за состоянием процессора необходимо раскрыть объект Processor закладки I/O окна Workspace. При этом будет отображена следующая информация: содержимое программного счётчика (Program Counter); содержимое указателя стека (Stack Pointer), количество тактов, прошедших с начала выполнения (Cycle Counter); содержимое 16-разрядных регистров-указателей X, Y и Z; тактовая частота (Frequency); затраченное на выполнение время (Stop Watch).

Для контроля содержимого регистров ввода-вывода необходимо раскрыть объект I/O * закладки I/O окна Workspace, где * – тип микроконтроллера. Регистры ввода-вывода, входящие в объект I/O, сгруппированы по типам периферийных устройств.

Модифицированные значения содержимого регистров и ячеек памяти действуют только во время текущего сеанса отладки, в исходный текст программы изменения не заносятся.

ЗАДАНИЕ

Провести отладку созданной в лабораторной работе № 1 программы с помощью симулятора-отладчика среды AVR Studio, проделав следующие операции.

1. Выполнить программу в пошаговом режиме, отслеживая изменение содержимого используемых в программе регистров. Обратить внимание на изменение содержимого программного счётчика. Сравнить содержимое программного счётчика при выполнении команд с их адресами в памяти программ, приведёнными в листинге трансляции и окне памяти программ.

2. Выполнить прогон программы. Проверить правильность результата работы программы.

3. Задать точку останова на команде загрузки в РОН числа В. Включить режим отображения сообщений о достижении точки останова. Выполнить прогон программы с контрольными точками. Задать точку останова на команде умножения. Выполнить прогон программы с контрольными точками. Удалить заданные точки останова.

4. Задать точки наблюдения в используемых РОН. Выполнить программу в пошаговом режиме, отслеживая изменение их содержимого.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА

Отчёт должен содержать: титульный лист с указанием номера и названия лабораторной работы, номера группы и фамилий выполнивших работу; цель работы; краткие теоретические сведения (классификацию средств отладки ПО, перечень основных функций программ-отладчиков); список использованных команд отладчикаAVR Studio с указанием их назначения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Классификация средств отладки прикладного ПО встраиваемых МП.

2.Виды и особенности аппаратных средств отладки ПО.

3.Основные функции программных средств отладки ПО.

4.Пошаговое выполнение программы и его возможности.

5.Особенности прогона программы с контрольными точками.

6.Контрольные точки: типы, назначение, использование.

Статьи к прочтению:

Логирование как способ отладки программного обеспечения

Похожие статьи: