面向快速嵌入式MCU设计的仿真

调试嵌入式应用有很多种方法。设计者利用包含电路内置仿真器（in-circuit emulator，ICE）和电路内置调试器（in-circuit debugger，ICD）的调试工具可以快速构建出系统原型，帮助设计者在建立原型阶段和最终测试阶段查找硬件和软件中的问题。在调试过程中，成本和易用性是人们主要关心的问题，相比ICE工具，设计者可能更喜欢使用仿真器来调试代码段，因为仿真器可以直接在PC上运行，不需要映射到目标硬件上。

仿真器使用起来非常方便，通过它们开发人员可以了解一款新型的MCU，或者熟悉一套新的集成开发环境（integrated development environment ，IDE）工具包，而不需要接触目标硬件。有的时候，设计者可以免费浏览某个供货商的所有MCU产品。例如，用户可以从官方网站上免费下载到Microchip的MPLAB IDE 和 MPLAB SIM仿真器（如图1所示）。



图1 很多仿真器（例如Microchip的MPLAB SIM）都为用户提供了快速调试应用程序所需的图形用户界面

仿真器提供了特殊调试功能

一般而言，仿真器运行在IDE环境下，并且具有与其他调试引擎类似的功能。用户在开始使用仿真器时通常用它来开发代码，当硬件设计完成后，可以用硬件调试器进行测试工作。仿真器能够实现的基本调试功能包括：执行代码验证其功能是否符合设计规范；复位目标系统重新运行应用程序；在断点处暂停程序执行；检查和修改存储内容与变量。

最新的仿真器具有某些硬件调试器所不具备的独特功能，利用这一类仿真器可以实现更多的功能。例如，可以轻松实现复杂情况下的中断执行——这是任何ICE和ICD工具都不具备的。通过事件计数和断点执行，用户可以构造出复杂事件。利用这种复杂断点，可以描述出代码行为异常的情况，追踪异常情况下的代码。这种方式相比在代码中设置简单断点和跳步执行，能够更快速地发现bug。

通过仿真分析代码

设计者可以利用仿真器响应引脚的输入输出信号，模仿MCU外设部件的行为。为了实现这一功能，有些高级仿真器就提供了能够模拟信号的复杂激励发生器。利用这一功能，用户可以通过向固件模块加载输入信号的方式来测试固件模块，例如，可以产生两个相隔50ns的中断信号。这种模拟信号的方式是利用真正的硬件很难做到的。激励发生器可以向器件引脚或仿真器内的寄存器发送信号。通过使用USART以I/O设备的方式或者使用寄存器日志的方式，可以将仿真器的行为记录到一个log文件中以便于后续分析。

大多数仿真器支持三种激励源。手动触发可以通过鼠标点击、产生重复波形的循环式激励，以及向引脚、寄存器或者寄存器中的某些位加载数据的连续型激励来产生。这些连续型数据可以输入对话框，或者来自于某个文件。仿真器还可以模拟外设部件，从而诸如A/D转换器、I/O引脚、串行通信设备和定时器等设备就可以被激活。这些外设可以采用仿真波形和模拟数字信号的输入，可以接受手工输入来模拟中断和传感器读数（如图2所示）。



图2 仿真器通常支持三种激励源并且具有方便的定义和配置功能

提高代码性能

大多数高级仿真器都能够将应用程序在目标系统上的执行过程与源代码关联起来，使设计者能够单步执行高级语言代码，例如C代码，即使每条C语句可能会生成多行机器代码。同样，文件寄存器中的存储器内容也能够与程序中使用的变量关联起来。因此，如果某个浮点数跨越多个机器文件寄存器，设计者就可以在观察点监测到该寄存器的内容，并以浮点表示形式显示出来。

利用仿真器还可以优化程序例程，精确测量并调整某些关键代码的执行时间。用户可以使用仿真器的秒表功能对一段代码的执行过程进行计时。根据处理器的频率，就可以对所执行的指令进行秒表计时。

秒表功能不是仿真器中测量时间的唯一方式。某些应用（例如电机控制）不允许在某个断点处中断运行。在这些情况下，将程序流和寄存器读写结果保存在追踪缓冲器（trace buffer）内就是一种好的替代办法。追踪缓冲器在指令执行的时候将其记录下来，并给每条指令打上一个时间戳。这样，当捕捉到追踪缓冲器内的事件后，就可以对其进行计时了。例如，捕捉到了一系列中断，那么就能够很容易地计算出中断之间的时间间隔，以及每个中断执行所花的总时间。

仿真器可以将寄存器值的变化情况记录到文件中，用于性能分析。利用仿真器，工程师可以观察出某个算法对多种输入的响应情况，从而对其进行测试或改进。例如，可针对多组已存数据（例如使用目标硬件从A/D转换器结果寄存器中读取的数据）进行快速傅立叶变换（FFT），但是要对所希望看到的数据类型进行总数控制。