Konspekt_lektsy_MPT
.pdfПроцесс отладки МПУ можно разделить на три вида: автономная отладка АС (левая ветвь на рисунке 8.3), автономная отладка ПС (правая ветвь на рисунке 8.3) и комплексная отладка МПУ (нижняя часть рисунка 8.3). Указанные выше виды работ относятся к комплексной отладке МПУ. Прежде чем приступить к комплексной отладке МПУ, должны быть проведены и отлажены АС и ПС по отдельности.
Автономная отладка АС МПУ. При отладке первоначально обеспечивается работоспособность отдельных устройств МПУ — микропроцессора, ОЗУ, устройств ввода-вывода, магистральных адаптеров и шинных формирователей, устройств сопряжения с объектом, функциональных аппаратных блоков и других устройств. При этом уточняются спецификации и требования к АС МПУ, схемы, чертежи и реальная аппаратура прототипа МПУ. После отладки отдельных устройств МПУ проверяется их взаимодействие. Особо контролируются работоспособность системных магистральных шин данных, адреса и управления (ШД, ША и ШУ) и прием и выдача сигналов на магистральные шины всех связанных магистралью устройств. Проверяются временные диаграммы МП и временные соотношения сигналов МПУ и их комбинаций, форма и уровни импульсов и т. д.
Методы и технические средства, используемые в процессе автономной отладки АС МПУ, в большинстве случаев являются независимыми от типа МП и аналогичны методам и средствам отладки цифровой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) на интегральных схемах с малой степенью интеграции.
Автономная отладка ПС МПУ. При отладке производится тестирование и проверка ПС с помощью программно-логической модели – ПЛМ (в некоторых литературных источниках используется термин симулятор) целевого МП на ЭВМ, построенной либо на базе
101
МП того же типа, что и целевой (резидентные средства), либо на базе МП, не совпадающего с целевым МП (кросс-средства). Средства автономной отладки ПС МПУ являются зависимыми от типа целевого МП, т. е. специализированы для каждого типа МП или семейства МП.
Комплексная отладка МПУ. Отладку выполняют после проведения автономных отладок АС и ПС. При комплексной отладке МПУ происходит интеграция АС и ПС и отлаживаются внешние функции МПУ.
Этот вид отладки не является механическим объединением двух предыдущих автономных видов и существенно отличается от них. Комплексная отладка МПУ имеет свои цели, методы и средства, большая часть которых не совпадает с автономными видами отладки. Однако при комплексной отладке приходится, как это указывалось выше, неоднократно проходить цикл проектирования, в процессе которого могут быть использованы методы и средства автономных видов отладки. Если методы и средства автономных видов отладки разработаны и широко применялись до широкого применения МП в МПУ, то методы и средства комплексной отладки в основном разработаны после начала широкого применения МП и МПУ в различных сферах человеческой деятельности.
8.3. Функция средств отладки
Для рассмотренных выше видов работ, выполняемых в процессе отладки, необходимо сформулировать основные функции отладочных средств.
8.3.1. Автоматизация |
программирования |
МПУ |
или |
разработки ПС. |
|
|
|
Это очень важная и обязательная функция всех современных
отладочных средств, охватывающая этапы проектирования ПС от
102
разработки исходных текстов до получения загрузочного модуля и корректировки и доработки ПС в процессе отладки. Указанная функция отладочных средств обеспечивает автоматизированный переход от высших уровней представления ПС МПУ к низшим уровням. Автоматизация составления и формирования исходных текстов и дальнейших их преобразований до получения загрузочных модулей является объективно необходимой функцией отладочных средств, так как облегчает наиболее рутинные и формальные этапы труда разработчика МПУ. При этом автоматизация формальных преобразований абстрактных представлений ПС исключает появление дополнительных ошибок, которые неизбежны при ручных способах преобразования, обнаруживает, и исправляет некоторые синтаксические ошибки программиста, сокращает время разработки и улучшает условия труда.
Однако может возникнуть вопрос: зачем нужно совмещать традиционные функции проектирования ПС с функциями отладки МПУ?
Это необходимо, так как, во-первых, трудно четко разделить процессы проектирования и отладки МПУ и, во-вторых, для исправления ошибок в ПС, их корректировки и доработки в процессе отладки МПУ используются те же методы и средства.
Следует учесть, что при отладке ошибки в ПС обнаруживаются на функциональном уровне при выполнении программы в виде загрузочного модуля, а исправлять их нужно на высшем уровне - исходных текстов программы и затем повторить весь процесс их формальных преобразований.
При разработке ПС и отладке МПУ выполняется ряд следующих этапов: составление и редактирование исходных текстов программ, трансляция, связывание отдельных программных модулей в единый загрузочный модуль, автономное тестирование и отладка ПС и др.
103
8.3.2. Управление прототипом МПУ при комплексной отладке.
Выполнение этой общей функции отладочных средств можно представить в виде следующих конкретных функций: пошагового функционирования МПУ, непрерывное выполнение программы МПУ с заданного адреса, прерывание или остановка функционирования МПУ по заданному условию и др.
8.3.3. Контроль функционирования и регистрации состояния
МПУ.
Эта функция тесно связана с предыдущей функцией управления МПУ, так как отладочные средства управляют прототипом МПУ с
целью его контроля, обнаружения и анализа ошибок функционирования. В процессе контроля функционирования и регистрации состояния МПУ выполняются следующие конкретные функции: регистрация состояния и изменения содержимого памяти и регистров, запоминание и регистрация состояния АС в режиме непрерывного выполнения программы и др.
8.3.4 Запись отлаженных программных средств в БИС ППЗУ.
После завершения отладки полностью проверенная и отлаженная программа записывается в программируемые БИС ППЗУ, которые затем устанавливаются в прототип МПУ. Запись в БИС ППЗУ осуществляется на специальном устройстве - программаторе, входящем в состав отладочных средств. Входной информацией для программатора является отлаженный загрузочный модуль на одном из видов машинных носителей. На выходе получается запрограммированная БИС ППЗУ. Программирование осуществляется в автоматическом режиме, чтобы при ручных операциях не внести искажения и ошибки в отлаженную программу.
104
8.4. МПУ как объект отладки
Применение отладочных средств не ограничивается только этапами разработки и проектирования МПУ. Жизненный цикл МПУ, как и других изделий, включает в себя фазы разработки, производства и эксплуатации. Однако особенность структурного состава МПУ, включающего четко выделенные и в то же время тесно взаимосвязанные АС и ПС, определяет также особенность жизненного цикла МПУ. Наличие ПС в составе МПУ придает ему свойство гибкости при перестройке на новые условия и приводит к необходимости их сопровождения на этапах подготовки производства, производства и эксплуатации МПУ. Причины этого те же, что вызывают необходимость сопровождения вообще любых ПС:
во-первых, в программах, как правило, остаются ошибки, не выявленные в процессе отладки и тестирования;
во-вторых, в ходе подготовки производства, ведения производства и эксплуатации возникает необходимость внесения изменений в ПС и их дальнейшее совершенствование (так называемое авторское сопровождение изделия);
в-третьих, практически любые изменения аппаратурной части МПУ в результате изменения технологии или совершенствования характеристик могут вызывать необходимость изменения ПС.
При изменениях ПС или АС на любом этапе жизненного цикла МПУ необходимо использовать отладочные средства.
Можно указать следующие случаи применения отладочных средств в процессе производства и эксплуатации МПУ:
-доработка МПУ и устранение ошибок проектирования в процессе подготовки производства;
-модернизация МПУ с целью введения новых функций;
-модернизация аппаратуры МПУ, применение новой элементной
105
базы, новых технологий изготовления и т. д.;
-перепрограммирование и настройка МПУ на новые внешние условия и объекты;
-техническое обслуживание и ремонт МПУ.
Очевидно, что сформулировать требования к средствам отладки МПУ можно только того, когда сам МПУ будет проанализирован не с точки зрения его функциональных особенностей, а как объект отладки. Такой подход позволит более глубоко и полно проанализировать и сами методы и средства отладки.
Наиболее важные особенности МПУ – с этой точки зрения, следующие:
Высокая степень интеграции СБИС МП или ОЭВМ.
Применение СБИС позволяет обеспечить более выгодные характеристики устройства при изготовлении и эксплуатации. В то же время полный контроль работоспособности таких СБИС с помощью стандартной аппаратуры практически невозможен и требует специальных методов и средств. Особенно затруднены все виды контроля СБИС непосредственно в составе МПУ.
Отсутствие физического доступа к внутренним узлам и элементам СБИС и ограниченное число контрольных точек. Эта особенность связана с ограниченным количеством выводов СБИС. Как правило, разработчики МП или ОЭВМ стараются максимально использовать то количество выводов, которое предоставляет стандартный корпус СБИС для целей, необходимых при штатном функционировании СБИС (интерфейсы, порты ввода/вывода и т.д.). Для нужд отладки разработчики оставляют очень ограниченное количество выводов.
Тесная взаимосвязь АС и ПС МПУ. Эта особенность приводит к трудностям при анализе и выявлении причин ошибок и
106
функциональных сбоев МПУ, так как большинство функций реализовано программно – аппаратным способом и не поддаются простому разделению на программную и аппаратную составляющие.
Например, при настройке обнаружилось, что МПУ не выполняет некие действия, запуском для которых служит приход на порт ввода/вывода конкретной команды. Что это – неисправность порта (дефект АС) или ошибка в программе (дефект ПС)?
Существенные архитектурные различия типов МП и ОЭВМ.
МП и ОЭВМ различных семейств различаются архитектурой, организацией шин, системой команд, способами запроса и предоставления прерываний. Это препятствует разработке единых средств и методов контроля и отладки и способствует разрастанию их ассортимента.
Шинная организация МПУ. Приводит к необходимости перед началом отладки провести тщательный контроль работоспособности всех шин МПУ – каждой в отдельности и совместно. Кроме того, при отладке приходится учитывать тип и специфику шин конкретного отлаживаемого МПУ.
Работа МПУ в реальном времени. Работа с реальным объектом требует проведения отладки и контроля в реальных условиях, на реальных скоростях, с реальными потоками данных, с реальными рабочими программами, с реальными сигналами управления.
Способность МПУ к самоконтролю. Грамотно сконструированное МПУ должно содержать как в АС, так и в ПС средства самоконтроля и самодиагностики. Подобные средства существенно сокращают время отладки и повышают ценность МПУ в глазах заказчика.
Кроме того, наличие встроенных средств самоконтроля позволяет МПУ самостоятельно отслеживать аварийные ситуации.
107
Грамотный разработчик АС и ПС обязательно примет меры, чтобы сбой или отказ АС не привел к ошибочным действиям МПУ или выдаче ошибочной информации оператору МПУ.
8.5. Требования, предъявляемые к системе отладки
Все требования, предъявляемые к системе отладки, можно разделить на две группы:
-требования невидимости самой системы отладки – с точки зрения отлаживаемого МПУ;
-требования к возможностям (сервису), которые система отладки предоставляет оператору.
8.5.1. Требования невидимости
Следует различать требования аппаратной невидимости – когда не требуется проводить никаких доработок АС, а эмулируемые узлы ведут себя полностью неотличимо от штатных, и требования программной невидимости – когда ПС не способны обнаружить наличие средства отладки.
Конечно же, требования невидимости являются труднодостижимым идеалом. Однако степень их выполнения удобно применять при сравнении средств отладки между собой, особенно если средства отладки принадлежат к разным типам и прямое сравнение невозможно.
Очень часто нарушения требований программной и аппаратной невидимости оказываются настолько тесно связаны между собой, что тяжело говорить о нарушении только одного из этих требований. Например - установка дополнительного ПЗУ (- АС), занимающего адресное пространство МПУ (- ПС).
Требования невидимости возникают из-за того, что средство отладки так или иначе занимает часть ресурсов отлаживаемого
МПУ. Это может произойти из-за неполной адекватности эмуляции
108
(например - ограничения в скорости работы эмулируемого МП или ОЭВМ), или из-за того, что часть ресурсов оказывается занятой ресурсами средства отладки.
Различие в скорости работы МПУ при отладке и при штатной работе приводит к тому, что завершение процесса отладки нельзя считать гарантией правильной работы МПУ – очень многие функции взаимодействия МП с внешними устройствами могут оказаться зависящими от скорости обмена на шине МПУ.
Например, внешнее устройство, нормально работающее с «заторможенным» средством отладки МП, может оказаться слишком медленным для штатной работы. При этом возможны какие угодно искажения данных…
Случай, когда средство отладки явно задействует те или иные аппаратные или программные ресурсы объекта отладки накладывает явные ограничения на возможности разрабатываемого МПУ.
Разработчик обязан учитывать эти ограничения, освобождая данные ресурсы на нужды средств отладки. Таким образом, разработчику приходится работать с «урезанным» вариантом МПУ, что, естественно, не может улучшить тактико–технических данных разработки.
Если, например, средство отладки требует для своих нужд запрос прерывания, а у данного МП он является единственным (так очень часто и бывает), то разработчик вынужден строить МПУ, рассчитанное на работу без прерываний.
Если средство отладки требует отрезка адресного пространства, то разработчик вынужден ограничить размеры программы для МПУ – исключительно для совместимости со средством отладки.
109
Если средство отладки использует какой-нибудь ресурс совместно с отлаживаемым МПУ, то тут возможны коллизии совсем иного рода.
Например, сбой ПС МПУ, долго устраняемый в процессе отладки ПС, может оказаться, например, результатом переполнения стека средством отладки, работающим совместно с ПС. Вне средства отладки этот «дефект» ПС может и не существовать…
Гораздо более неприятным случаем оказываются системы отладки, которые требуют проводить какие-либо аппаратные доработки отлаживаемого МПУ. Признаком такого случая являются фразы в эксплуатационной документации на средство отладки типа следующей: «разрежьте связь, подходящую к DD9/3 и подключите оба конца к проводам … средства отладки».
При применении такого средства отладки не исключено повреждение прототипа МПУ при подключении и отключении самого средства отладки. Кроме того, успешное завершение отладки вовсе не означает безусловную способность МПУ к автономной работе, а сбои и плохая работа МПУ при отладке могут говорить только о том, что приемники и передатчики в цепи, которая подверглась доработке не предназначены для работы с кабелем и длинными линиями…
Мало приемлемым является и тот случай, когда предполагаемое к использованию средство отладки требует включить в схему МПУ специфические узлы (дополнительное ПЗУ, порты ввода/вывода), нужные только средству отладки.
Эти детали, а, как правило, такой узел состоит не из одной микросхемы, стоят денег, занимают место на плате, осложняя ее разводку, нагружают блок питания. Это притом, что используется этот узел единожды – при отладке собранного изделия. Не следует забывать, что эти дополнительные детали могут выйти из строя с той же вероятностью, что и основные.
110