李瑞娟

(柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006 )

0 引言

微處理器內(nèi)核運(yùn)行過(guò)程一直是學(xué)生在學(xué)習(xí)微控制器原理相關(guān)知識(shí)過(guò)程中的難點(diǎn)。通過(guò)開(kāi)發(fā)微控制器的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生直接能夠觀測(cè)到微控制器內(nèi)部的運(yùn)行過(guò)程和運(yùn)行機(jī)制，能夠極大提高學(xué)生對(duì)微控制器的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，同時(shí)能夠讓學(xué)生理解微控制器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制[1-2]。然而由于微控制器內(nèi)部的運(yùn)行過(guò)程一般難以直接進(jìn)行觀測(cè)，而且也沒(méi)有很好的工具或者環(huán)境能夠時(shí)時(shí)地觀測(cè)微控制器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行過(guò)程。目前采用的一般方式是通過(guò)模擬仿真軟件來(lái)模擬微控制器的運(yùn)行過(guò)程。通過(guò)模擬仿真軟件為用戶提供的微控制器內(nèi)部計(jì)算器，內(nèi)存和IO端口等數(shù)據(jù)交換窗口讓用戶能夠觀測(cè)到微控制器內(nèi)部的運(yùn)行過(guò)程。然而基于模擬軟件的微控制器過(guò)程及實(shí)驗(yàn)環(huán)境只能夠?yàn)橛脩籼峁┪⒖刂破鲀?nèi)部觀測(cè)的機(jī)會(huì)，無(wú)法為用戶提供更多功能更全面的微控制器內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制的相關(guān)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，也不支持用戶在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)針對(duì)微控制器內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制的相關(guān)實(shí)驗(yàn)[3-4]。為了提高其組織機(jī)構(gòu)和工作機(jī)制的問(wèn)題深入學(xué)習(xí)和研究，除了需要能為學(xué)生提高微控制器內(nèi)部可視化環(huán)境，更為學(xué)生提供在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和更加復(fù)雜和深入的微控制器相關(guān)實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)[5-6]。

因此，本文對(duì)微控制器運(yùn)行之后，提出了一種可視化的微控制器運(yùn)行過(guò)程和分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?yàn)橛脩籼峁┪⒖刂破鲀?nèi)部執(zhí)行過(guò)程的相關(guān)信息的輸出。而且該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)對(duì)微控制器運(yùn)行過(guò)程的模擬，及輸入輸出接口的映射。還能夠?yàn)橛脩粼诖嘶A(chǔ)上在對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)一些針對(duì)微控制器內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生對(duì)微控制器內(nèi)部進(jìn)行機(jī)制深入地學(xué)習(xí)和理解。

1 可視化分析平臺(tái)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的可視化微控制器分析設(shè)計(jì)平臺(tái)（如圖1所示），主要需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：①能夠?qū)ξ⒖刂破鞯倪\(yùn)行過(guò)程進(jìn)行展示，并將微控制器各主要計(jì)算器以及內(nèi)存IO端口等信息進(jìn)行輸出，給用戶以直觀的展示；②可視化微控制器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?yàn)槲⒖刂破鲀?nèi)部執(zhí)行過(guò)程管理的相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供環(huán)境和支撐。因此，可視化分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在設(shè)計(jì)上首先能夠完全模擬微控制器的運(yùn)行過(guò)程，能夠準(zhǔn)確將微控制器運(yùn)行過(guò)程的各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行記錄，通過(guò)一定軟硬件模塊將信息進(jìn)行輸出，同時(shí)也能夠?qū)ν鈬斎氲南嚓P(guān)的微控制器運(yùn)行過(guò)程相關(guān)控制信息進(jìn)行接收和處理，并對(duì)微控制器的相關(guān)信息進(jìn)行正確響應(yīng)[7-8]。由于可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的相關(guān)控制實(shí)驗(yàn)是在可視化運(yùn)行平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，整個(gè)實(shí)驗(yàn)最基礎(chǔ)的部分是對(duì)分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的可視化微控制器運(yùn)行平臺(tái)如圖1所示，從圖中可以看出，微控制器運(yùn)行過(guò)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心是基于微處理器的嵌入式平臺(tái)。在該平臺(tái)上運(yùn)行虛擬化的模擬軟件，實(shí)現(xiàn)該控制器的詳細(xì)模擬[9-10]。當(dāng)用戶需要監(jiān)測(cè)微控制器上的執(zhí)行某一段程序的詳細(xì)過(guò)程時(shí)，則將該程序段送入虛擬化的模擬環(huán)境中進(jìn)入模擬運(yùn)行。虛擬環(huán)境能夠模擬微控制器的運(yùn)行過(guò)程，將目標(biāo)程序的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行輸出，同時(shí)還能夠模擬目標(biāo)程序在運(yùn)行模擬階段對(duì)微控制器的影響。

圖1 基于虛擬化技術(shù)的可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

通過(guò)虛擬化的運(yùn)行環(huán)境，對(duì)目標(biāo)程序的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行模擬之后，能夠得到目標(biāo)程序在在運(yùn)行過(guò)程中微控制器各個(gè)部件的狀態(tài)和運(yùn)行結(jié)果。之后在基于微處理器的嵌入式平臺(tái)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的可視化分析程序，對(duì)虛擬化運(yùn)行環(huán)境得到的各個(gè)狀態(tài)信息及運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行輸出，在本文設(shè)計(jì)可視化分析平臺(tái)中，主要對(duì)微控制器的各種IO信息，內(nèi)存信息以及計(jì)算器信息進(jìn)行輸出，采用不同的數(shù)據(jù)映射模塊實(shí)現(xiàn)虛擬化運(yùn)行環(huán)境中得到的運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息往外輸出[11-12]。在可視化分析平臺(tái)的外圍，設(shè)計(jì)一定的可視化顯示終端，主要包括LED指示燈，LED，以及LCD顯示屏等顯示終端。而且每一種顯示終端都對(duì)應(yīng)不同類(lèi)型的信息的顯示，通過(guò)這種基于虛擬化技術(shù)的可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)將目標(biāo)程序運(yùn)行的全過(guò)程的相關(guān)信息可以輸出，用戶可以通過(guò)觀測(cè)可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)輸出的各種目標(biāo)程序的詳細(xì)運(yùn)行過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)微控制器執(zhí)行過(guò)程的理解。

2 微控制器運(yùn)行過(guò)程可視化研究

微控制器運(yùn)行過(guò)程的可視化研究主要研究如何將運(yùn)行過(guò)程的信息進(jìn)行采集。并將采集到的信息加以輸出。由于目前微控制器在設(shè)計(jì)上并不支持用戶直觀的觀測(cè)到微控制器的運(yùn)行過(guò)程，也沒(méi)有相應(yīng)的接口供用戶進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。因此微控制器運(yùn)行過(guò)程，對(duì)用戶來(lái)講是一個(gè)黑盒。為了觀測(cè)和研究微控制器的運(yùn)行過(guò)程，首先要建立虛擬的仿真平臺(tái)，在仿真環(huán)境下將微控制器的各種硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。然后當(dāng)微控制器加載了目標(biāo)程序之后，對(duì)目標(biāo)程序的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和跟蹤，并對(duì)全過(guò)程實(shí)行信息的采集，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微控制器運(yùn)行過(guò)程的原始信息的獲取。

微控制器在運(yùn)行過(guò)程中，所有的狀態(tài)信息主要表現(xiàn)在計(jì)算器，IO端口，內(nèi)存等三個(gè)部分。因此對(duì)微控制器進(jìn)行模擬的時(shí)候需要分別模擬微控制器內(nèi)部的計(jì)算器，IO端口和內(nèi)存信息變化過(guò)程。在建立虛擬環(huán)境微控制器執(zhí)行過(guò)程的時(shí)候，虛擬環(huán)境一般會(huì)模擬微控制器內(nèi)部的所有硬件結(jié)構(gòu)，包括計(jì)算機(jī),IO端口和內(nèi)存。因此，在虛擬環(huán)境當(dāng)中，能夠準(zhǔn)確得到微控制器運(yùn)行過(guò)程中這三類(lèi)信息的變化過(guò)程。能夠通過(guò)直觀的可視化界面進(jìn)行認(rèn)識(shí)，因此在獲取了微控制器在虛擬環(huán)境中運(yùn)行的各類(lèi)信息之后，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的可視化顯示程序，將采集到的各種信息輸出來(lái)，即所有的信息需要從虛擬環(huán)境中映射到外部處于控制功能的平臺(tái)，即處于圖一中間位置的微處理器嵌入式平臺(tái)，在該平臺(tái)中要開(kāi)辟一段存儲(chǔ)區(qū)域?qū)μ摂M化運(yùn)行環(huán)境中目標(biāo)微處理器的相關(guān)計(jì)算器，IO端口，和內(nèi)存信息進(jìn)行存儲(chǔ)。然后根據(jù)所存儲(chǔ)的內(nèi)容和種類(lèi)不同，由可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的相關(guān)顯示設(shè)備進(jìn)行輸出示。

3 可視化模塊的設(shè)計(jì)

3.1 寄存器的可視化設(shè)計(jì)

可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要包括三個(gè)不同信息內(nèi)容的可視化實(shí)現(xiàn)。即寄存器的可視化信息實(shí)現(xiàn)，IO端口的可視化信息顯示和內(nèi)存的可視化實(shí)現(xiàn)。其中寄存器的可視化顯示和 IO端口的顯示都可以通過(guò)LED燈的形式顯示。但是由于計(jì)算器的數(shù)量相對(duì)少少，信息比較固定。因此，LED的顯示一般都采用LED燈進(jìn)行顯示，在利用LED顯示計(jì)算器的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，每個(gè)LED代表一個(gè)計(jì)算器后位，通過(guò)LED的亮或滅代表寄存器的01比特?cái)?shù)值。由于LED燈可以直接通過(guò)微控制器控制，也可以由微控制器經(jīng)過(guò)三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，整個(gè)實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，因此對(duì)LED的顯示模塊不詳細(xì)介紹。

3.2 內(nèi)存的可視化設(shè)計(jì)

內(nèi)存的可視化顯示采用LCD屏的形式顯示，由于內(nèi)存區(qū)域較大，即使使用可視面積較大的LCD 屏幕，仍然難以把整個(gè)內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行顯示。因此對(duì)內(nèi)存信息進(jìn)行顯示的時(shí)候，必須選擇某一特定的地址區(qū)塊進(jìn)行顯示。對(duì)信息顯示的格式也分地址區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)兩個(gè)部分。如圖二所示，每次LCD屏幕上的信息只涉及到內(nèi)存信息當(dāng)中的一段數(shù)據(jù)的內(nèi)容，圖中給出的是基于LCD的內(nèi)存可視化實(shí)現(xiàn)原理圖，通過(guò)將內(nèi)存的數(shù)據(jù)映射到LCD屏幕的顯示區(qū)域，直接讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換之后顯示在LCD屏幕的可視區(qū)域當(dāng)中。為了提高 LCD屏幕的觀測(cè)范圍，可以將LCD屏幕設(shè)定不同的區(qū)域顯示不同的區(qū)塊，以便實(shí)現(xiàn)在一個(gè)LCD屏幕上對(duì)多個(gè)內(nèi)存區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視(如圖2所示)。

圖2 基于LCD的內(nèi)存可視化實(shí)現(xiàn)原理圖

3.3 堆棧的可視化設(shè)計(jì)

在對(duì)微控制器運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)時(shí)，微控制器運(yùn)行過(guò)程中還有一類(lèi)信息往往需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即微控制器運(yùn)行過(guò)程中的堆棧變化情況。而且在目前絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)中都使用了堆棧對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，堆棧是使用最為頻繁的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。而且隨著結(jié)構(gòu)的運(yùn)行時(shí)刻發(fā)生改變，因此對(duì)堆棧的運(yùn)行過(guò)程和堆棧信息內(nèi)容的理解一直是學(xué)生在學(xué)習(xí)嵌入式平臺(tái)中的難點(diǎn)，因此在開(kāi)發(fā)可視化的微控制器運(yùn)行過(guò)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，需要專門(mén)設(shè)計(jì)堆棧的可視化實(shí)現(xiàn)模塊。

本文設(shè)計(jì)的堆?？梢暬瘜?shí)現(xiàn)模塊，采用的是基于數(shù)碼管陣列的形式拼接顯示。由于每一個(gè)數(shù)碼管陣列所能夠顯示的行和列數(shù)目是有限的。為了能夠?qū)Χ褩Ｖ械臄?shù)據(jù)進(jìn)行完整的表示，構(gòu)建了一個(gè)數(shù)碼管陣列，數(shù)碼管陣列當(dāng)中的每一行代表堆棧當(dāng)中一行的數(shù)據(jù)。在數(shù)碼管的顯示區(qū)域內(nèi)，處于有效數(shù)據(jù)的最頂端代表的是堆棧的棧頂，數(shù)碼管對(duì)底端的數(shù)據(jù)代表的是堆棧棧底的數(shù)據(jù)?；跀?shù)碼管陣列的可視化示意圖如圖3所示，當(dāng)微控制器內(nèi)部程序處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，在執(zhí)行程序調(diào)用或者中斷等過(guò)程時(shí)，都會(huì)涉及到堆棧的壓棧和出棧等操作。通過(guò)基于數(shù)碼管陣列的可視化實(shí)現(xiàn)，可以讓用戶清楚地看到微控制器內(nèi)部堆棧增長(zhǎng)和退去的和過(guò)程，也能夠看到當(dāng)前堆棧當(dāng)中所存儲(chǔ)的所有數(shù)據(jù)，而且助于用戶理解微控制器中程序的運(yùn)行過(guò)程。

圖3 基于數(shù)碼管陣列的堆棧的可視化示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

微控制器的執(zhí)行過(guò)程一直是一個(gè)非常抽象的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)微控制器相關(guān)內(nèi)容的時(shí)候一直缺乏很好的環(huán)境和工具對(duì)微控制器過(guò)程進(jìn)行深入的理解和研究。這極大地阻礙了學(xué)生對(duì)微控制器相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，更缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和平臺(tái)，讓學(xué)生能夠?qū)ξ⒖刂破鞯膱?zhí)行過(guò)程開(kāi)展更為深入的實(shí)驗(yàn)和分析工作[13]。本文設(shè)計(jì)的可視化的微控制器執(zhí)行平臺(tái)能夠?yàn)閷W(xué)生提供一個(gè)功能強(qiáng)大的可視化環(huán)境，使得用戶能夠?qū)ξ⒖刂破鲀?nèi)部結(jié)構(gòu)以及程序的執(zhí)行過(guò)程做到實(shí)時(shí)的準(zhǔn)確的監(jiān)控，為用戶理解微控制器的執(zhí)行過(guò)程分析平臺(tái)。在此基礎(chǔ)在上，用戶可以通過(guò)此平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和功能擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微控制器執(zhí)行過(guò)程的相關(guān)控制和管理，為用戶開(kāi)設(shè)更加復(fù)雜的相關(guān)微控制器執(zhí)行處理機(jī)制的實(shí)驗(yàn)提供硬件支撐。

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