楊繼森，張　靜

(重慶理工大學(xué)　機(jī)械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心 ，重慶　400050)

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嵌入式系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺仿真調(diào)試技術(shù)

楊繼森，張靜

(重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心 ，重慶400050)

為了提高嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與調(diào)試能力的培養(yǎng)，根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)了便攜式的嵌入式系統(tǒng)課程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，針對虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的程序仿真調(diào)試功能，提出了基于Proteus的遠(yuǎn)程仿真和基于GCC的本地仿真的兩種在線仿真調(diào)試技術(shù)。以虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的行列式鍵盤實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，針對兩種在線仿真調(diào)試技術(shù)在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺上分別進(jìn)行了程序仿真調(diào)試演示，進(jìn)一步完善了嵌入式系統(tǒng)課程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的功能。

嵌入式系統(tǒng)；虛擬實(shí)驗(yàn)平臺；仿真調(diào)試技術(shù)；Proteus；GCC

嵌入式技術(shù)是進(jìn)入21世紀(jì)以來PC時代IT領(lǐng)域最熱門的技術(shù)之一， 在各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。嵌入式技術(shù)獲得了巨大的發(fā)展機(jī)遇，嵌入式系統(tǒng)行業(yè)展現(xiàn)了美好的前景[1]。國內(nèi)很多高校的電子、計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)等相關(guān)專業(yè)相繼開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程，為國家和社會培養(yǎng)了大批優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)人才[2-3]。重慶理工大學(xué)從2003年在原有C51單片機(jī)課程的基礎(chǔ)上，開設(shè)了以NXP公司的ARM7微控制器LPC21XX系列為基礎(chǔ)的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用相關(guān)課程。選擇該課程的除了電子類專業(yè)的學(xué)生之外，其他非電類專業(yè)的學(xué)生也相當(dāng)多，每學(xué)年都有超過10個班的學(xué)生選擇了嵌入式系統(tǒng)課程。嵌入式技術(shù)大量應(yīng)用于全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽、重慶市大學(xué)生單片機(jī)設(shè)計(jì)競賽等，并取得了顯著成績。

1　課程教學(xué)現(xiàn)狀

嵌入式系統(tǒng)課程的顯著特點(diǎn)是實(shí)踐性強(qiáng)，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)十分重要[4-6]。目前，大多數(shù)高校都是在嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱上開展實(shí)驗(yàn)，這種方式可以讓學(xué)生直觀地了解嵌入式系統(tǒng)的原理，同時也存在一些不足[7-11]：1)近年來，由于高校擴(kuò)招，出現(xiàn)學(xué)生多、實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對較少的現(xiàn)象，學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)要分組、分批，實(shí)驗(yàn)時間較長且與理論課程有脫節(jié)的現(xiàn)象；2)這類實(shí)驗(yàn)箱價格昂貴，功能多而全，電路復(fù)雜，學(xué)生不易看懂，只能照本宣科地按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書機(jī)械地操作，不能真正參與到嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)中。

為了解決以上教學(xué)問題，更好地提高教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套嵌入式系統(tǒng)課程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺[12]，如圖1所示。

圖1　虛擬實(shí)驗(yàn)平臺

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中已經(jīng)開展了近兩年，反饋情況良好。1)借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生可將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目帶回寢室、圖書館開展，徹底解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備少、上機(jī)困難的問題。同時也解決了嵌入式系統(tǒng)課程工程實(shí)踐性強(qiáng)，有限的十幾個實(shí)驗(yàn)學(xué)時遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)踐要求的難題。2)利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，教師可以將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目帶入課堂，在課堂上利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行現(xiàn)場操作、演示，使枯燥的理論知識更加形象、生動，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生主動積極地利用課余時間開展嵌入式系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)，從教學(xué)時間與教學(xué)空間上拓展嵌入式系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)范圍，使教學(xué)質(zhì)量得到了提高。3)所有的課程作業(yè)都在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺上完成，可以即刻看到成果，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣大增。

在近兩年的應(yīng)用過程中，學(xué)生反映虛擬實(shí)驗(yàn)平臺使用簡單方便，但存在程序調(diào)試功能相對較弱的問題，程序有問題時，代碼調(diào)試不方便。針對該問題，介紹了兩種基于嵌入式系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的在線仿真調(diào)試技術(shù)，以進(jìn)一步完善虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的功能，促進(jìn)其在嵌入式系統(tǒng)課程實(shí)踐中教學(xué)的作用。

2　仿真調(diào)試技術(shù)

目前，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺主要使用Proteus(7.10版本)，軟件開發(fā)采用KeilMDK(4.23版本)平臺。Proteus軟件是英國LabcenterElectronics公司研發(fā)集模擬電路、數(shù)字電路、模/數(shù)混合電路以及多種微控制器系統(tǒng)為一體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真平臺[13]。KeilMDK是ARM公司目前最新推出的針對各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具，集成了業(yè)內(nèi)最領(lǐng)先的技術(shù)，包括μvision4集成開發(fā)環(huán)境與Realview編譯器。支持ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3核處理器的設(shè)計(jì)開發(fā)，其工作界面友好、使用簡單方便，廣泛應(yīng)用于嵌入式技術(shù)開發(fā)中。

2.1基于Proteus的遠(yuǎn)程仿真調(diào)試技術(shù)

基于Proteus的遠(yuǎn)程仿真調(diào)試技術(shù)主要利用Proteus仿真軟件提供的專有遠(yuǎn)程仿真調(diào)試插件，該插件的安裝文件為“vdmagdi.exe”(版本為1.0)，可以到Proteus仿真軟件的官方網(wǎng)站進(jìn)行下載。具體安裝操作步驟如下。

2.1.1插件安裝

安裝插件“vdmagdi.exe”到KeilMDK的安裝目錄，該插件同時支持ARM系列和C51系列單片機(jī)。安裝程序會安裝兩個動態(tài)鏈接庫文件到Keil安裝目錄下的ARMBIN文件夾中，VDM51.DLL支持C51系列，VDMARM.DLL支持ARM系列。可以在Keil安裝目錄下的ARM文件夾下新建文件夾VDMARM，并將VDMARM.DLL和VDM51.DLL文件拷貝到其中。

2.1.2修改Keil配置文件

打開Keil的安裝目錄，用文本編輯器打開Keil的配置文件TOOLS.INI，找到[ARMADS]欄目下的TDRV驅(qū)動配置項(xiàng)，在最后一個配置項(xiàng)后面按順序新加一個驅(qū)動配置項(xiàng)TDRVx=VDMARMVDMARM.DLL("ProteusVSMAGDI")，其中“TDRVx”中的“x”為順序號，個別安裝程序會有所不同。將該新加驅(qū)動配置項(xiàng)，加入到[ARMADS]欄目下支持ARM7/9系列的處理器配置序列CPUDLL0=SARM.DLL(TDRV0，TDRV5，TDRV6，TDRV7，TDRV8，TDRV9，TDRVx)。修改完成后，保存即可，配置結(jié)果如圖2所示(本主機(jī)驅(qū)動配置項(xiàng)為TDRV10)。

圖2　修改KEIL配置文件

2.1.3軟件配置

軟件配置主要配置Keil軟件和Proteus軟件。用Keil打開實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目工程，在目標(biāo)選項(xiàng)配置中打開Debug調(diào)試選項(xiàng)，在調(diào)試選項(xiàng)的下拉列表中選擇ProteusVSMAGDI選項(xiàng)，同時在setting選項(xiàng)中配置Proteus遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)地址與端口號，由于Keil與Proteus同在一臺主機(jī)上，故可將IPAddress配置為“l(fā)ocalhost”或者“127.0.0.1”，Port配置為“8 000”，Logging配置為“APPCALLS”。打開虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，勾選Proteus仿真軟件菜單欄的Debug選項(xiàng)下的UseRemoteDebugMonitor選項(xiàng)，準(zhǔn)允Proteus啟動遠(yuǎn)程仿真調(diào)試功能，配置界面如圖3所示。

圖3　遠(yuǎn)程仿真調(diào)試通信端口配置

2.1.4遠(yuǎn)程仿真調(diào)試

遠(yuǎn)程仿真調(diào)試功能必須同時打開程序調(diào)試軟件Keil和終端仿真軟件Proteus。用Keil打開實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目工程，編譯整個項(xiàng)目工程，生成HEX格式的二進(jìn)制文件，利用Proteus打開虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，并通過MCU加載生成的HEX格式文件，返回到已打開的Keil實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目工程，點(diǎn)擊Debug選項(xiàng)下“Start/StopDebugSession”直接進(jìn)入程序調(diào)試狀態(tài)，同時Keil軟件通過遠(yuǎn)程仿真功能直接啟動Proteus虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)入聯(lián)合仿真調(diào)試狀態(tài)。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為4×4行列式鍵盤掃描，利用上一個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的液晶驅(qū)動模塊，將按鍵值顯示在液晶屏幕。鍵盤掃描程序如下：

#defineC03(0x0f<<16)；

#defineR03(0x0f<<20)；

int32readkey(void)

{

int32key= -1；

uint32i；

PINSEL1=0x00；

IO0DIR=C03；

IO0CLR=C03；

delay(5000)；

if((IO0PIN& 0xf00000) == 0xf00000)

{ //nokeydown

returnkey；

}

delay(10000)；

if((IO0PIN& 0xf00000) == 0xf00000)

{//nokeydown

returnkey；

}

for(i=0；i<4；i++)

{

IO0SET=C03；

IO0CLR=1<<(i + 16)；

delay(1000)；

if((IO0PIN& 0xf00000) == 0xf00000)

{

continue；

}

switch(IO0PIN& 0xf00000)

{

case0xe00000：

key= 0 + i * 4；break；

case0xd00000：

key= 1 + i * 4；break；

case0xb00000：

key= 2 + i * 4；break；

case0x700000：

key= 3 + i * 4；break；

}

IO0CLR=C03；

while((IO0PIN& 0xf00000) != 0xf00000)；

break；

}

returnkey；

}

聯(lián)合仿真調(diào)試工作界面如圖4所示。4×4行列式鍵盤連接在LPC2138的引腳P0.16～P0.23，其中P0.16～P0.19作為列掃描，P0.20～P0.23作為行掃描。在遠(yuǎn)程仿真調(diào)試狀態(tài)下，Keil軟件作為控制端，控制程序的執(zhí)行過程。在Keil中可以查看程序中的變量、寄存器值、外設(shè)配置參數(shù)等，而程序執(zhí)行狀態(tài)直接在Proteus端的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中體現(xiàn)出來?？稍趻呙璩绦蛑墟I值判斷處設(shè)置斷點(diǎn)，使程序全速運(yùn)行，當(dāng)按下鍵盤的第二號按鍵時，程序運(yùn)行到鍵值判斷斷點(diǎn)位置，此時進(jìn)行“單步”調(diào)試，每運(yùn)行一步程序可以同時查看程序中變量的狀態(tài)以及微控制器的引腳輸出電平狀態(tài)，可以看到，程序進(jìn)行了鍵值計(jì)算并將計(jì)算出的鍵值存放在變量“key”中，變量“key”的值可以通過Watch窗口進(jìn)行查看或者將鼠標(biāo)放到變量上時自動以浮動窗口的形式顯示其數(shù)值。程序聯(lián)合仿真調(diào)試簡單、方便，功能強(qiáng)大，能夠加快項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)進(jìn)度。

圖4　基于PROTEUS的遠(yuǎn)程仿真調(diào)試

2.2基于GCC的本地仿真調(diào)試技術(shù)

基于Proteus的遠(yuǎn)程仿真調(diào)試技術(shù)能夠更好地利用Keil軟件的強(qiáng)大仿真調(diào)試功能，但該技術(shù)需要通過驅(qū)動程序使Keil和Proteus相互配合完成。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及環(huán)境之間的差異性，學(xué)生在使用過程中，個別計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程仿真調(diào)試時出現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)無法遠(yuǎn)程連接的問題。

基于GCC的本地仿真調(diào)試技術(shù)可以完美解決該問題。GCC(GNUcompilercollection，GCC)是一套由GNU工程開發(fā)的支持多種編程語言的編譯器，是以GPL許可證所發(fā)行的自由軟件(開源軟件)[14]。利用GCC編譯器可以產(chǎn)生自帶完整調(diào)試信息的ELF格式文件[15]，直接在Proteus中進(jìn)行源碼級仿真調(diào)試，不再需要Keil軟件的配合。具體操作步驟如下。

1)安裝GCC編譯器工具鏈。目前，常用的支持GCC工具鏈的軟件包有SourceryG++和WinARM，本項(xiàng)目選擇SourceryG++。SourceryG++是Codesourcery提供的GCC工具鏈編譯器，Codesourcery針對不同的用戶提供的多個版本的SourceryG++，這里選擇免費(fèi)的輕量級精簡版本SourceryG++LiteEdition?？梢缘紺odesourcery的官方網(wǎng)絡(luò)注冊下載新版本的SourceryG++LiteEdition[16]，按缺省選項(xiàng)在計(jì)算機(jī)中安裝SourceryG++。

2)配置編譯環(huán)境。Keil軟件給用戶提供了使用第三方編譯工具的途徑。利用Keil軟件打開實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目工程，點(diǎn)擊菜單欄“Project”菜單下的“Manage”下的“Components，Environment，Books”。在打開的組件環(huán)境配置對話框中選擇“Folders/Extensions”選項(xiàng)，點(diǎn)選“UseGCC”選擇，并在GNU-Tool_Prefix編輯框中輸入GCC工具鏈的前綴“arm-none-eabi-”，在GNU-ToolFolder編輯框中選擇SourceryG++LiteEdition的安裝目錄，配置界面如圖5所示。

圖5　GCC工具鏈配置

3)本地仿真調(diào)試。建立基于GCC的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目工程，編譯生成ELF格式文件，利用Proteus打開虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，并通過MCU加載生成的ELF格式文件。直接在Proteus中點(diǎn)擊Step選項(xiàng)進(jìn)入源碼級程序仿真調(diào)試。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目同樣為4×4行列式鍵盤掃描，利用串行接口模塊將按鍵值顯示在仿真平臺的虛擬終端上。本地仿真調(diào)試工作界面如圖6所示。

圖6　基于GCC的本地仿真調(diào)試

本地仿真調(diào)試技術(shù)利用ELF格式文件的自帶完整調(diào)試信息，不再需要Keil軟件作為遠(yuǎn)程控制端進(jìn)行程序仿真調(diào)試控制。Proteus軟件Debug選項(xiàng)下的ARM7選項(xiàng)提供了包括“SourceCode”“Variables”“CPURegisters”等6個子窗口。在SourceCode子窗口可以看到程序源代碼，并提供了“StepInto”“StepOver”“StepOut”等多種常用的程序代碼調(diào)試功能。用戶可以任意設(shè)置斷點(diǎn)，并進(jìn)行多種方式的代碼調(diào)試。Variables窗口可以實(shí)時地顯示當(dāng)前程序中的變量值， 以方便用戶進(jìn)行查看。其他的CPURegisters窗口、RAM窗口等都為用戶提供了方便查看各類參數(shù)的技術(shù)手段，使用非常簡單、方便。

3　結(jié)束語

嵌入式系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺不僅解決了嵌入式系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對較少，學(xué)生實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)薄弱的問題，而且能夠隨時隨地讓學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，走進(jìn)教學(xué)的課堂，從時間與空間2個方面拓展教學(xué)范圍，提高教學(xué)質(zhì)量。經(jīng)過近2年的不斷改進(jìn)、使用，目前功能已經(jīng)相對比較完善，逐漸得到了學(xué)生的認(rèn)可?；赑roteus的遠(yuǎn)程仿真調(diào)試技術(shù)與基于GCC的本地仿真調(diào)試技術(shù)的引入將使虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的程序調(diào)試功能進(jìn)一步得到提高，易用性、方便性進(jìn)一步得到加強(qiáng)。使虛擬實(shí)驗(yàn)平臺在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中作用越來越大，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的進(jìn)一步提升。

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Simulation Debugging Techniques for Virtual Experimental Platform in Embedded System Curriculum Reform

YANG Jisen，ZHANG Jing

(EngineeringResearchCenterofMechanicalTestingTechnologicalandEquipment，MinistryofEducation，ChongqingUniversityofTechnology，Chongqing400050，China)

Inordertoincreasetheteachingqualityofembeddedsystemcourseandcultivatetheabilitiesofembeddedsystemprogramminganddebugging，virtualexperimentalplatformforembeddedsystemcourseisdesignedbasedonthecontentofembeddedsystemcourse.Twokindsofsource-leveldebuggingtechniquesarepresentedtoenhancetheprogramdebuggingfunctionsofvirtualexperimentalplatform.OneistheremotesimulationdebuggingtechniquesbasedonPROTEUS，theotheristhelocalsimulationdebuggingtechniquesbasedonGCC.Thetwokindsofdebuggingtechniquesaredemonstratedrespectivelybytheexperimentalprojectofdeterminantkeyboardandthefunctionsofvirtualexperimentalplatformareimprovedfurther.

embeddedsystem；virtualexperimentalplatform；simulationdebuggingtechniques；Proteus；GCC

2015-04-07；修改日期: 2016-06-30

重慶市高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(143013)；重慶理工大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究重大項(xiàng)目(2014ZD10)；重慶理工大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2015YB11)。

楊繼森(1977-)，男，博士，副教授，主要從事嵌入式系統(tǒng)及智能儀器方面的教學(xué)與研究工作。

G424；TP301

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.019