Инструментальные средства разработки ПО.

Инструментальные средства разработки ПО– это совокупность аппаратно-программных средств, позволяющих осуществить написание и отладку программ для микропроцессорных систем с большой степенью достоверности их работоспособности в реальных системах.

К ним относятся:

- внутрисхемные эмулятры;

- программные симуляторы;

- отладочные мониторы;

- платы развития (оценочные платы);

- эмуляторы ПЗУ;

- интегрированные среды разработки.

Внутрисхемный эмулятор – наиболее мощное и универсальное отладочное средство. Это программно-аппаратное средство, способное замещать процессор в реальной системе и делающее процесс функционирования отлаживаемого контроллера прозрачным, т. е. легко контролируемым, произвольно управляемым и модифицируемым по воле разработчика.

Функционально внутрисхемные эмуляторы делятся на стыкуемые с внешней ЭВМ и функционирующие автономно.

Стыковка с отлаживаемой системой производится с помощью специального кабеля с эмуляционной головкой, которая вставляется вместо отлаживаемого микроконтроллера или параллельно ему. В последнем случае микроконтроллер должен иметь отладочный режим, при котором все его выводы переводятся в третье состояние.

Основные функциональные блоки эмулятора:

- отладчик;

- узел эмуляции микроконтроллера;

- эмуляционная память;

- подсистема точек останова.

- Дополнительные блоки:

- процессор точек останова;

- трассировщик;

- профилировщик (анализатор эффективности программного кода);

- таймер реального времени;

- программно-аппаратные средства, обеспечивающие возможность чтения и модификации эмулируемого процессора;

- программно-аппаратные средства, обеспечивающие синхронное управление, необходимое для эмуляции в мультипроцессорных системах.

Отладчик осуществляет:

- управление процессом эмуляции (моделирования);

- вывод на монитор состояния и содержимого всех регистров и памяти и, при необходимости, их модификации (изменение их содержимого).

Отладчик позволяет одновременно следить за ходом выполнения программы и видеть соответствие между исходным текстом, образом программы в машинных кодах и состоянием всех ресурсов эмулируемого микроконтроллера.

Эмуляционная память может применяться вместо ПЗУ отлаживаемой системы, а также дает возможность отлаживать программу без реальной системы или ее макета. (Нет необходимости в перепрограммировании ПЗУ.) Эмулирование возможно целиком или поблочно.

Трассировщик – это логический анализатор, работающий синхронно с процессором и фиксирующий поток выполняемых инструкций и состояния выбранных внешних сигналов.

Процессор точек останова позволяет останавливать выполнение программы или выполнять иные действия, например, запускать или останавливать трассировщик при выполнении заданных пользователем условий (любой степени сложности) без вывода из масштаба «реального времени».

Профилировщик позволяет получить по результатам прогона отлаживаемой программы следующую информацию:

- количество обращений к различным участкам программы;

- время, затраченное на выполнение различных участков программы.

Анализ статистической информации, поставляемой профилировщиком, позволяет легко выявлять «мертвые» или перенапряженные участки программ и в результате оптимизировать структуру отлаживаемой программы.

Интегрированная среда разработки – это совокупность программных средств, поддерживающая все этапы разработки ПО – от написания исходного текста программы до ее компиляции и отладки – и обеспечивающая простое и быстрое взаимодействие с другими инструментальными средствами (программным отладчиком-симулятором и программатором).

Наличие встроенных редактора текста, менеджера проектов и системы управления существенно помогает разработчику, избавляя его от множества рутинных действий. Стирается грань между написанием, редактированием и отладкой программы.

Существуют эмуляторы, предназначенные для эмуляции микроконтроллеров семейств Intel MCS 8051, MCS-196, Microchip PIC.

Программный симулятор – программное средство, имитирующее работу микроконтроллера и его памяти. В его состав входят отладчик, модель центрального процессора и памяти. Более сложные симуляторы содержат также модели встроенных периферийных устройств (таймеров, АЦП и систем прерываний). Загрузив программу в симулятор, пользователь может запускать ее в пошаговом или непрерывном режимах, задавать условные или безусловные точки останова, контролировать и свободно модифицировать содержимое ячеек памяти и регистров микроконтроллера. С его помощью можно быстро проверить логику выполнения программы и правильность выполнения арифметических операций.

Наличие интерфейса внешней среды позволяет избавить разработчика от необходимости устанавливать и изменять вручную содержимое входных регистров, т. е. можно создавать и гибко использовать модель внешней среды микроконтроллера, функционирующую и взаимодействующую с отлаживаемой программой по заданному алгоритму.

Особенностью программных симуляторов является то обстоятельство, что исполнение программ, загруженных в симулятор, происходит в масштабе времени, отличном от реального. Однако более низкая цена, возможность ведения отладки даже в условиях отсутствия макета отлаживаемого устройства делают программные симуляторы весьма эффективным средством отладки.

Отладочный монитор – специальная программа, загружаемая в память отлаживаемой системы и вынуждающая процессор выполнять, кроме прикладной задачи, еще и отладочные функции:

- загрузку прикладных кодов в свободную от монитора память;

- установку точек останова;

- запуск и останов загруженной программы в реальном времени;

- проход программы пользователя по шагам;

- просмотр, редактирование содержимого памяти и управляющих регистров.

Программа монитора должна быть связана с внешним компьютером или монитором для визуализации процесса отладки.

Основное достоинство использования монитора – это малые затраты при сохранении возможности вести отладку в реальном времени на микроконтроллере, стоящем на плате. Недостатком является отвлечение ресурсов микроконтроллера на отладочные и связные процедуры (память, прерывания, последовательный канал).

Платы развития, или оценочные платы, являются своеобразными конструкторами для макетирования прикладных систем. Выпуск оценочных плат – это современный подход к продвижению микроконтроллеров на рынке. Обычно на печатной плате устанавливается вся необходимая аппаратура для демонстрации возможностей микроконтроллера, обеспечивается связь с компьютером и предоставляется поле для монтажа прикладных схем пользователя. Такие платы могут быть применены для установки в аппаратуру малой серии (5 – 20 шт.).

Для удобства отладки платы развития комплектуются простейшими средствами отладки на базе монитора отладки для микроконтроллеров с внешней шиной и без нее.

В первом случае отладочный монитор поставляется в виде микросхемы ПЗУ, которая устанавливается в разъем (кроватку) на плате. На плате также имеется ОЗУ для программ пользователя и канал связи с компьютером. Пример – плата фирмы “INTEL” для микроконтроллера 8051.

Для микроконтроллеров без внешней шины плата развития имеет встроенные схемы программирования внутреннего ПЗУ микроконтроллера, управляемые от внешнего компьютера. В прикладной программе должны быть предусмотрены вызовы отладочных функций и сам монитор. После загрузки и прогона программы для внесения изменений требуется стирание ПЗУ и перезапись нового варианта программы пользователя.

Готовая программа получается путем удаления монитора и всех вызовов мониторных функций. Примерами могут служить платы развития фирмы “MICROCHIP” для своих PIC-контроллеров, а также платы развития для отладки своих контроллеров 80С750 Philips и 89С2051 Atmel.

В целом, возможности данного подхода (плата развития + монитор) не столь универсальны, как возможности внутрисхемного эмулятора, да и отвлечение ресурсов контроллера на режим отладки следует учитывать. Тем не менее, законченный набор программно-аппаратных средств, позволяющих без потерь времени приступить к монтажу и отладке прикладной системы, во многих случаях является решающим фактором, с учетом меньшей стоимости, по сравнению с универсальным эмулятором.

Эмуляторы ПЗУ – это программно-аппаратные средства, позволяющие замещать ПЗУ на отлаживаемой плате и подставляющие вместо него ОЗУ, куда загружается программа с компьютера через один из стандартных каналов связи. В данном случае стараются избежать многократных циклов перепрограммирования ПЗУ. Метод пригоден для микроконтроллеров, которые в состоянии обращаться к внешней памяти программ. По сложности и стоимости метод сравним с использованием плат развития, но более универсален, так как может применяться с любыми типами микроконтроллеров.

В настоящее время имеются модели «интеллектуальных» эмуляторов ПЗУ, позволяющие заглядывать внутрь микроконтроллера, т. е. работающие почти как внутрисхемный эмулятор за счет быстрого переключения шины. Создается эффект, будто бы монитор отладки установлен на плате пользователя и при этом не занимает у микроконтроллера никаких аппаратных ресурсов, кроме небольшой зоны программных шагов, примерно 4К. Такое устройство разработала фирма «ФИТОН» для всех существующих и будущих микроконтроллеров с ядром МК 8051, но дополнительно насыщенных различными устройствами ввода/вывода. Оно поддерживает множество микроконтроллеров фирм “PHILIPS”, “SIEMENS”,”OKI”.

Интегрированные среды разработки (Integrated Development Environment, IDE) позволяет программисту:

- использовать встроенный файловый текстовый редактор, специально ориентированный на работу с исходными текстами программ;

- выводить в многооконном режиме результаты диагностики выявленных при компиляции ошибок и исходный текст программы, доступный редактированию;

- организовать и вести параллельную работу над несколькими проектами.

Менеджер проектов позволяет использовать любой проект в качестве шаблона для вновь создаваемого проекта, перекомпилировать только редактировавшиеся модули, загружать отлаживаемую программу в имеющиеся средства отладки и работать с ними без выхода из оболочки и подключать к оболочке практически любые программные средства.

Подобные функциональные возможности в сочетании с дружественным интерфейсом существенно облегчают и ускоряют работу программиста.