Методы и средства отладки микропроцессорных систем

Особенности контроля и отладки МПС на различных этапах жизненного цикла

Рассмотренные особенности тестирования и отладки микропроцессорных систем по-разному преломляются на различных этапах их существования.

Этап разработки является наиболее ответственным, трудоемким и требует высокой квалификации разработчиков, так как ошибки, допущенные на этом этапе, обычно обнаруживаются лишь на стадии испытания законченного образца и требуют длительной и дорогостоящей переработки всей системы.

Одной из главных задач этого этапа является распределение функций, выполняемых микропроцессорной системой, между ее аппаратной и программной частями. Максимальное использование аппаратных средств упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие системы в целом, но сопровождается, как правило, увеличением стоимости и потребляемой мощности. В то же время увеличение удельного веса программного обеспечения позволяет сократить число устройств системы, ее стоимость, повышает возможность адаптации системы к новым условиям применения, но приводит к увеличению необходимой емкости памяти, снижению быстродействия, увеличению сроков проектирования.

Процесс перераспределения функций между аппаратной и программной частями МПС носит итерационный характер. Критерием выбора здесь является возможность максимальной реализации заданных функций программными средствами при условии обеспечения заданных показателей (быстродействия, энергопотребления, стоимости и т. д.).

С точки зрения контроля и диагностики МПС данный этап имеет следующие особенности:

• отсутствуют отработанные тестовые программы: проектирование аппаратной части МПС всегда идет параллельно с разработкой программ, а иногда и аппаратуры для ее тестирования и отладки ;
• построение тестовых программ и анализ результатов производятся разработчиком вручную на основании его представлений о принципах работы и структуре разрабатываемой системы;
• существует большая вероятность появления нескольких неисправностей одновременно; здесь могут присутствовать неисправности, связанные как с дефектами электронных компонентов, так и с ошибками монтажников и программистов;
• связанная с предыдущим положением неопределенность причины неисправности: отказы в аппаратуре или ошибки в программе;
• возможные ошибки разработчиков: система может абсолютно правильно выполнять предписанные ей разработчиком действия, но сами эти предписания были неверны.

Все эти причины делают задачи контроля и диагностики на этапе разработки МПС наиболее сложными, а требования к квалификации персонала весьма высокими.

Инструментальные средства контроля и диагностики на этом этапе должны отвечать следующим требованиям:

• возможность измерений как цифровых, так и аналоговых сигналов;
• разнообразие режимов работы и оперативность настройки на заданный режим;
• оперативность и наглядность представления результатов измерений;

• возможность работы как с аппаратурой, так и с программным обеспечением.

  На этапе производства микропроцессорной системы на первый план выдвигаются требования:

  • высокой производительности,
  • полноты контроля,
  • высокой автоматизации с целью снижения требований к квалификации обслуживающего персонала.

  Контроль на этом этапе проводится с использованием отработанных тестовых программ. Тестирование проводится на специально разработанных контрольных стендах (в случае достаточно большого объема производства), предназначенных для выдачи тестовых воздействий и автоматического анализа реакций на них. Как правило, на этом этапе проводится только контроль работоспособности системы по принципу "годен - не годен". Определение места и характера неисправности проводится более высококвалифицированным персоналом в ходе отдельного процесса.

  Контроль в процессе эксплуатации, как правило, проще, чем на предыдущих этапах, по следующим причинам:

  • вероятность появления двух и более неисправностей одновременно весьма мала;
  • обычно требуется контроль правильности работы только при решении конкретных задач, при этом тесты поставляются вместе с самим изделием.

Однако требования к инструментальным средствам, предназначенным для эксплуатационного обслуживания МПС, весьма противоречивы.

С одной стороны, это требование компактности, а часто даже портативности этих средств, с другой - требования универсальности и автоматизации процесса контроля, чтобы иметь возможность использовать персонал невысокой квалификации.

Рассмотрим теперь собственно инструментальные средства контроля и отладки микропроцессорных систем.

Точность, с которой тот или иной тест локализует неисправности, называется его разрешающей способностью. Требуемая разрешающая способность определяется конкретными целями испытаний. Например, при отладке опытного образца необходимо прежде всего определить природу неисправности (аппаратная или программная). В заводских условиях желательно осуществлять диагностику неисправности вплоть до уровня наименьшего заменяемого элемента, чтобы минимизировать стоимость ремонта. При тестировании аппаратуры в процессе эксплуатации для ее ремонта часто необходимо установить, в каком сменном блоке изделия имеется неисправность.

Средства контроля и отладки должны:

• управлять поведением системы и/или ее модели;
• собирать информацию о поведении системы и/или ее модели, обрабатывать и представлять на удобном для разработчика уровне;
• моделировать поведение внешней среды проектируемой системы.

Сроки и качество отладки системы зависят от средств отладки. Чем совершеннее приборы, имеющиеся в распоряжении инженера-разработчика, тем скорее можно начать отладку аппаратуры и программ и тем быстрее обнаружить и устранить ошибки, обнаружение и устранение которых на более поздних этапах проектирования обойдется гораздо дороже.

Как показывает опыт разработки, производства и эксплуатации МПС, окончательный контроль работоспособности должен производиться на реальной аппаратуре и на рабочих тактовых частотах. Поэтому инструментальные средства должны обеспечивать решение задач генерации входных воздействий и регистрации выходных реакций в реальном времени. Наличие в МПС двунаправленных шин требует обеспечения возможности переключения контрольного оборудования с передачи на прием в течение одного периода тактовой частоты. Для контроля временных характеристик требуются весьма быстродействующие инструментальные средства. Кроме того, значительная длина тестовых программ вызывает потребность в использовании запоминающих устройств большой емкости.

При проектировании микропроцессорных систем чаще всего в настоящее время рядовому инженеру приходится иметь дело с однокристальными микроконтроллерами. Этот класс МП БИС имеет самую широкую номенклатуру изделий, ориентирован на различные области применения, выпускается наиболее массовым тиражом. Поэтому рассмотрение инструментальных средств контроля, диагностирования и отладки МПС будем проводить с упором именно на использование этого класса микропроцессоров.

В начале проводится автономная отладка аппаратной и программной частей МПС. Отладка аппаратуры предполагает тестирование отдельных устройств микропроцессорной системы: процессора, ОЗУ, контроллеров внешних устройств, блока питания, генератора тактовых импульсов и т. д.

При автономной отладке аппаратуры могут потребоваться приборы, умеющие:

• выполнять аналоговые измерения;
• подавать импульсы определенной формы и длительности;
• подавать последовательность сигналов одновременно на несколько входов в соответствии с заданной временной диаграммой или заданным алгоритмом функционирования аппаратуры;
• сохранять значения сигналов с многих линий в течение промежутка времени, определяемого задаваемыми событиями;
• обрабатывать и представлять собранную информацию в удобном для разработчика виде.

Для автономной отладки аппаратуры на схемном уровне широко используются осциллографы, вольтметры, амперметры, частотомеры, генераторы импульсов, сигнатурные анализаторы. На более высоком уровне применяют внутрисхемные эмуляторы, эмуляторы ПЗУ, логические анализаторы, платы развития, а также специальные отладочные средства, которые встраиваются в БИС на этапе их разработки.