基于Proteus的嵌入式应用系统仿真中的源码调试

基于Proteus的嵌入式应用系统仿真中的源码调试

0 引 言
    Proteus是功能最强的嵌入式系统(单片机、ARM等)的设计与仿真平台。它主要由Proteus VSM(Virtual System Model)和PCB设计构成。ProteusVSM的最大特色就是能对嵌入式系统(硬、软件)及其外围电路进行协同、动态、交互式的仿真，并提供了仿真中进行源码调试的三种方式。
    Proteus源码调试综合并突破了传统硬件仿真器和软件集成开发环境(Integrated Development Envi-ronment，IDE)源码调试功能。不仅能跟踪、分析嵌入式系统内的指令执行，观察、改变存储单元内容等的调试；且从工程角度实现了过程与结果，硬件与软件，全速与跟踪，中断与监视，静态与动态等的统一调试。丰富而灵活的调试手段，人与机的积极互动为高质高效实现设计目标创造了条件。从研发产品的实践上也证明了Proteus源码调试的高质、高效和可信度。这里从实践角度出发总结Proteus的三种源码调试方式，着重讲述了国内书刊尚未详细叙述的第三种方式，以发挥Pro-teus在产品研发和教学中的先进作用。在此采用的是Proteus 7．5。

1 Proteus VSM源码调试
    Proteus VSM源码调试是第一种源码调试方式。Proteus的源码调试由源代码控制系统支持。该系统主要功能是编辑、汇编源码，并保证代码及时更新。该系统有源码(源程序)编辑器、汇编器、调试数据提取器(Debug Data Extractor，DDX)和装载器等。DDX从汇编器产生的文件中提取调试信息装入装载器。源码调试步骤是：建源码文件、加载到系统，选择微控制器及汇编器，将源码经汇编器汇编产生的目标代码加载到微控制器中，启动仿真进行源码调试。
    VSM提供了几种汇编器，主要有51系列的ASEM51，AVR系列的AVRASM，AVRASM32，PIC系列的MPASM，MPASM32和HC11系列的ASM11等。汇编后可产生HEX或S19(用于MC68HC11)，LST，SDI等调试文件。不同的微控制器选择相应的汇编器，系统自动更新DDX。设定微控制器属性编辑框中的程序文件即加载代码文件。启动仿真进行源码调试。暂停时，在源码调试窗口可看到调试格式文件．SDI提供的源码、代码及地址，还可打开各种寄存器窗口查看各存储单元内容。调试中可看到电路与程序代码协同、交互式仿真过程和结果。调试中可随时进行源码修改、设置各种断点等。图1所示为单片机读键并将值送数码管显示实验的源码调试状态。

2 Proteus借第三方编译器实现源码调试
    这是第二种源码调试方式。若源码使用高级语言，就必须借用Proteus之外的第三方代码生成工具(汇编器／编译器)。若此时仍要用VSM的源码调试功能，就需要汇编器／编译器提供DDX或输出Proteus支持的调试格式文件(带调试信息的目标代码)。装载器从这些调试文件中提取调试信息以实现源码调试。

    Proteus装载器支持的调试文件格式主要有：COFF(通用的，适应于PIC)、OMF(用于8051范围内)、UBROF(IAR编译器生成)、ELF／DWARF(通用的，较COFF有较好的调试性能)、COD(由BYTE-CRAFT生成，广泛应用在PIC 中)等。
    使用以上格式时，首先在编译器中设置输出格式，如在Keil中指定OMF格式的代码文件，如图2所示(例：6-164．OMF)。然后将生成的带调试信息的代码文件作为单片机窗口的“程序文件”。启动仿真，则可进行源码调试。

3 Proteus与第三方IDE联合仿真实现源码调试
    这是第三种源码调试方式。Proteus联合第三方IDE，充分发挥Proteus的微控制器仿真功能和第三方IDE丰富的代码调试功能，创造最佳的应用系统开发环境。多数专业汇编软件和编译器都有自己的集成开发环境IDE，如IAR的嵌入式工作台，Keil's μVision，Mi-crochip's MPLAB，Atreel's AVR studio等。Proteus作为IDE的插入式仿真器，由IDE的调试器控制调试的执行。这种源码调试方法有两种方法，如表1所示。

3．1 万法一
    Proteus通过TCP／IP协议与IDE通信。Proteus充当虚拟在线仿真器(In Circuit Emulator，ICE)。例如KEIL与Proteus联调。先要将Proteus提供的驱动器VDMAGDL EXE装在KEIL的安装路径下。在同台计算机中调出KEIL与Proteus，进行仿真与联调。如图3所示，左边为KEIL窗口，可利用断点、变量窗口等监视程序的执行，进行源码调试。右边为Proteus窗口，在Proteus窗口可同步监视电路的运行状态与过程，也查看Proteus提供的CPU寄存器、内RAM等各种存储器窗口。也可将IDE调试器、Proteus分别安装在不同计算机中，利用互联网进行两者的联合调试。

3．2 方法二
    Proteus集成在IDE(例Proton，MPLAB，Atmel AVR studio)中，作为IDE中的一个仿真与调试工具。现以Proteus与AVR Studio联合仿真中的源码调试为例较详细地叙述该调试方法。
    (1)在Proteus的ISIS中设计电路并保存(命名为LSD．DSN)；
    (2)在AVR Studio中联合调试。
    打开新建工程，在弹出的对话框中选择工程类型为设置工程名，源文件自动与工程名相同。操作菜单Debug→Select Platform and De-vice，在弹出的对话框中设置调试平台为Proteus VSMViewer、器件为Atmegar16，如图4所示。点击Finish接着弹出源程序编辑窗口。写完程序、保存并点击汇编，生成LSD．HEX。在Proteus VSM视窗中点击打开按钮(若视窗未打开，操作菜单View→Toolbars→Proteus VSM)，打开已有的LSD．DSN电路文件，对Atmegar16设置程序文件为LSD．HEX。点击AVR的按钮启动调试，接下来按AVR中的调试方法进行。图5右侧为AVR开发环境中的I／O视窗及CPU信息框，可查看与当前设计相关的PORTD口的内容。在Proteus VSM视窗中右击还可打开各种存储器窗口和观察窗口。

    Proteus除了支持一般的软件断点外，还有独特的条件断点和硬件实时断点功能。对源码调试提供了更灵活的手段。当硬件条件发生时暂停仿真，与单步调试工具结合极为方便有效。尤其在电路中引入异步触发，当需要跟踪分析其对电路的影响时更有用。

  (1)条件断点。如图5中Proteus的观察窗口中添加PORTD，并设置它的断点条件为“On Change”。仿真时当PORTD输出数据发生变化就暂停仿真。
    (2)电压探针断点。对PORTD0引脚加一电压探针，命名为PD0(见图6)，设置为数0值触发。每当PORTD0输出低电平时，触发断点使仿真暂停，如图7所示。

    (3)硬件断点：实时断点发生器。实时断点发生器有实时电压、电流断点触发器RTVBREAK和RTI－BREAK：当触发器引脚上的电压或流经的电流超过设定的值将触发断点，为上升沿触发；实时数字断点触发器RTDBREAK：当输入到引脚的二进制数等于设定值时触发断点；实时电压、电流监视器RTVMON和RTI-MON：当输入电压或当流经的电流不在设定范围内，可触发断点、警告或是错误。可将RTVMON和RTI-MON用于创建仿真模型，当模型中的电压或电流超过设定的工作极限时警告终端用户。
    如图8对POETD0引脚添加实时数字断点触发器并设置触发值为0，达到同上述(2)中电压探针一样的断点调试效果。

4 结语

    嵌入式系统的Proteus仿真中源码调试的方式有三种，源码的编写、汇编、动画式的电路仿真与源码调试都在Proteus中完成：Proteus用第三方的汇编/编译器对源码汇编/编译生成的调试格式文件进行源码调试；Proteus与IDE联合进行源码调试。Proteus独特的条件断点、硬件断点功能为仿真及源码调试更方便、更灵活、更高效。