Лекции по дисциплине системы реального времени тема аппаратнопрограммные средства и комплексы реального времени
 Скачать 1.67 Mb.
|
|
ТЕМА 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ Лекция 5.1. Методика комплексного проектирования и отладки систем реального времени 1. Этапы проектирования и отладки систем реального времени. 1. Основные этапы проектирования и отладки микропроцессорных и микроконтроллерных систем Методики проектирования и отладки систем реального времени ис- пользуют методологию создания микропроцессорных и микроконтроллерных систем и имеют определенную специфику. Микроконтроллерные системы ориентированы на выполнение задач управления определенными устрой- ствами или их комплексами. Микропроцессорные системы можно условно разделить на два основных класса: универсальные, которые используются для решения широкого круга задач обработки информации, и управляющие, которые специализируются на решении задач управления процессами и объ- ектами. Типичными примерами универсальных микропроцессорных систем являются персональные компьютеры и рабочие станции, которые применя- ются в самых различных сферах деятельности. Управляющие микропроцессорные системы имеют много общего с микроконтроллерными. Они используются обычно для реализации сложных алгоритмов управления, требующих большой вычислительной мощности процессора, которую не могут обеспечить микроконтроллеры. При этом пе- риферийные устройства, многие из которых располагаются на кристалле микроконтроллера, в микропроцессорных системах реализуются с помощью дополнительных микросхем, что повышает их стоимость и снижает надеж- ность. Разработка интегрированных микропроцессоров, имеющих в своем составе ряд периферийных устройств, и сложно-функциональных микрокон- троллеров, содержащих высокопроизводительное 32-разрядное процессорное ядро, приводит к размыванию границы применения управляющих микропроцессорных и микроконтроллерных систем, постепенному стиранию функциональных и структурных различий между ними. Основной особенностью микроконтроллеров является наличие в их составе ПЗУ (ППЗУ, РППЗУ, ЭСППЗУ, флэш-памяти), в которое записывается резидентная рабочая программа системы. Разработка, отладка и запись в ПЗУ этой программы являются важнейшими стадиями проектирования микроконтроллерных систем. Записанная в ПЗУ рабочая программа становится составной частью системы, последующее изменение или коррекция которой обычно нежелательна или невозможна. При использовании внутреннего ПЗУ возможности внешнего контроля работы микроконтроллера в процессе отладки очень ограничены. Поэтому комплексная отладка программного и аппаратного обеспечения микроконтроллерных систем является достаточно сложной процедурой, требующей использования специализированных методов и средств контроля. Данный этап проектирования является наиболее ответственным, так как не выявленная ошибка может привести к весьма дорогостоящим последствиям. 145 Особенностью микроконтроллерных систем для ряда областей применения является необходимость строгого соблюдения определенных норм времени на выполнение программы или ее отдельных модулей. В микропроцессорных схемах выполняемые модули рабочей програм- мы загружаются в ОЗУ. Благодаря этому имеется возможность оперативной коррекции рабочей программы в случае необходимости. В процессе отладки проектировщик имеет доступ к общей шине, что облегчает текущий контроль за работой системы. Однако, наличие в большинстве современных микро- процессоров внутренней кэш-памяти ограничивает возможности внешнего контроля за ходом выполнения программы. Особенно возрастают сложности отладки при использовании микропроцессоров с суперскалярной структурой, в которых несколько команд выполняются одновременно и естественная оче- редность их выполнения может не соблюдаться. Рассмотрим основные этапы проектирования и отладки систем реального времени и особенности их реализации. Общая процедура проектирования и отладки систем реального времени включает этапы, показанные на рис.1. Рисунок 1. - Основные этапы проектирования и отладки систем реаль- ного времени Исходные данные для проектирования содержат требования к основ- ным технико-экономическим показателям: производительности, энергопо- 146 треблению, стоимости, надежности, конструктивным и другим параметрам. Кроме того, для управляющих систем должны быть определены реализуемые алгоритмы управления, для универсальных систем - классы выполняемых за- дач. Разработка архитектуры системы подразумевает определение опти- мального состава аппаратных и программных средств для решения поставленных задач. При этом разработчик решает, какие функции системы будут реализованы аппаратными средствами (АС), а какие - программным обеспечением (ПО). Определяется номенклатура АС - выбираются тип микропроцессора или микроконтроллера, объем и тип памяти, номенклатура периферийных устройств, протоколы обмена информацией и состав требуемых сигналов управления системой. Определяется также состав ПО - наличие операционной системы, ее тип и характеристики, номенклатура необходимых программных модулей, характер их взаимодействия, используемый язык программирования. Результатом выполнения этого этапа являются частные технические задания на проектирование АС и ПО. Этап разработки АС может быть выполнен традиционными методами, с помощью которых проектируется и моделируется электрическая схема, разрабатывается печатная плата или комплект плат, после чего выполняется монтаж и отладка системы. Однако во многих случаях можно обеспечить со- кращение сроков и повышение качества разработки АС путем использования "полуфабрикатов" или готовых изделий, выпускаемых рядом производите- лей. Существует достаточно большая номенклатура таких изделий, которые носят, названия оценочных или целевых плат (evaluation board, target board), оценочных наборов или систем (evaluation kit, evaluation system), одноплатных компьютеров или контроллеров (SBC-single-board computer, single-board controller). Эти изделия в отечественной литературе называют платами развития. В их состав входит базовый микропроцессор или микроконтроллер, память (ОЗУ, флэш-память, служебное ПЗУ), ряд периферийных и вспомогательных схем. Обычно такие платы имеют соединитель для подключения к персональному компьютеру, с помощью которого производится комплексная отладка системы. Если состав средств, имеющихся на плате развития, достаточен для реализации проектируемой системы, то ее разработка сводится к созданию ПО и выполнению комплексной отладки системы. Если имеющихся средств недостаточно, то они проектируются и размещаются на дополнительной пла- те, подключаемой к соединителю на плате развития непосредственно или с помощью кабеля. Так реализуется прототип проектируемой системы, на ко- тором можно выполнить комплексную отладку программных и аппаратных средств, а в ряде случаев и провести проверку их функционирования в рабо- чих условиях. После этого разрабатывается рабочий вариант системы, объе- диняющий на одной плате используемые модули прототипной системы. Про- тотипная система может использоваться в качестве рабочей (целевой), если ее параметры и конструктивное оформление удовлетворяют требованиям 147 технического задания. В этом случае достигается сокращение сроков и стои- мости проектирования системы. Особенно следует отметить перспективность использования при разработке АС мезонинной технологии, которая унифицирует размеры и интерфейс базовой платы- носителя и размещаемых над ней небольших плат- мезонинов (типичный размер 45 х 99 мм). Одна плата- носитель несет от 2 до 12 мезонинов. Каждый мезонин соединяется с носителем двумя соединителями, которые выполняют также функции механических держателей. Один соединитель подключается к локальной шине платы- носителя, функциональное назначение контактов второго соединителя определяется типом мезонина, который может содержать многоканальную систему ввода-вывода, сетевые адаптеры и другие устройства. Используя серийно выпускаемые рядом производителей платы-носители и набор мезонинов, разработчик может быстро реализовать сложно-функциональные целевые системы для разнообразных применений. Лидерами в этой области являются фирмы Green Spring Computers (США) и PEP Modular Computer (Германия), которые выпускают большую номенклатуру плат-носителей и мезонинов. Интеллектуальные платы- носители представляют собой одноплатные компьютеры или контроллеры, реализованные на базе высокопроизводительных микропроцессоров (MC68030, MC68040 и др.) или микроконтроллеров (МС68332, МС68360 и др.), которые имеют связь с персональным компьютером. Такие носители мо- гут выполнять функции плат развития и использоваться в составе прототип- ных и целевых систем. Серийно выпускаемые мезонины (их около 300 типов) выполняют функции дополнительной памяти и периферийных различных устройств: параллельных и последовательных портов, таймеров-счетчиков, АЦП и ЦАП, сетевых и шинных контроллеров и др. При необходимости раз- работчик может самостоятельно спроектировать мезонин, выполняющий функции, которые необходимы для прототипной или целевой системы. Таким образом, мезонинная технология является наиболее эффектив- ным средством разработки современных электронных систем различного на- значения, позволяя конфигурировать их из стандартных плат при минималь- ных затратах времени и средств на разработку дополнительных АС. На этапе автономной отладки АС основными орудиями разработчика являются традиционные измерительные приборы - осциллографы, мульти- метры, пробники и другие, а также логические анализаторы, которые обла- дают широкими возможностями контроля состояния различных узлов систе- мы в заданные моменты времени. Весьма эффективным является использо- вание на этом этапе средств тестирования по стандарту JTAG, которые име- ются в составе многих современных моделей микропроцессоров и микрокон- троллеров. С помощью размещенного на кристалле тест-Порта ТАР и специ- альных выводов TDI, TDO, ТСК, TMS, TRST# обеспечивается возможность подачи необходимых входных воздействий и считывания выходной реакции, запуск-останов процессора, изменение режима его работы. Вводом специ- альной команды можно установить выводы микропроцессора или микрокон- 148 троллера в отключенное состояние, чтобы отдельно протестировать другие устройства системы. При разработке для универсальных микропроцессорных систем ис- пользуется достаточно широкий набор языков высокого уровня, для которых имеются соответствующие компиляторы. Чаще всего используются языки С, C++, FORTRAN, Pascal, Forth. Для решения ряда задач применяются языки поддержки искусственного интеллекта Ada, Modula-2 и некоторые другие. При программировании управляющих систем чаще всего используются ма- шинно-ориентированный язык Ассемблера или языки С, C++. Язык Ассемб- лера применяется в случаях, когда имеются жесткие ограничения на объем требуемой памяти или на время выполнения программных модулей. Такие случаи являются достаточно типичными при решении задач управления, по- этому Ассемблеры являются одним из основных средств создания ПО для микроконтроллерных систем. В тех случаях, когда указанные ограничения не очень жесткие, для создания ПО используются языки высокого уровня, обычно С, C++. Автономная отладка ПО выполняется с помощью симулятора - про- граммной модели используемого микропроцессора или микроконтроллера. На этом этапе разработчики используют широкий набор средств программи- рования - компиляторы, ассемблеры, дисассемблеры, отладчики, редакторы связей и другие, без которых практически невозможно создание работоспо- собного ПО в течение ограниченных сроков выполнения проекта. Комплексная отладка АС и ПО является наиболее сложным и ответст- венным этапом создания системы. На этом этапе разработчик использует весь набор программных и аппаратных средств, применяющихся для авто- номной отладки АС и ПО, а также ряд специальных средств комплексной от- ладки. К числу таких средств относятся схемные эмуляторы - специализиро- ванные устройства, включаемые вместо микропроцессора или микрокон- троллера прототипной системы и обеспечивающие возможность контроля ее работы с помощью персонального компьютера, связанного со схемным эму- лятором. Схемные эмуляторы являются наиболее эффективным средством комплексной отладки систем. Следует отметить, что многие модели микропроцессоров и микрокон- троллеров имеют специальный режим отладки BDM, при котором реализует- ся ввод команд, ввод-вывод данных, управление режимом работы процессора с помощью последовательного специального порта. При его использовании микропроцессор или микроконтроллер может работать в режиме эмуляции под управлением подключаемого к этому порту персонального компьютера. Режим BDM позволяет существенно облегчить процедуру комплексной от- ладки и использовать при этом более простые и дешевые средства. Одним из наиболее эффективных средств комплексной отладки микроконтроллерных систем являются эмуляторы ПЗУ. Эти устройства включаются вместо ПЗУ прототипной системы и работают под управлением подключенного к ним персонального компьютера. Так обеспечивается 149 текущий контроль за выполнением программы и ее оперативная коррекция, что значительно упрощает процесс отладки. Для микроконтроллерных систем заключительной процедурой ком- плексной отладки является запись в ПЗУ объектных модулей отлаженной программы и завершающее испытание ее работоспособности. Запись про- граммы в ПЗУ осуществляется с помощью специальных программаторов. Для универсальных микропроцессорных систем после комплексной отладки производится оценка их производительности путем прогона специального набора тестовых программ (benchmarks). После выполнения указанных этапов отлаженная прототипная система может быть испытана в рабочих условиях с подключением полного набора реальных периферийных устройств и объектов управления. В процессе опытной эксплуатации выявляются ошибки, не обнаруженные на этапе отладки, определяется реакция системы на возможные непредвиденные ситуации. В процессе разработки, при создании современных микропроцессорных и микроконтроллерных систем используется комплекс программно-аппаратных средств, которые помогают качественно и в ограниченные сроки выполнить их проектирование и отладку. Лекция 5.2. Аппаратные средства поддержки проектирования и отладки систем реального времени 1. Логические анализаторы. 2. Схемные эмуляторы. 3. Эмуляторы ПЗУ. 4. Платы развития. На различных этапах проектирования и отладки систем используются следующие специализированные аппаратные средства: логические анализа- торы; различные виды плат развития; схемные эмуляторы, отладочные ком- плексы; эмуляторы ПЗУ; программаторы. Рассмотрим основные особенности структуры и применения этих средств, используемых при разработке систем на базе микропроцессоров и микроконтроллеров. 1. Логические анализаторы Логические анализаторы (ЛА) являются универсальными приборами для анализа функционирования цифровых систем. Они позволяют контроли- ровать логическое состояние нескольких десятков точек системы в течение заданного промежутка времени и выдать информацию о состоянии в визу- альном (на экране монитора) или печатном виде. Форма представления мо- жет быть символьная или графическая (временные диаграммы сигналов). Входные каналы ЛА подключаются к точкам контроля с помощью зондов- клипсов или соединителей. Число каналов в современных ЛА обычно со- ставляет от 16 до 150. Запуск анализатора производится автоматически при поступлении на определенные каналы заданного кода (адреса, данных или комбинации управляющих сигналов) или последовательности кодов. После запуска в память ЛА записывается последовательность значений логических 150 сигналов временной оси (глубину контроля), которое, для большинства ЛА составляет от 2 К до 32 К. На экран выводятся несколько десятков точек для каждого канала с возможностью просмотра всей записанной в памяти после- довательности состояний. Максимальная частота дискретизации временных интервалов для различных моделей ЛА имеет значение от 20 до 200 МГц. ЛА реализуются в виде автономных измерительных приборов или плат расширения, подключаемых к базовому (host) персональному компьютеру. Эти приборы часто включают ряд дополнительных устройств, например программируемый генератор тестовых последовательностей. ЛА, реализованные в виде автономных приборов, выпускаются рядом ведущих производителей электронно-измерительной аппаратуры: Tektronix, Hewlett- Packard, John Fluke и др. Наиболее широко при отладке систем используются ЛА типов 16500В (Hewlett-Packard), 3001GPX и 3002GPX (Tektronix), PM3580 (Fluke), CLAS 4000 (Embedded Performance/Biomation). Их стоимость составляет несколько тысяч долларов. Чтобы обеспечить разработчиков недорогими средствами контроля состояния системы, ряд производителей выпускает анализаторные платы, подключаемые к базовому персональному компьютеру, который программируется на выполнение значительной части функций ЛА. При этом для хранения последовательности состояний используется память базового компьютера, визуализация временных диаграмм в символьной или графической форме выполняется на дисплее его монитора, можно выполнить распечатку результатов измерений на принтере. Базовый компьютер управляет процессом измерения и производит обработку результатов. Благодаря этому анализаторная плата оказывается достаточно простой и на порядок более дешевой, чем автономный ЛА. В качестве примера можно привести анализаторную плату, разработанную и поставляемую лабораторией "Моторола - Микропроцессорные системы" Московского государственного инженерно- физического института (МИФИ). Плата имеет следующие параметры: размеры 200 х 110 мм; число входных каналов 8; глубина буферной памяти 2 Кбайт/канал (до 2048 контрольных точек); частота дискретизации до 40 МГц; потребляемая мощность не более 1 Вт. Анализаторная плата включается в соединитель расширения материн- ской платы базового компьютера типа IBM PC, внешние усилители- формирователи сигналов и зонды присоединяются к ней плоским кабелем. Последовательность логических состояний представляется на экране в виде диаграмм или шестнадцатеричных кодов. На экране отображается также па- нель управления анализатора. Предварительная настройка прибора (задание типа запуска, порогового уровня входного сигнала и др.) производится с кла- виатуры базового компьютера. Плата служит дешевым и эффективным сред- ством отладки 8-разрядных микропроцессорных и микроконтроллерных сис- тем. 2. Схемные эмуляторы 151 Схемный эмулятор (СЭ) представляет собой программно-аппаратный комплекс, который в процессе отладки замещает в реализуемой системе мик- ропроцессор или микроконтроллер. В результате такой замены функциони- рование отлаживаемой системы становится наблюдаемым и контролируе- мым. Разработчик получает возможность визуального контроля за работой системы на экране дисплея и управления ее работой путем установки опре- деленных управляющих сигналов и модификации содержимого регистров и памяти. Благодаря наличию таких возможностей СЭ является наиболее уни- версальным и эффективным отладочным средством, используемым на этапе комплексной отладки системы. Наиболее широкое применение получили СЭ, подключаемые к базовому управляющему компьютеру типа IBM PC или рабочей станции. Обычно такие СЭ конструктивно оформлены в виде прибора, размещенного в отдельном корпусе с автономным источником питания и соединенного с последовательным СОМ-портом базового компьютера. Некоторые типы эмуляторов для ускорения обмена связываются с компьютером через параллельный порт. С помощью плоского кабеля к СЭ подключается эмуляторная головка, которая имеет вилку для включения в систему вместо эмулируемого микропроцессора или микроконтроллера. В головке размещается эмулирующий микропроцессор (микроконтроллер), который выполняет те же функции, что и эмулируемый, но работает под управлением компьютера. Большинство СЭ предназначено для работы с определенным семейством микропроцессоров (микроконтроллеров), причем для эмуляции каждой модели семейства используется соответствующая головка. В структуру СЭ входят следующие блоки: эмулятор микропроцессора или микроконтроллера (размещается в эму-ляторной головке); память трассы, которая хранит значения сигналов, устанавливаемых на выводах микропроцессора (микроконтроллера) в процессе выполнения программы; блок контрольных прерываний, который реализует остановы в кон- трольных точках, заданных пользователем с клавиатуры компьютера; эмуляционная память (ОЗУ), которая заменяет в процессе отладки внутреннее ПЗУ микроконтроллеров или другие разделы памяти, внешний доступ к которым в процессе отладки ограничен; таймер, используемый для контроля времени выполнения отлаживае- мых фрагментов программы. СЭ позволяет вводить в систему тестовую или рабочую программу и контролировать ее выполнение, обеспечивая прерывания в контрольных точ- ках. Условиями прерывания могут быть различные комбинации значений ад- реса, данных и управляющих сигналов, поступающих на выводы эмулирую- щего микропроцессора или микроконтроллера. Эти комбинации задаются пользователем с клавиатуры управляющего компьютера. После останова пользователь может получить на экране полную информацию о текущем со- 152 стоянии любых регистров и ячеек памяти системы. С помощью памяти трас- сы можно просмотреть состояния системной шины для определенного количества предыдущих циклов выполнения программы. Дисассемблер дает возможность анализировать выполнение программы в соответствии с ее исходным текстом на языке Ассемблера. Память трассы работает почти аналогично памяти ЛА, поэтому СЭ может выполнять также его функции. Число устанавливаемых контрольных точек обычно составляет несколько десятков, хотя некоторые модели совре- менных СЭ обеспечивают существенно большие возможности (см. табл. 1). Объем памяти трассы в различных СЭ позволяет контролировать от 4 К до 512 К программных циклов. Таймер служит для определения времени вы- полнения фрагментов программы с учетом реальной тактовой частоты сис- темы. Программное обеспечение СЭ состоит из монитора - служебной про- граммы, обеспечивающей работу всех блоков под управлением базового ком- пьютера, компилятора или ассемблера, позволяющих программировать рабо- ту системы на языке высокого уровня или ассемблера и отладчика. Данные программные средства обычно функционируют в составе интегрированной среды проектирования-отладки. Большинство современных СЭ используют символьные отладчики и дисассемблеры, применение которых делает про- цесс отладки более простым и наглядным. Программное обеспечение СЭ реализует в процессе отладки выдачу данных на экран монитора в удобном для пользователя многооконном формате. Многие типы СЭ содержат эмуляционное ОЗУ, которое заменяет ПЗУ отлаживаемой системы. Благодаря такой замене можно в процессе отладки производить оперативное изменение содержимого этой памяти. После отлад- ки содержимое эмуляционного ОЗУ переносится в рабочее ПЗУ системы. Некоторые модели СЭ предоставляют возможности анализа эффективности выполняемой программы, обеспечивая информацию о частоте обращения к определенным ее фрагментам, и позволяют производить отладку мультипроцессорных систем с помощью организации многоэмуляторных комплексов. СЭ, реализующие набор перечисленных выше функций, называют от- ладочными комплексами или системами развития (development system). Та- кие комплексы выпускаются для различных семейств фирмой Motorola (MMDS05, MMDS11, CDS32, см. табл. 1) и рядом других производителей. В табл. 1 приведены основные характеристики наиболее распростра- ненных зарубежных моделей СЭ, которые используются для комплексной отладки систем, реализуемых на базе микропроцессоров и микроконтролле- ров фирмы Motorola. Данные СЭ обладают широким набором функциональ- ных возможностей и имеют стоимость порядка нескольких тысяч долларов. Например, эмулятор типа Flex-ICE фирмы Noral Micrologics имеет цену 10 000 долл. Таблица 1.1. Схемные эмуляторы для отладки систем на базе микро- процессоров и микроконтроллеров фирмы Motorola 153 Производитель, тип Семейство МП или МК Объем памяти (трассы, эму- ляции) Число кон- трольных то- чек Базовый ком- пьютер Motorola MMDS 05 MMDS 11 CDS 32 68НС05 68НС11 683хх 64 К (эм.) 64 К (эм.) 8 К (тр.), 1 М (эм) 64 128 4 IBM PC, PS/2 IBM PC, PS/2 IBM PC, PS/2 Hevlett-Packard HP 6470 (серия) 680х0 683хх До 256 К (тр.) До 8М (эм.) Не ограничен- но IBM PC, PS/2 SPARC HP9000 Applied Microsstems EL 1600 EL 3200 Code ICE Code TAP-XA 68000, 68302 68330, 340, 360 68030, 040, 060 68331, 332 - - IBM PC, PS/2 SPARC Huntsvill Microsystems HMI-200-xx (серия) LITE-68HC16 LITE- 68300 68НС11, 68НС16 68х0, 683хх МРС860, МРС805 68НС16 653 хх До 8 К (эм.) До 4М (эм.) 4 К (тр.), 256 К (эм.) 4 К (тр.), 256 К (эм.) 4 4 4 IBM PC SPARC IBM PC SPARC Microtek International MICE-III MICEpack PowerPack 680х0, 68302 68306, 307, 328 683хх, 68НС16 1М (эм.) 128 К (тр.), до 8М (эм.) 128 К (тр.), до 8М (эм.) 8+8 8+8 IBM PC IBM PC IBM PC Lauterbach Datentechnik TRACE-32 Все типы До 4М (тр.) До 16М (эм.) Не ограничен- но IBM PC SPARC DEC VAX, DEC ALPHA, HP 9000 EST TRACE 16 TRACE 32 vision ISE 68HC16 683xx 683xx, MPC860 MCF5xxx 32 K (тр.) 32 К (тр.) До 128 К (тр.) 64 IBM PC SPARC HP 9000 Pentica Systems MIME 600 MIME 700 MIME 800 68HC16 68HC16, 683xx 683xx 8 K (тр.) 32 К (тр.), до 2 М (эм.) 512 К (тр.), до 5 М (эм.) He ограничено He ограничено He ограничено IBM PC IBM PC IBM PC, SPARC |