吳 瑾，郭 華

(北京控制工程研究所，北京 100190)

本文研究了一種基于ARM公司Keil μVision模擬器［1］的單片機(jī)軟件調(diào)試測(cè)試環(huán)境的制作方法.用戶(hù)需開(kāi)發(fā)的部分為符合μVision編程接口約定的WIN32動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(后文簡(jiǎn)稱(chēng)μVision動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展).這是一種純軟件方式的仿真模擬環(huán)境，無(wú)需任何單片機(jī)硬件，具有可靠性強(qiáng)、靈活性強(qiáng)、可定制性強(qiáng)、制作周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn).

文中首先介紹了μVision模擬器提供的編程接口，之后描述了如何應(yīng)用這些接口構(gòu)建一個(gè)完整的單片機(jī)軟件調(diào)試測(cè)試環(huán)境.

1 μVision編程接口

1.1 接口函數(shù)

Keil μVision提供給動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展使用的接口函數(shù)十分全面，主要包括如下幾類(lèi):

1)系統(tǒng)配置定義類(lèi)，主要用于定義用戶(hù)特定的特殊寄存器和虛擬寄存器、設(shè)置寄存器內(nèi)存監(jiān)視、創(chuàng)建定時(shí)時(shí)鐘等:AgsiDefineSFR、AgsiDefineVTR、AgsiDeclareInterrupt、AgsiSetWatchOnSFR、AgsiSetWatchOnVTR、AgsiSetWatchOnMemory、AgsiCreateTimer、AgsiDefineMenuItem.

2)存儲(chǔ)器讀寫(xiě)類(lèi)，用于運(yùn)行過(guò)程中獲取和寫(xiě)入存儲(chǔ)器數(shù)據(jù):AgsiWriteSFR、AgsiReadSFR、Agsi-WriteVTR、 AgsiReadVTR、 AgsiWriteMemory、 AgsiReadMemory.

3)模擬器狀態(tài)獲取類(lèi)，運(yùn)行過(guò)程中獲取模擬器狀態(tài)，如當(dāng)前模擬器時(shí)間、中斷狀態(tài)等:AgsiGet-States、AgsiGetProgramCounter、AgsiIsInInterrupt、Agsi-IsSleeping、AgsiGetExternalClockRate、AgsiGetInternal-ClockRate、AgsiGetClockFactor、AgsiGetLastMemory-Address.

4)模擬器控制類(lèi)，用于對(duì)模擬器進(jìn)行控制操作:AgsiSetTimer、AgsiSetSFRReadValue、AgsiStopSimulator、AgsiTriggerReset、AgsiUpdateWindows、Agsi-HandleFocus、AgsiMessage、AgsiExecuteCommand.

具體這些接口函數(shù)的參數(shù)、功能、返回值可參考ARM公司提供的接口編程開(kāi)發(fā)手冊(cè)［2］.

Keil μVision對(duì)用戶(hù)開(kāi)發(fā)的μVision動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展有如下要求:

1)引用 Agsi.h/Agsi.cpp 文件;

2)必須為WIN32動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)形式［3］(推薦使用Microsoft Visual C++6.0(后文簡(jiǎn)稱(chēng)VC)開(kāi)發(fā));

3)必須具備μVision指定的入口函數(shù)，其名稱(chēng)和形式必須為:

extern“C”DWORD AGSIEXPORT AgsiEntry(DWORD nCode，void*vp).

1.2 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展入口函數(shù)

Keil μVision要求動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展必須具備AgsiEntry入口函數(shù)，它是μVision模擬器與動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的主要途徑，μVision模擬器在運(yùn)行的各個(gè)階段，主動(dòng)調(diào)用AgsiEntry函數(shù)，傳遞消息和消息數(shù)據(jù)，使動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展正確運(yùn)行.

(1)函數(shù)參數(shù)

nCode 消息標(biāo)志，所有可能的值參照表1;

vp 消息參數(shù)指針，依nCode不同而不同.

(2)函數(shù)返回值

函數(shù)調(diào)用成功則返回1，否則返回0.

(3)函數(shù)描述

AgsiEntry是Keil μVision動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展的唯一輸入函數(shù).在μVision模擬器啟動(dòng)時(shí)，將自動(dòng)調(diào)用此函數(shù).參數(shù)nCode的值如表1所示.

表1 AgsiEntry函數(shù)消息表Tab.1 AgsiEntry function message

一般來(lái)說(shuō)，需要進(jìn)行處理和響應(yīng)的消息是AGSI_INIT、AGSI_RESET、AGSI_TERMINATE，在模擬器初始化、模擬器復(fù)位和模擬器結(jié)束運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展收到這些消息.

當(dāng)nCode為AGSI_INIT時(shí)，動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展應(yīng)進(jìn)行以下工作:

1)當(dāng)需要使用自定義的寄存器時(shí)，使用AgsiDefineSTR()定義寄存器;

2)當(dāng)需要使用虛擬寄存器時(shí)，使用AgsiDefineVTR()定義虛擬寄存器(如內(nèi)部串口緩沖區(qū)輸入寄存器(SIN)、內(nèi)部串口緩沖區(qū)輸出寄存器(SOUT)等);

3)當(dāng)測(cè)試平臺(tái)需要使用操作界面(通常為對(duì)話(huà)框形式)時(shí)，使用AgsiDefineMenuItem()定義彈出對(duì)話(huà)框菜單入口(定義的菜單入口將出現(xiàn)在μVision環(huán)境中調(diào)試狀態(tài)下的Peripherals菜單中);

4)當(dāng)需要監(jiān)視單片機(jī)寄存器或內(nèi)存(通常使用此手段采集單片機(jī)軟件運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù))時(shí)，使用AgsiSetWatchOnSFR()或AgsiSetWatchOnMemory()定義監(jiān)視點(diǎn);

5)當(dāng)需要使用模擬器同步定時(shí)時(shí)鐘時(shí)，使用AgsiCreateTimer()創(chuàng)建時(shí)鐘.

當(dāng)nCode為AGSI_RESET時(shí)，一般將動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展中定義的變量、數(shù)組等進(jìn)行復(fù)位，以保證每次復(fù)位后，調(diào)試測(cè)試環(huán)境初始狀態(tài)的一致性.在這個(gè)消息的處理中也可以啟動(dòng)模擬器定時(shí)時(shí)鐘，設(shè)置時(shí)鐘事件的處理.

當(dāng)nCode為AGSI_TERMINATE時(shí)，說(shuō)明模擬器運(yùn)行已經(jīng)結(jié)束，需將動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展中使用的資源進(jìn)行釋放，包括申請(qǐng)的內(nèi)存、創(chuàng)建的顯示界面等.

1.3 回調(diào)函數(shù)

在開(kāi)發(fā)μVision動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展中，必須明確回調(diào)函數(shù)的概念.本文中回調(diào)函數(shù)即是指在某種特定事件發(fā)生時(shí)，自動(dòng)被模擬器調(diào)用的函數(shù).它也是動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展的主要功能實(shí)現(xiàn)載體，分為3種類(lèi)型.

(1)寄存器監(jiān)視回調(diào)函數(shù)

它用于監(jiān)視單片機(jī)軟件的寄存器狀態(tài)，一旦模擬器對(duì)所監(jiān)視寄存器進(jìn)行操作，相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)就會(huì)被自動(dòng)調(diào)用.例如模擬外圍設(shè)備與單片機(jī)軟件通過(guò)內(nèi)部串口進(jìn)行通信，則需要監(jiān)視內(nèi)部串口緩沖區(qū)輸出寄存器(SOUT)，并在回調(diào)函數(shù)中對(duì)SOUT進(jìn)行讀取操作，并使用內(nèi)部串口緩沖區(qū)輸入寄存器(SIN)將應(yīng)答的數(shù)據(jù)返回給單片機(jī)軟件.

(2)內(nèi)存監(jiān)視回調(diào)函數(shù)

它用于監(jiān)視單片機(jī)軟件對(duì)內(nèi)存及I/O的操作處理，一旦模擬器對(duì)所監(jiān)視的內(nèi)存地址進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)就會(huì)被自動(dòng)調(diào)用.常用于對(duì)單片機(jī)軟件的數(shù)據(jù)采集仿真控制，由于單片機(jī)系統(tǒng)尋址方式為內(nèi)存及I/O統(tǒng)一編址，故此種回調(diào)函數(shù)可模擬出內(nèi)存及I/O端口的輸入輸出數(shù)據(jù).例如通過(guò)監(jiān)視地址的讀寫(xiě)，可以簡(jiǎn)單明確地獲知單片機(jī)軟件對(duì)外圍端口的操作時(shí)序，只要在回調(diào)函數(shù)中按實(shí)際外圍設(shè)備的情況將數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)軟件即構(gòu)成了對(duì)這些外圍設(shè)備的模擬.同時(shí)還可在回調(diào)函數(shù)中記錄兩者間的數(shù)據(jù)交換情況，供事后分析.

(3)定時(shí)時(shí)鐘觸發(fā)回調(diào)函數(shù)

它用于建立對(duì)模擬器系統(tǒng)的定時(shí)控制，一旦所設(shè)置好的定時(shí)器觸發(fā)，相應(yīng)的定時(shí)回調(diào)函數(shù)就會(huì)被自動(dòng)調(diào)用.它常用于產(chǎn)生對(duì)單片機(jī)軟件的外部驅(qū)動(dòng)輸入，也可以說(shuō)是仿真調(diào)試環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)軟件的自動(dòng)控制的一種方式.

另外，為了方便用戶(hù)使用，μVision模擬器對(duì)內(nèi)存和寄存器的監(jiān)視觸發(fā)時(shí)機(jī)，是在讀之前、寫(xiě)之后觸發(fā)的.即讀取操作的讀取之前、寫(xiě)入操作的寫(xiě)入之后觸發(fā).如圖1所示，單片機(jī)軟件在讀取0x100內(nèi)存前，模擬器調(diào)用回調(diào)函數(shù)OnMem100Read，函數(shù)中對(duì)內(nèi)存0x100進(jìn)行賦值為0x90，單片機(jī)軟件實(shí)際讀取的值就是0x90了，進(jìn)行運(yùn)算后再次寫(xiě)入內(nèi)存0x100，這時(shí)是寫(xiě)入后模擬器調(diào)用OnMem100Write，此時(shí)讀取內(nèi)存0x100的值，即為運(yùn)算后的結(jié)果0x92.

圖1 μVision模擬器監(jiān)視的回調(diào)時(shí)機(jī)Fig.1 μVision simulator watch-callback timing

2 μVision動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展的開(kāi)發(fā)

2.1 開(kāi)發(fā)過(guò)程概述

一般來(lái)說(shuō)，μVision動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展開(kāi)發(fā)過(guò)程大體可分為3個(gè)階段:

1)開(kāi)發(fā)者應(yīng)了解單片機(jī)軟件的工作原理，熟悉軟件的輸入、輸出數(shù)據(jù)端口及操作方式.

2)對(duì)μVision動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展進(jìn)行設(shè)計(jì)、編碼.

3)結(jié)合單片機(jī)軟件和μVision動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展，構(gòu)成調(diào)試運(yùn)行環(huán)境，對(duì)二者進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試、測(cè)試.

對(duì)于第一個(gè)階段，它是動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)工作，每個(gè)單片機(jī)軟件的實(shí)際情況各不相同，需要開(kāi)發(fā)人員在實(shí)際的應(yīng)用中依具體情況而定.第二個(gè)階段中包含幾個(gè)固定的步驟，是開(kāi)發(fā)μVision動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展的主要工作階段.第三個(gè)階段的聯(lián)合調(diào)試，需要開(kāi)發(fā)人員的經(jīng)驗(yàn)和技巧，要對(duì)單片機(jī)軟件和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展相互驗(yàn)證、不斷完善和修改.

2.2 μVision動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展的設(shè)計(jì)

μVision動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展的設(shè)計(jì)步驟如圖2所示.

構(gòu)建μVision動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展，推薦使用Microsoft Visual C++6.0(后文簡(jiǎn)稱(chēng) VC)按基于MFC［4］的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)制作.工程建立后，需要制作擴(kuò)展庫(kù)入口AgsiEntry函數(shù)，函數(shù)中主要處理AGSI_INIT消息，要對(duì)用戶(hù)使用的寄存器(SFR)［5］、虛擬寄存器(VTR)和界面顯示菜單項(xiàng)入口進(jìn)行定義.同時(shí)，還要根據(jù)單片機(jī)軟件端口操作情況，對(duì)寄存器、內(nèi)存地址進(jìn)行監(jiān)視點(diǎn)設(shè)置，對(duì)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展中需要使用的定時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行創(chuàng)建.

入口函數(shù)AgsiEntry制作后，接下來(lái)需要針對(duì)寄存器內(nèi)存監(jiān)視、定時(shí)時(shí)鐘開(kāi)發(fā)回調(diào)函數(shù).監(jiān)視回調(diào)函數(shù)中，如果是讀監(jiān)視，一般將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)填入所監(jiān)視存儲(chǔ)器，供單片機(jī)軟件獲取;如果是寫(xiě)監(jiān)視，一般將單片機(jī)軟件輸出的數(shù)據(jù)讀出并進(jìn)行記錄，在一些情況下還需要給單片機(jī)軟件反饋數(shù)據(jù).定時(shí)時(shí)鐘回調(diào)函數(shù)中，一種情況是開(kāi)發(fā)人員要主動(dòng)給單片機(jī)軟件送入某種激勵(lì)，例如可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)向單片機(jī)軟件發(fā)送串口通信數(shù)據(jù)，定時(shí)觸發(fā)外部中斷等;另外也可以是進(jìn)行某種延時(shí)操作，例如單片機(jī)軟件輸出通信數(shù)據(jù)后，延時(shí)100ms再給出通信應(yīng)答.

圖2 μVision動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展設(shè)計(jì)步驟Fig.2 Design steps for μVision dymamic link library(DLL)extension

在大多數(shù)情況下，需要制作針對(duì)單片機(jī)軟件的數(shù)據(jù)顯示和操作控制界面，通常為非模式對(duì)話(huà)框形式.它并不是必須的，但有了它會(huì)使單片機(jī)軟件運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)更直觀的顯示，對(duì)軟件調(diào)試的操作控制也更加便捷，建議使用.

建立界面過(guò)程主要是制作對(duì)話(huà)框的建立、刷新和關(guān)閉函數(shù)，它們是AGSI_INIT消息中定義界面顯示菜單項(xiàng)入口函數(shù)的參數(shù)，如圖3所示.

圖3 對(duì)話(huà)框函數(shù)定義代碼范例Fig.3 The example of dialog function definition

在模擬器運(yùn)行過(guò)程中，點(diǎn)擊μVision界面菜單Peripherals中自定義的菜單項(xiàng)時(shí)，對(duì)話(huà)框建立函數(shù)被調(diào)用.在模擬器運(yùn)行狀態(tài)改變，如開(kāi)始運(yùn)行、暫停運(yùn)行時(shí)，對(duì)話(huà)框刷新函數(shù)被調(diào)用.退出模擬器運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，μVision會(huì)調(diào)用對(duì)話(huà)框關(guān)閉函數(shù)，這個(gè)函數(shù)中應(yīng)該做好對(duì)話(huà)框資源的釋放處理.

2.3 單片機(jī)軟件和μVision動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展的調(diào)試

上述μVision動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展的開(kāi)發(fā)工作完成后，開(kāi)始對(duì)單片機(jī)軟件和μVision動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試.把VC生成的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)拷貝到Keil μVision安裝目錄的 C51Bin下(例如 Keil μVision安裝在C:Keil下，則將動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)拷貝到C:KeilC51Bin目錄下).

啟動(dòng)μVision，打開(kāi)單片機(jī)軟件工程，選擇工程屬性“Options For Target-Debug”，在彈出對(duì)話(huà)框中的Dialog Dll的參數(shù)項(xiàng)中，添加參數(shù)-dDLLNAME(DLLNAME為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展的名稱(chēng)，不含擴(kuò)展名).例如圖4，加載了ALTUDLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù).

圖4 μVision工程屬性參數(shù)設(shè)置Fig.4 Setting μVision project property parameters

加載動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)之后，如果制作了平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示和操作控制界面，選擇調(diào)試狀態(tài)下Peripherals菜單中自定義菜單入口顯示界面.

之后開(kāi)始運(yùn)行μVision模擬器，對(duì)單片機(jī)軟件和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展進(jìn)行共同驗(yàn)證.由于單片機(jī)軟件的正確性未知，故當(dāng)出現(xiàn)仿真運(yùn)行結(jié)果與預(yù)期不符時(shí)，應(yīng)從單片機(jī)軟件和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展兩方面加以考慮，充分利用μVision和VC提供的調(diào)試手段，完善單片機(jī)軟件仿真調(diào)試運(yùn)行環(huán)境.

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，開(kāi)發(fā)一個(gè)使用μVision模擬器的單片機(jī)軟件調(diào)試測(cè)試環(huán)境并不復(fù)雜，可以極大提高單片機(jī)軟件的調(diào)試測(cè)試效率.目前，ARM公司Keil μVision的產(chǎn)品網(wǎng)站上還提供了不少μVision模擬器的擴(kuò)展芯片仿真，如AD、CAN等，實(shí)際上這些仿真芯片也是使用μVision動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)擴(kuò)展的方式開(kāi)發(fā)的，開(kāi)發(fā)人員熟悉μVision模擬器接口后，完全可以根據(jù)自己的需要開(kāi)發(fā)類(lèi)似的通用芯片仿真，以提高調(diào)試運(yùn)行環(huán)境的可重用性.

［1］ ARM.Getting started with μVision2 and the C51 microcontroller development tools user’s guide［M］.Cambridge:ARM，2001

［2］ ARM.Implementing μVision DLL’s for advanced generic simulator interface［M］.Cambridge:ARM，2010

［3］ 王闊廳，孫俊忠.基于MFC的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的創(chuàng)建和調(diào)用方法研究［J］.電腦學(xué)習(xí)，2009(5):32-35 Wang K T，Sun J Z.Study on creation and calling method of DLL based on MFC［J］.Computer Study，2009(5):32-35

［4］ 侯俊杰.深入淺出MFC［M］.第二版.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2001 Hou J J.Dissecting MFC［M］.2nd ed.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology Press，2001

［5］ Intel.MCS-51 microcontroller family user’s manual［M］.Santa Clara:Intel，1994