基于Proteus的嵌入式應用系統仿真中的源碼調試

0 引 言
??? Proteus是功能最強的嵌入式系統(單片機、ARM等)的設計與仿真平臺。它主要由Proteus VSM(Virtual System Model)和PCB設計構成。ProteusVSM的最大特色就是能對嵌入式系統(硬、軟件)及其外圍電路進行協同、動態、交互式的仿真，并提供了仿真中進行源碼調試的三種方式。
??? Proteus源碼調試綜合并突破了傳統硬件仿真器和軟件集成開發環境(Integrated Development Envi-ronment，IDE)源碼調試功能。不僅能跟蹤、分析嵌入式系統內的指令執行，觀察、改變存儲單元內容等的調試；且從工程角度實現了過程與結果，硬件與軟件，全速與跟蹤，中斷與監視，靜態與動態等的統一調試。豐富而靈活的調試手段，人與機的積極互動為高質高效實現設計目標創造了條件。從研發產品的實踐上也證明了Proteus源碼調試的高質、高效和可信度。這里從實踐角度出發總結Proteus的三種源碼調試方式，著重講述了國內書刊尚未詳細敘述的第三種方式，以發揮Pro-teus在產品研發和教學中的先進作用。在此采用的是Proteus 7．5。

1 Proteus VSM源碼調試
??? Proteus VSM源碼調試是第一種源碼調試方式。Proteus的源碼調試由源代碼控制系統支持。該系統主要功能是編輯、匯編源碼，并保證代碼及時更新。該系統有源碼(源程序)編輯器、匯編器、調試數據提取器(Debug Data Extractor，DDX)和裝載器等。DDX從匯編器產生的文件中提取調試信息裝入裝載器。源碼調試步驟是：建源碼文件、加載到系統，選擇微控制器及匯編器，將源碼經匯編器匯編產生的目標代碼加載到微控制器中，啟動仿真進行源碼調試。
??? VSM提供了幾種匯編器，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。匯編后可產生HEX或S19(用于MC68HC11)，LST，SDI等調試文件。不同的微控制器選擇相應的匯編器，系統自動更新DDX。設定微控制器屬性編輯框中的程序文件即加載代碼文件。啟動仿真進行源碼調試。暫停時，在源碼調試窗口可看到調試格式文件．SDI提供的源碼、代碼及地址，還可打開各種寄存器窗口查看各存儲單元內容。調試中可看到電路與程序代碼協同、交互式仿真過程和結果。調試中可隨時進行源碼修改、設置各種斷點等。圖1所示為單片機讀鍵并將值送數碼管顯示實驗的源碼調試狀態。

2 Proteus借第三方編譯器實現源碼調試
??? 這是第二種源碼調試方式。若源碼使用高級語言，就必須借用Proteus之外的第三方代碼生成工具(匯編器／編譯器)。若此時仍要用VSM的源碼調試功能，就需要匯編器／編譯器提供DDX或輸出Proteus支持的調試格式文件(帶調試信息的目標代碼)。裝載器從這些調試文件中提取調試信息以實現源碼調試。

??? Proteus裝載器支持的調試文件格式主要有：COFF(通用的，適應于PIC)、OMF(用于8051范圍內)、UBROF(IAR編譯器生成)、ELF／DWARF(通用的，較COFF有較好的調試性能)、COD(由BYTE-CRAFT生成，廣泛應用在PIC 中)等。
??? 使用以上格式時，首先在編譯器中設置輸出格式，如在Keil中指定OMF格式的代碼文件，如圖2所示(例：6-164．OMF)。然后將生成的帶調試信息的代碼文件作為單片機窗口的“程序文件”。啟動仿真，則可進行源碼調試。

3 Proteus與第三方IDE聯合仿真實現源碼調試
??? 這是第三種源碼調試方式。Proteus聯合第三方IDE，充分發揮Proteus的微控制器仿真功能和第三方IDE豐富的代碼調試功能，創造最佳的應用系統開發環境。多數專業匯編軟件和編譯器都有自己的集成開發環境IDE，如IAR的嵌入式工作臺，Keil's μVision，Mi-crochip's MPLAB，Atreel's AVR studio等。Proteus作為IDE的插入式仿真器，由IDE的調試器控制調試的執行。這種源碼調試方法有兩種方法，如表1所示。

3．1 萬法一
??? Proteus通過TCP／IP協議與IDE通信。Proteus充當虛擬在線仿真器(In Circuit Emulator，ICE)。例如KEIL與Proteus聯調。先要將Proteus提供的驅動器VDMAGDL EXE裝在KEIL的安裝路徑下。在同臺計算機中調出KEIL與Proteus，進行仿真與聯調。如圖3所示，左邊為KEIL窗口，可利用斷點、變量窗口等監視程序的執行，進行源碼調試。右邊為Proteus窗口，在Proteus窗口可同步監視電路的運行狀態與過程，也查看Proteus提供的CPU寄存器、內RAM等各種存儲器窗口。也可將IDE調試器、Proteus分別安裝在不同計算機中，利用互聯網進行兩者的聯合調試。

3．2 方法二
??? Proteus集成在IDE(例Proton，MPLAB，Atmel AVR studio)中，作為IDE中的一個仿真與調試工具。現以Proteus與AVR Studio聯合仿真中的源碼調試為例較詳細地敘述該調試方法。
??? (1)在Proteus的ISIS中設計電路并保存(命名為LSD．DSN)；
??? (2)在AVR Studio中聯合調試。
??? 打開新建工程，在彈出的對話框中選擇工程類型為設置工程名，源文件自動與工程名相同。操作菜單Debug→Select Platform and De-vice，在彈出的對話框中設置調試平臺為Proteus VSMViewer、器件為Atmegar16，如圖4所示。點擊Finish接著彈出源程序編輯窗口。寫完程序、保存并點擊匯編，生成LSD．HEX。在Proteus VSM視窗中點擊打開按鈕(若視窗未打開，操作菜單View→Toolbars→Proteus VSM)，打開已有的LSD．DSN電路文件，對Atmegar16設置程序文件為LSD．HEX。點擊AVR的按鈕啟動調試，接下來按AVR中的調試方法進行。圖5右側為AVR開發環境中的I／O視窗及CPU信息框，可查看與當前設計相關的PORTD口的內容。在Proteus VSM視窗中右擊還可打開各種存儲器窗口和觀察窗口。

??? Proteus除了支持一般的軟件斷點外，還有獨特的條件斷點和硬件實時斷點功能。對源碼調試提供了更靈活的手段。當硬件條件發生時暫停仿真，與單步調試工具結合極為方便有效。尤其在電路中引入異步觸發，當需要跟蹤分析其對電路的影響時更有用。

? (1)條件斷點。如圖5中Proteus的觀察窗口中添加PORTD，并設置它的斷點條件為“On Change”。仿真時當PORTD輸出數據發生變化就暫停仿真。
??? (2)電壓探針斷點。對PORTD0引腳加一電壓探針，命名為PD0(見圖6)，設置為數0值觸發。每當PORTD0輸出低電平時，觸發斷點使仿真暫停，如圖7所示。

??? (3)硬件斷點：實時斷點發生器。實時斷點發生器有實時電壓、電流斷點觸發器RTVBREAK和RTI－BREAK：當觸發器引腳上的電壓或流經的電流超過設定的值將觸發斷點，為上升沿觸發；實時數字斷點觸發器RTDBREAK：當輸入到引腳的二進制數等于設定值時觸發斷點；實時電壓、電流監視器RTVMON和RTI-MON：當輸入電壓或當流經的電流不在設定范圍內，可觸發斷點、警告或是錯誤。可將RTVMON和RTI-MON用于創建仿真模型，當模型中的電壓或電流超過設定的工作極限時警告終端用戶。
??? 如圖8對POETD0引腳添加實時數字斷點觸發器并設置觸發值為0，達到同上述(2)中電壓探針一樣的斷點調試效果。

4 結語

??? 嵌入式系統的Proteus仿真中源碼調試的方式有三種，源碼的編寫、匯編、動畫式的電路仿真與源碼調試都在Proteus中完成：Proteus用第三方的匯編/編譯器對源碼匯編/編譯生成的調試格式文件進行源碼調試；Proteus與IDE聯合進行源碼調試。Proteus獨特的條件斷點、硬件斷點功能為仿真及源碼調試更方便、更靈活、更高效。