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浅析单片机的调试方法

JUMU
2019/07/12 22:48:28
1.1 利用LED进行可视化管理
这种方法需要有多余的I/O。(如果可能，也可以将实现次要功能的I/O暂时借来一用。)
其电路很简单，一个LED通过限流电阻接到VCC电源。I/O设置为输出方式。

我们可以用下面的宏来定义LED的操作。
  1. #define LED_YELLOW_ON() PA6D=0

  3. #define LED_YELLOW_OFF() PA6D=1

  5. #define LED_YELLOW_FLASH() PA6D^=1

举个例子说明它的用法。在低功耗的产品设计中，我们一般采用“睡眠à醒来工作à睡眠à醒来工作”的工作模式，其程序结构如下：
  1. while(1)

  3. HLT = 1; //进入睡眠

  5. nop();

  7. clear_WDT(); //清看门狗

  9. //醒来，处理各种事务

如果我们在程序醒来时点亮LED，事务处理完毕时熄灭LED，那么我们就能“看见”程序的工作状态，LED将周期性地闪烁。这就是我们称之为可视化管理的原因。(不记得在哪本书上看到“可视化管理”这个概念，我借用一下)

其软件结构是这样：
  1. while(1)

  3. HLT = 1; //进入睡眠

  5. nop();

  7. clear_WDT(); //清看门狗

  9. LED_YELLOW_ON(); // debug

  11. //醒来，处理各种事务

  13. LED_YELLOW_OFF(); // debug

其实有些仿真器已经提供了这种监视程序睡眠状态的方法。如果没有提供，就可以用以上方法自行实现。
它的使用很灵活。比如可以用来在双时钟系统中监视快时钟的打开和关闭情况(慢时钟一般总是打开，因为要用作实时时钟的时钟源，而且慢时钟耗电很小)。你可以在打开快时钟时点亮LED,关闭快时钟时熄灭LED,这样一来快时钟的打开和关闭就一目了然了。
你也可以在某个中断中将LED的状态取反(使用LED_YELLOW_FLASH())，用来监视此中断的产生是否正常。虽然设置断点也可以知道中断是否产生，但会中断程序的执行，造成不便。
如果你想知道程序有没有执行到某个地方，你也可以将LED_YELLOW_FLASH()放到该位置。
依次类推，你可以用这个方法观察任何你想观察的事件。
当然你必须互斥地观察不同的事件。就是说，对于一个LED，在一次调试中，一般只能观察一个事件，否则你自己也弄不清LED的变化到底是代表发生哪一事件。
另外，你还可以同时使用两个或者更多不同颜色的LED来监视不同的事件，前提你有多余的I/O。
不中断程序的执行，又能看到程序的执行情况，应该说是一种很有效的调试程序的方法。相比开发工具所提供的单步、断点、观察变量等调试手段，这可以算是一种有效的补充。
1.2 利用示波器测试时间
利用上面的方法，再加一个示波器，就可以测量程序执行的时间了。(你可以自己决定接不接LED)。
比如，在初始化程序中，在打开总中断之前，写如下代码：
  1. LED_YELLOW_ON();

  3. nop();

  5. LED_YELLOW_OFF();

使用示波器，在捕获模式下，你应该能捕获到一个脉冲，测试它的宽度，假如为30.5us。以OKI ML610Q431为例，一条nop指令包括1 cycles，1 cycles包括1 system clock。这里system clock等于振荡周期。(注意，不同的单片机(one-board computer)对cycles, system clock的定义是不同的，需要参考各自的用户手册)。
那么我们可以这样计算振荡器的频率：1*1*(1/f)=30.5/1000000.
f=32786Hz
当然，如果示波器测量精度不够，可以多放几个nop指令，计算时再求平均。如果嫌示波器的捕获模式太麻烦，还可以采用循环结构，输出一串方波。比如：
  1. while(1)

  3. LED_YELLOW_ON();

  5. nop();

  7. LED_YELLOW_OFF();

  9. nop();

  11. clear_WDT(); //清看门狗


这种方法的使用也很灵活。你可以用来测试主循环的执行时间，调用某个函数所花的时间，以及某个中断处理的时间(不包括响应中断和退出中断的时间)等等。
当你发现某些时候主循环的执行时间特别长时，可以采用逐步缩小范围的方法来找出到底是哪个函数花费时间长，有没有可能将其优化。
下面是测试主循环执行时间的程序结构。
  1. while(1)

  3. HLT = 1; //进入睡眠

  5. nop();

  7. clear_WDT(); //清看门狗

  9. LED_YELLOW_ON(); // debug

  11. Fun1();

  13. Fun2();

  15. Fun3();

  17. Fun4();

  19. LED_YELLOW_OFF(); // debug

如果发现上面的执行时间异常(比如太长)，你可以调整测试的位置，如下所示：
  1. while(1)

  3. HLT = 1; //进入睡眠

  5. nop();

  7. clear_WDT(); //清看门狗

  9. Fun1();

  11. LED_YELLOW_ON(); // debug

  13. Fun2();

  15. Fun3();

  17. Fun4();

  19. LED_YELLOW_OFF(); // debug

这样，你就可以确定执行时间过长是不是因为Fun1()引起。如果不是，则继续调整测试位置，逐个排除，直到找到真正费时的函数，对其进行分析，看看有没有可能优化。
当然，我们还可以用两个或更多I/O对多个事件进行逻辑分析，观察他们的先后顺序以及测试其时间间隔。这种方法也很有用，很灵活。在此不详述。
2. 利用LCD进行可视化管理
如果你的产品带LCD显示，又没有多余的IO可供调试，或者你只是想临时的调试某个功能，那么你可以临时使用LCD上的某个图标来指示某个事件。当某个事情发生时，显示该图标，否则清除该图标。
如果想在程序运行中获得更复杂、更丰富的信息，可以对不同的事件显示不同的数值。
3. 小结
不中断程序的执行，又能观察程序的执行情况，应该说是一种很有效的调试程序的方法。相比开发工具所提供的单步、断点、观察变量等调试手段，这可以算是一种有效的补充。实际上，这些调试方法很像PC应用开发的printf调试手段。它可以在不打断程序运行的情况下，借助于I/O，LED，示波器，数码管或LCD显示，给出各种各样的提示信息，帮助我们调试程序。
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