Комплексная отладка и приемосдаточные испытания.

Формализация требований к системе.

Разработка структуры и архитектуры системы.

Разработка и изготовление аппаратных средств и программного обеспечения системы.

Комплексная отладка и приемосдаточные испытания.

Этап 1. На этом этапе составляются внешние спецификации, перечисляются функции системы, формализуется техническое задание (ТЗ) на систему, формально излагаются замыслы разработчика в официальной документации.

Этап 2. На данном этапе определяются функции отдельных устройств и программных средств, выбираются микропроцессорные наборы, на базе которых будет реализована система, определяются взаимодействие между аппаратными и программными средствами, временные характеристики отдельных устройств и программ.

Этап 3. После определения функций, реализуемых аппаратурой, и функций, реализуемых программами, схемотехники и программисты одновременно приступают к разработке и изготовлению соответственно опытного образца и программных средств. Разработка и изготовление аппаратуры состоят из разработки структурных и принципиальных схем, изготовления прототипа, автономной отладки.

Разработка программ состоит из разработки алгоритмов; написания текста исходных программ; трансляции исходных программ в объектные программы; автономной отладки.

Этап 4. см. Комплексная отладка.

При комплексной отладке наряду с детерминированным используется статистическое тестирование, при котором МПС проверяется при изменении исходных переменных в соответствии со статистическими законами работы источников информации. Полнота контроля работоспособности проектируемой системы возрастает за счет расширения диапазона возможных сочетаний переменных и соответствующих им логических маршрутов обработки информации.

Существуют пять основных приемов комплексной отладки микропроцессорной системы:

1) останов функционирования системы при возникновении определенного события;

2) чтение (изменение) содержимого памяти или регистров системы;

3) пошаговое отслеживание поведения системы;

4) отслеживание поведения системы в реальном времени;

5) временное согласование программ.

Комплексная отладка завершается приемосдаточными испытаниями, показывающими соответствие спроектированной системы техническому заданию. Для проведения комплексной отладки МПС используют логические анализаторы и комплексы: оценочные, отладочные, развития микропроцессоров, диагностирования, средств отладки.

На каждом этапе проектирования МПС людьми могут быть внесены неисправности и приняты неверные проектные решения. Кроме того, в аппаратуре могут возникнуть дефекты.

2. Внутрисхемные эмуляторы (основные и дополнительные функциональные блоки)

Внутрисхемный эмулятор – наиболее мощное и универсальное отладочное средство. Это программно-аппаратное средство, способное замещать процессор в реальной системе и делающее процесс функционирования отлаживаемого контроллера прозрачным, т. е. легко контролируемым, произвольно управляемым и модифицируемым по воле разработчика.

Функционально внутрисхемные эмуляторы делятся на стыкуемые с внешней ЭВМ и функционирующие автономно.

Стыковка с отлаживаемой системой производится с помощью специального кабеля с эмуляционной головкой, которая вставляется вместо отлаживаемого микроконтроллера или параллельно ему. В последнем случае микроконтроллер должен иметь отладочный режим, при котором все его выводы переводятся в третье состояние.

Основные функциональные блоки эмулятора:

· - отладчик;

· - узел эмуляции микроконтроллера;

· - эмуляционная память;

· - подсистема точек останова.

· - Дополнительные блоки:

· - процессор точек останова;

· - трассировщик;

· - профилировщик (анализатор эффективности программного кода);

· - таймер реального времени;

· - программно-аппаратные средства, обеспечивающие возможность чтения и модификации эмулируемого процессора;

· - программно-аппаратные средства, обеспечивающие синхронное управление, необходимое для эмуляции в мультипроцессорных системах.

Отладчик осуществляет:

· - управление процессом эмуляции (моделирования);

· - вывод на монитор состояния и содержимого всех регистров и памяти и, при необходимости, их модификации (изменение их содержимого).

Отладчик позволяет одновременно следить за ходом выполнения программы и видеть соответствие между исходным текстом, образом программы в машинных кодах и состоянием всех ресурсов эмулируемого микроконтроллера.

Эмуляционная память может применяться вместо ПЗУ отлаживаемой системы, а также дает возможность отлаживать программу без реальной системы или ее макета. (Нет необходимости в перепрограммировании ПЗУ.) Эмулирование возможно целиком или поблочно.

Трассировщик – это логический анализатор, работающий синхронно с процессором и фиксирующий поток выполняемых инструкций и состояния выбранных внешних сигналов.

Процессор точек останова позволяет останавливать выполнение программы или выполнять иные действия, например, запускать или останавливать трассировщик при выполнении заданных пользователем условий (любой степени сложности) без вывода из масштаба «реального времени».

Профилировщик позволяет получить по результатам прогона отлаживаемой программы следующую информацию:

· - количество обращений к различным участкам программы;

· - время, затраченное на выполнение различных участков программы.

Анализ статистической информации, поставляемой профилировщиком, позволяет легко выявлять «мертвые» или перенапряженные участки программ и в результате оптимизировать структуру отлаживаемой программы.

Интегрированная среда разработки – это совокупность программных средств, поддерживающая все этапы разработки ПО – от написания исходного текста программы до ее компиляции и отладки – и обеспечивающая простое и быстрое взаимодействие с другими инструментальными средствами (программным отладчиком-симулятором и программатором).

3. Программные симуляторы, мониторы отладки, эмуляторы ПЗУ

Программный симулятор – программное средство, имитирующее работу микроконтроллера и его памяти. В его состав входят отладчик, модель центрального процессора и памяти. Более сложные симуляторы содержат также модели встроенных периферийных устройств (таймеров, АЦП и систем прерываний). Загрузив программу в симулятор, пользователь может запускать ее в пошаговом или непрерывном режимах, задавать условные или безусловные точки останова, контролировать и свободно модифицировать содержимое ячеек памяти и регистров микроконтроллера. С его помощью можно быстро проверить логику выполнения программы и правильность выполнения арифметических операций.

Наличие интерфейса внешней среды позволяет избавить разработчика от необходимости устанавливать и изменять вручную содержимое входных регистров, т. е. можно создавать и гибко использовать модель внешней среды микроконтроллера, функционирующую и взаимодействующую с отлаживаемой программой по заданному алгоритму.

Особенностью программных симуляторов является то обстоятельство, что исполнение программ, загруженных в симулятор, происходит в масштабе времени, отличном от реального. Однако более низкая цена, возможность ведения отладки даже в условиях отсутствия макета отлаживаемого устройства делают программные симуляторы весьма эффективным средством отладки.

Отладочный монитор – специальная программа, загружаемая в память отлаживаемой системы и вынуждающая процессор выполнять, кроме прикладной задачи, еще и отладочные функции:

· - загрузку прикладных кодов в свободную от монитора память;

· - установку точек останова;

· - запуск и останов загруженной программы в реальном времени;

· - проход программы пользователя по шагам;

· - просмотр, редактирование содержимого памяти и управляющих регистров.

Программа монитора должна быть связана с внешним компьютером или монитором для визуализации процесса отладки.

Основное достоинство использования монитора – это малые затраты при сохранении возможности вести отладку в реальном времени на микроконтроллере, стоящем на плате. Недостатком является отвлечение ресурсов микроконтроллера на отладочные и связные процедуры (память, прерывания, последовательный канал).

Платы развития, или оценочные платы, являются своеобразными конструкторами для макетирования прикладных систем. Выпуск оценочных плат – это современный подход к продвижению микроконтроллеров на рынке. Обычно на печатной плате устанавливается вся необходимая аппаратура для демонстрации возможностей микроконтроллера, обеспечивается связь с компьютером и предоставляется поле для монтажа прикладных схем пользователя. Такие платы могут быть применены для установки в аппаратуру малой серии (5 – 20 шт.).

Эмуляторы ПЗУ – это программно-аппаратные средства, позволяющие замещать ПЗУ на отлаживаемой плате и подставляющие вместо него ОЗУ, куда загружается программа с компьютера через один из стандартных каналов связи. В данном случае стараются избежать многократных циклов перепрограммирования ПЗУ. Метод пригоден для микроконтроллеров, которые в состоянии обращаться к внешней памяти программ. По сложности и стоимости метод сравним с использованием плат развития, но более универсален, так как может применяться с любыми типами микроконтроллеров.

4. Методика разработки ППО микропроцессорных систем. Структура программы

См. В5

Программа на ассемблере представляет собой совокупность блоков памяти, называемых сегментами памяти. Программа может состоять из одного или нескольких таких блоков-сегментов. Каждый сегмент содержит совокупность предложений языка, каждое из которых занимает отдельную строку кода программы.

Предложения ассемблера бывают четырех типов.

Команды или инструкции, представляющие собой символические аналоги машинных команд.

В процессе трансляции инструкции ассемблера преобразуются в соответствующие команды системы команд микропроцессора. Одна команда Ассемблера, как правило, соответствует одной команде микропроцессора, что, вообще говоря, является характерным для низкоуровневых языков.

Приведем пример инструкции, которая осуществляет увеличение двоичного числа, хранящегося в регисреeax, на единицу:

inceax

– макрокоманды – оформляемые определенным образом предложения текста программы, замещаемые во время трансляции другими предложениями.

Примером макрокоманды может служить следующий макрос конца программы:

exit macro

mov ax,4c00h

int 21h

endm

– директивы, являющиеся указанием транслятору ассемблера на выполнение некоторых действий.

У директив нет аналогов в машинном представлении; В качестве примера приведем директиву TITLE, которая задает заголовок файла листинга: %TITLE «Листинг 1»

– строки комментариев, содержащие любые символы, в том числе и буквы русского алфавита. Комментарии игнорируются транслятором. Пример:

; эта строчка является комментарием

5. Методика разработки ППО микропроцессорных систем. Директивы, операторы и функции ассемблера

Методы и инструментальные средства проектирования (CASE- средства) составляют центральную часть формализованной дисциплины выполнения проекта любого ПО ЭИС. Метод проектирования ПО представляет собой организованную совокупность процессов создания ряда моделей, которые описывают различные аспекты разрабатываемой системы с использованием четко определенной нотации. На более формальном уровне метод определяется как совокупность следующих составляющих:

· концепций и теоретических основ. В качестве таких основ могут выступать структурный или объектно-ориентированный подход;

· нотаций, используемых для построения моделей статической структуры и динамики поведения проектируемой системы.

· процедуры, определяющей практическое применение метода (последовательность и правила построения моделей, критерии, используемые для оценки результатов).

Методы реализуются через конкретные технологии и поддерживающие их методики, стандарты и инструментальные средства, которые обеспечивают выполнение процессов ЖЦ ПО.

Проблема сложности является главной проблемой, которую приходится решать при создании больших и сложных систем любой природы, в том числе и ЭИС. Единственный эффективней подход к решению этой проблемы, заключается в построении сложной системы из небольшого количества крупных частей, каждая из которых, в свою очередь, строится из частей меньшего размера и т.д., до тех пор, пока самые небольшие части можно будет строить из имеющегося материала. По отношению к проектированию сложной программной системы это означает, что ее необходимо разделять (декомпозировать) на небольшие подсистемы, каждую из которых можно разрабатывать независимо от других. Правильная декомпозиция является главным способом преодоления сложности разработки больших систем ПО, и означает следующее:

· количество связей между отдельными подсистемами должно быть минимальным;

· связность отдельных частей внутри каждой подсистемы должна быть максимальной.

Структура системы должна быть таковой, чтобы все взаимодействия между ее подсистемами укладывались в ограниченные, стандартные рамки:

· каждая подсистема должна инкапсулировать свое содержимое (скрывать его от других подсистем);

· каждая подсистема должна иметь четко определенный и интерфейс с другими подсистемами.

Инкапсуляция позволяет рассматривать структуру каждой подсистемы независимо от других подсистем. Интерфейсы позволяют строить систему более высокого уровня, рассматривая каждую подсистему как единое целое и игнорируя ее внутреннее устройство.

На сегодняшний день в программной инженерии существуют два основных подхода к разработке ПО ЭИС, принципиальное различие между которыми обусловлено разными способами декомпозиции систем. Первый подход называют функционально-модульным или структурным. В его основу положен принцип функциональней декомпозиции, при которой структура системы описывается в терминах иерархии ее функций кпередачи информации между отдельными функциональными элементами. Второй, объектно-ориентированный подход использует объектную декомпозицию. При этом структура системы описывается в терминах объектов и связей между ними, а поведение системы описывается в терминах обмена сообщениями между объектами.

Итак, сущность структурного подхода к разработке ПО ЭИС заключается в его декомпозиции (разбиении) на автоматизируемые функции: система разбивается на функциональные подсистемы, которые, в свою очередь, делятся на подфункции, т.е. – на задачи и так далее до конкретных процедур. При этом автоматизируемая система, сохраняет целостное представление, в котором все составляющие компоненты взаимоувязаны. При разработке системы «снизу вверх», от отдельных задач ко всей системе, целостность теряется, возникают проблемы при описании информационного взаимодействия отдельных компонентов.

Все наиболее распространенные методы структурного подхода базируются на ряде общих принципов. Базовыми принципами являются:

· принцип «разделяй и властвуй»;

· принцип иерархического упорядочения – принцип организации составных частей системы в иерархические древовидные структуры с добавлением новых деталей на каждом уровне.

Выделение двух базовых принципов не означает, что остальные принципы являются второстепенными, поскольку игнорирование любого из них может привести к непредсказуемым последствиям (в том числе и к провалу всего проекта). Основными из этих принципов являются:

· принцип абстрагирования выделение существенных аспектов системы и отвлечение от несущественных;

· принцип непротиворечивости – обоснованности согласованность элементов системы;

· принцип структурирования данных – данные должны быть структурированы и иерархически организованы.

В структурном подходе используются в основном две группы средств, описывающих функциональную структуру системы и отношения между данными. Каждой группе средств соответствуют определенные виды моделей (диаграмм), наиболее распространенными среди которых являются:

· DFD(DataFlowDiagrams) – диаграммы потоков данных;

· SADT(StructuredAnalysisandDesigntechnique – метод структурного анализа и проектирования), – модели и соответствующие функциональные диаграммы;

· ERD (Entity-Relationship Diagrams) диаграммы «сущность–связь». Диаграммы потоков данных и диаграммы «сущность–связь» – наиболее часто используемые в САSE-средствах виды моделей.

Ассемблер (от англ. assemble — собирать) — компилятор с языка ассемблера в команды машинного языка. На сегодняшний день ассемблер как язык программирования, предназначенный для создания программ, используется крайне редко. Это связано с тем, что этот процесс является чрезвычайно трудоемким и получающиеся программы являются системно зависимыми, их нельзя свободно переносить между компьютерами, имеющими различные аппаратные архитектуры и операционные системы. Поэтому на сегодняшний день ассемблер изучают в учебных целях, так как только он дает полное представление о реальном устройстве и функционировании аппаратуры и операционной системы. Сейчас разработка программ на ассемблере применяется в основном в программировании небольших микропроцессорных систем (микроконтроллеров), как правило, встраиваемых в какое-либо оборудование. Очень редко возникает потребность использования ассемблера в разрабатываемых программах в тех случаях, когда необходимо, например, получить наивысшую скорость выполнения определенного участка программы, выполнить операцию, которую невозможно реализовать средствами языков высокого уровня, либо уместить программу в память ограниченного объема (типичное требо-вание для загрузчиков операционной системы).