Функции средств отладки

Сроки и качество отладки системы зависят от средств отладки. Чем совершеннее приборы, имеющиеся в распоряжении инженера-разработчика, тем скорее можно начать отладку аппаратуры и программ и тем быстрее обнаружить ошибки, локализовать источники, устранение которых обойдется дороже на более позднем этапе проектирования.

Средства отладки должны:
1) управлять поведением системы или/и ее модели на различных уровнях абстрактного представления;
2) собирать информацию о поведении системы или/и ее модели, обрабатывать и представлять на различных уровнях абстракции;
3) преобразовывать системы, придавать им свойства контролепригодности;
4) моделировать поведение внешней среды проектируемой системы.

Под управлением поведением системы или ее модели понимаются определение и подача входных воздействий для запуска или останова системы или ее модели, для перевода в конкретное состояние последних.

Чтобы определить место субъективной неисправности, которая может быть внесена на любой стадии проектирования, необходимо уметь собирать информацию о поведении системы и представлять ее в тех формах, которые приняты для данного проекта. Например, это могут быть вре-менные диаграммы, принципиальные электрические схемы, язык регистровых передач, ассемблер и др.

В общем случае нельзя локализовать источник ошибки проектируемой системы, имея информацию о поведении системы только на ее внешних выводах, поэтому проектируемую систему преобразовывают. Например, прежде чем изготовлять однокристальную микроЭВМ с теми или иными "зашивками" ПЗУ, программы отлаживают на эмуляционном кристалле, у которого магистраль выведена на внешние контакты и вместо ПЗУ установлено ОЗУ.

Этапы проектирования микропроцессорных систем

Микропроцессорные системы по своей сложности, требованиям и функциям могут значительно отличаться надежностными параметрами, объемом программных средств, быть однопроцессорными и многопроцессорными, построенными на одном типе микропроцессорного набора или нескольких, и т.д. В связи с этим процесс проектирования может видоизменяться в зависимости от требований, предъявляемых к системам. Например, процесс проектирования МПС, отличающихся одна от другой содержанием ПЗУ, будет состоять из разработки программ и изготовления ПЗУ.

При проектировании многопроцессорных микропроцессорных систем, содержащих несколько типов микропроцессорных наборов, необходимо решать вопросы организации памяти, взаимодействия с процессорами, организации обмена между устройствами системы и внешней средой, согласования функционирования устройств, имеющих различную скорость работы, и т. д. Ниже приведена примерная последовательность этапов, типичных для создания микропроцессорной системы:

1. Формализация требований к системе.
2. Разработка структуры и архитектуры системы.
3. Разработка и изготовление аппаратных средств и программного обеспечения системы.
4. 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.

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

Источники ошибок

Рассмотрим источники ошибок на первых трех этапах проектирования.

Этап 1. На этом этапе источниками ошибок могут быть: логическая несогласованность требований, упущения, неточности алгоритма.

Этап 2. На данном этапе источниками ошибок могут быть: упущения функций, несогласованность протокола взаимодействия аппаратуры и программ, неверный выбор микропроцессорных наборов, неточности алгоритмов, неверная интерпретация технических требований, упущение некоторых информационных потоков.

Этап 3. На этом этапе источниками ошибок могут быть: при разработке аппаратуры - упущения некоторых функций, неверная интерпретация технических требований, недоработка в схемах синхронизации, нарушение правил проектирования; при изготовлении прототипа - неисправности комплектующих изделий, неисправности монтажа и сборки; при разработке программных средств - упущения некоторых функций технического задания, неточности в алгоритмах, неточности кодирования.

Каждый из перечисленных источников ошибки может породить большое число субъективных или физических неисправностей, которые необходимо локализовать и устранить. Обнаружение ошибки и локализация неисправности являются сложной задачей по нескольким причинам: во-первых, из-за большого числа неисправностей; во-вторых, из-за того, что различные неисправности могут проявляться одинаковым образом. Так как отсутствуют модели субъективных неисправностей, указанная задача не формализована. Имеются определенные успехи в области создания методов и средств обнаружения ошибок и локализации физических неисправностей. Эти методы и средства широко используются для проверки работоспособного состояния и диагностики неисправностей дискретных систем при проектировании, производстве и эксплуатации последних.

Субъективные неисправности отличаются от физических тем, что после обнаружения, локализации и коррекции больше не возникают. Однако, как следует из перечня источников ошибок, субъективные неисправности могут быть внесены на этапе разработки спецификации системы, а это означает, что даже после самых тщательных испытаний системы на соответствие ее внешним спецификациям в системе могут находиться субъективные неисправности.

Процесс проектирования - итерационный процесс. Неисправности, обнаруженные на этапе приемосдаточных испытаний, могут привести к коррекции спецификаций, а следовательно, к началу проектирования всей системы. Обнаруживать неисправности необходимо как можно раньше, для этого надо контролировать корректность проекта на каждом этапе разработки.

Проверка правильности проекта

Основные методы контроля правильности проектирования следующие: верификация - формальные методы доказательства корректности проекта; моделирование; тестирование.

Существует много работ по верификации программного обеспечения, микропрограмм, аппаратуры. Однако эти работы носят теоретический характер. На практике пока используют моделирование поведения объекта и тестирование.

Для контроля корректности проекта на каждом этапе проектирования необходимо проводить моделирование на различных уровнях абстрактного представления системы и проверку правильности реализации заданной модели путем тестирования. На этапе формализации требований контроль корректности особо необходим, поскольку многие цели проектирования не формализуются или не могут быть формализованы в принципе. Функциональная спецификация может анализироваться коллективом экспертов или моделироваться и проверяться в опытном порядке для выявления, достигаются ли желаемые цели. После утверждения функциональной спецификации начинается разработка функциональных тестовых программ, предназначенных для установления правильности функционирования системы в соответствии с ее функциональной спецификацией. В идеальном случае разрабатываются тесты, целиком основанные на этой спецификации и дающие возможность проверки любой реализации системы, которая объявляется способной выполнять функции, оговоренные в спецификации. Этот способ - полная противоположность другим, где тесты строятся применительно к конкретным реализациям. Независимая от реализации функциональная проверка обычно заманчива лишь в теоретическом плане, но практического значения не имеет из-за высокой степени общности.

Автоматизация утомительной работы по составлению тестовых программ не только сокращает продолжительность периода конструирования/отладки за счет получения тестовых программ на этапе конструирования (поскольку они могут быть сгенерированы сразу после формирования требований к системе), но и позволяет проектировщику изменять спецификации, не заботясь о переписывании всех тестовых программ заново. Однако на практике разработке тестов часто присваивают более низкий приоритет по сравнению с проектом, поэтому тестовые программы появляются значительно позже его завершения. Но даже если детальные тесты оказываются подготовленными, часто практически нецелесообразно запускать их на имитаторе, так как детальное моделирование требует больших затрат средств на разработку программ и времени на вычисление, в результате большая часть работы по отладке должна откладываться до момента создания прототипа системы.

После обнаружения ошибки должен быть локализован ее источник, чтобы провести коррекцию на соответствующем уровне абстрактного представления системы и в соответствующем месте. Ложное определение источника ошибки или проведение коррекций на другом уровне абстрактного представления системы приводит к тому, что информация о системе на верхних уровнях становится ошибочной и не может быть использована для дальнейшей отладки при производстве и эксплуатации системы. Например, если неисправность внесена в исходный текст программы, написанной на языке ассемблера, а коррекция проведена в объектном коде, то дальнейшая отладка программы ведется в объектном коде; при этом все преимущества написания программы на языке ассемблера сводятся на нет.

Автономная отладка

Процесс отладки прототипа проектируемой системы должен начинаться с отладки аппаратуры и отладки программ.

Отладка аппаратуры предполагает тестирование отдельных устройств микропроцессорной системы - процессора, ОЗУ, контроллеров, блока питания, генератора тактовых импульсов путем подачи тестовых входных воздействий и приема ответных реакций. Тестовые входные воздействия и ответные реакции определяются, исходя из спецификаций на устройства, а также структурных схем устройств. При этом проверяются реальная аппаратура прототипа, спецификации, структурные схемы и отлаживаются тесты. После отладки отдельных устройств проверяется их взаимодействие. Процессор системы работает с шинами адресов, данных и управления. Анализируя их сигналы, можно проконтролировать выполнение программы в процессоре.

Поскольку ША и ШД синхронные, их работу лучше всего проверить с помощью методов логических состояний. Перед анализом последовательностей данных на этих шинах необходимо удостовериться в том, что сигналы, управляющие взаимодействием процессора с другими устройствами, выдаются в соответствующем порядке. Поскольку ШУ состоит из линий, работающих асинхронно, необходимо просматривать сигналы многих линий в течение одного и того же промежутка времени. Для анализа асинхронной работы линий управления необходимо также наблюдать за сигналами на них при возникновении определенного события, чтобы можно было четко разделить и идентифицировать различные состояния линий. Например, среди сигналов ШУ могут быть сигналы длительностью всего несколько наносекунд, но могут также возникать кратковременные ложные узкие импульсы, вызванные перекрестными помехами или шумами.

После того как доказана работоспособность ШУ, проводится дальнейшая проверка работы аппаратуры при различных режимах адресации процессора и кодах выбираемых данных. Для проверки выполнения процессором инструкций разрабатывается тестовая программа, которая помещается в ОЗУ или ППЗУ. При этом проверяется временная диаграмма сигналов и прохождения данных в системе (как осуществляется передача информации по отношению к строб-сигналам). Если тестовая программа - системный проверяющий тест пройдет успешно, можно утверждать, что автономно аппаратура отлажена.

При автономной отладке аппаратуры могут потребоваться приборы, умеющие: а) выполнять функции аналогового прибора, т. е. измерять напряжение и ток; воспроизводить форму сигнала, подавать импульсы определенной формы и т. д.; б) подавать последовательность сигналов одновременно на несколько входов в соответствии с заданной временной диаграммой или заданным алгоритмом функционирования аппаратуры, представленным в спецификации на языке высокого уровня, или другим способом; собирать значения сигналов многих линий в течение одного и того же промежутка времени, который определяется задаваемыми, программируемыми событиями - комбинацией или последовательностью сигналов на линиях, например, ложным сигналом на линии; обрабатывать и представлять собранную информацию либо в виде временной диаграммы, либо в виде диаграммы или таблицы логических состояний, либо на языке высокого уровня, например, языке регистровых передач.

Для автономной отладки аппаратуры широко используются осциллографы, вольтметры, амперметры, частотомеры, генераторы импульсов, позволяющие отлаживать аппаратуру на схемном уровне. Чтобы автономно отладить аппаратуру МПС на более высоком уровне, применяют логические анализаторы, генераторы слов, пульты, комплексы диагностирования.

Отладка программ

Отладка программ микропроцессорной системы проводится, как правило, на тех же ЭВМ, на которых велась разработка программ, и на том же языке программирования, на котором написаны отлаживаемые программы, и может быть начата на ЭВМ даже при отсутствии аппаратуры МПС. При этом в системном программном обеспечении ЭВМ должны находиться программы (интерпретаторы или эмуляторы), моделирующие функции отсутствующих аппаратных средств. Так, разработка и автономная отладка программных средств может вестись на больших ЭВМ, миниЭВМ, микроЭВМ, система команд которых не совпадает с системой команд используемого микропроцессора. Кроме того, при отладке программ может отсутствовать внешняя среда микропроцессорной системы, ее также необходимо моделировать.

Проверка корректности программ, т.е. проверка соответствия их внешним спецификациям, осуществляется тестированием. Программы проверяются на функционирование с различными исходными данными. Результаты функционирования программ сравниваются с эталонными значениями.

Отладка программ подразделяется на следующие этапы: планирование отладки; составление тестов и задания на отладку; исполнение программ; информирование о результатах исполнения программ по заданным исходным данным; анализ результатов, обнаружение ошибок и локализация неисправностей.

Существует два способа начального тестирования программ: пошаговый режим и трассировка программ.

В пошаговом режиме программа выполняется по одной команде за один раз, а пользователь анализирует содержимое памяти, регистров и т.д., чтобы проверить, соответствуют ли результаты ожидаемым. Пошаговый режим может быть трудоемким, если средства отладки будут требовать отдельных команд после каждого шага для того, чтобы показать необходимую информацию в понятном для пользователя виде. Имеются средства отладки, автоматически показывающие после каждого шага содержимое регистров процессора и ячеек памяти, используемых в последней команде, и несколько следующих команд. Пошаговый режим является весьма мощным средством предварительного тестирования, так как позволяет обнаруживать неисправности, прежде чем они существенно исказят программу и данные. Кроме того, неоднократно проходя отдельными шагами через один и тот же участок объектной программы, программист может легко изменять содержимое регистров и ячеек памяти, особенно если средства отладки имеют динамически обновляемый дисплей, и тем самым проверить работу программы в разных условиях. Этот интерактивный режим отладки программы позволяет разработчику постоянно упреждать, что будет делать его программа, и оперативно обнаруживать ошибку. Однако пошаговый режим с автоматическим показом результатов возможен только тогда, когда средства отладки содержат в своем составе дисплей с прямым доступом в память, так как после каждого шага на экране дисплея нужно показывать большой объем информации.

Исполнение программ осуществляется по шагам последовательно во времени и в соответствии с заданиями, содержащимися в операторах. При этом производится переработка значений переменных и определение оператора приемника. Если в ходе исполнения программы регистрируется последовательность операторов, реализуемых на каждом шаге процесса, то получается трасса или маршрут исполнения программы, который для конкретной программы зависит только от значений исходных данных.

Трассировка программ больше пригодна для отладочных средств, имеющих медленный, последовательный терминал. Программа-отладчик выполняет непрерывно команду за командой и выводит содержимое регистров процессора на терминал после каждого шага. Некоторые отладчики выводят также на терминал команды в дизассемблерной форме. Но при этом способе содержимое памяти не выводится на терминал и разработчик должен сам делать выводы об изменениях в ней. Отслеживание программы продолжается автоматически до тех пор, пока не будет остановлено извне. Результатом трассировки программы будут данные на экране дисплея или же в случае использования в качестве терминала печатающего устройства - длинная распечатка с ходом выполнения программы. Программист, анализируя эти данные, может обнаружить ошибки. Трассировка программ не дает, однако, возможности изменять содержимое памяти и регистров и может послужить причиной того, что программа разрушит себя или свои данные прежде, чем отслеживание будет остановлено.

Отдельные участки программы после проверки, используя пошаговый режим или трассировку, можно объединить и проверить с помощью установки контрольных точек, вводимых в программу и прерывающих ее исполнение, для передачи управления программе-отладчику. По контрольным точкам можно по желанию выполнить избранные участки программы и проанализировать результаты. Контрольные точки устанавливаются обычно для конкретной команды, но в некоторых системах предусматриваются прерывания программы при чтении или записи данных в определенные ячейки памяти. Возможны и более сложные условия прерывания программы.

Расстановка контрольных точек предполагает, что программист связывает с ней точный адрес памяти. Для некоторых отладчиков программист задает абсолютный шестнадцатеричный адрес. Последние отладчики допускают символьные значения адресов, которые программист определяет в исходной программе; это позволяет значительно экономить время, распечатывая после каждого редактирования и транслирования программы новую копию листинга.

При тестировании можно планировать проверку всех возможных маршрутов исполнения программы для разных исходных переменных. Однако это реализуемо только для очень простых программ небольшого объема при малых диапазонах изменения исходных данных. Поэтому при планировании отладки программ применяют критерии полноты тестирования, которые, однако, не гарантируют полной проверки программ. Выбор критерия зависит от наличия ресурсов для тестирования и структурной сложности отлаживаемой программы. Критерии характеризуются глубиной контроля программ и объемом проверок.

В процессе отладки основная часть неисправностей в программах обнаруживается и затем устраняется. Однако всегда возможен пропуск нескольких неисправностей.

Средства отладки программ должны:
а) управлять исполнением программ (останавливать, изменять порядок, запускать и т. д.);
б) собирать информацию о ходе выполнения программы;
в) обеспечивать обмен информацией (диалог) между программистом и ЭВМ на уровне языка программирования;
г) моделировать работу отсутствующих аппаратных средств микропроцессорной системы.