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嵌入式系统教案

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嵌入式系统教案. 北京建筑工程学院 . 计算机系. 2014/8/20. 第五章 -2 嵌入式软件设计. 提纲. 嵌入式软件开发的特点. 1. 2. 嵌入式软件的开发流程. 3. 嵌入式软件的调试. 4. ARM 集成开发环境. 嵌入式软件设计. 嵌入式软件开发的特点. 需要交叉开发环境 。交叉开发环境是指实现编译、链接和调试应用程序代码的环境。与运行应用程序的环境不同,它分散在有通信连接的宿主机与目标机环境之中。

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嵌入式系统教案

北京建筑工程学院.计算机系

2014/8/20

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第五章-2 嵌入式软件设计

提纲

嵌入式软件开发的特点

1

2

嵌入式软件的开发流程

3

嵌入式软件的调试

4

ARM集成开发环境

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嵌入式软件设计

嵌入式软件开发的特点
  • 需要交叉开发环境。交叉开发环境是指实现编译、链接和调试应用程序代码的环境。与运行应用程序的环境不同,它分散在有通信连接的宿主机与目标机环境之中。
    • 宿主机(Host):是一台通用计算机,一般是PC机。它通过串口与目标机通信。宿主机的软硬件资源比较丰富,包括功能强大的操作系统及相应的集成开发工具。
    • 目标机(Target):在嵌入式软件开发期间使用,目标机可以是嵌入式应用软件的实际运行环境,也可以是能替代实际环境的仿真系统。目标机体积小,集成度高。目标机硬件资源有限,软件可以裁减,也可以配置。
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嵌入式软件设计

嵌入式软件开发的特点
  • 引入任务设计方法。嵌入式应用系统以任务为基本的执行单元。嵌入式系统的设计通常采用DARTS(Design and Analysis of Real-Time Systems)设计方法进行任务的设计。DARTS给出了任务划分的方法和定义任务间接口的机制。
  • 需要固化程序。通用软件的开发在测试完成以后就可以直接投入运行。其目标环境一般是PC机,在总体结构上与开发环境差别不大。而嵌入式应用程序开发环境是PC机,但运行的目标环境却千差万别,可以是PDA,也可以是仪器设备。而且应用程序在目标环境下必需存储在非易失性存储器中,保证在关机后下次的使用。
  • 软件开发难度大。嵌入式应用软件对稳定性、可靠性、抗干扰、实时性等性能要求比通用软件的要求更为严格。
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嵌入式软件设计

嵌入式软件的开发流程

1.需求分析阶段

包括:对问题的识别和分析,制定规格说明文档和需求评审。

2.设计阶段

包括:系统设计、任务设计和任务的详细设计。

3.生成代码阶段

包括:代码编程、交叉编译和链接、交叉调试和测试等。

注:嵌入式集成开发环境都支持交叉编译、链接,如WindRiver公司的Tornado及GNU套件,微软公司的EVC++嵌入式开发环境,RAM公司提供的ADS、SDT等。

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嵌入式软件设计

嵌入式软件的开发流程

4.固化阶段

嵌入式应用软件调试完成以后,编译器要对源代码重新编译一次,以产生固化到目标环境的可执行代码,再烧写到目标环境的Flash中。可执行代码烧写到目标环境以后,还要进行运行测试,以保证程序正确无误。固化测试完成后,整个嵌入式应用软件的开发就基本完成了。

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宿主机

目标机

ARM硬件平台

嵌入式软件设计

嵌入式软件的开发流程
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嵌入式软件的调试

常用调试方法
  • 软件仿真(源程序模拟器方式)
  • 在PC机上,通过软件手段模拟执行为某种嵌入式处理器编写的源程序。
  • 驻留监控程序(监控器方式)

监控程序是一段运行于目标机上的可执行程序,主要负责监控目标机上被调试程序的运行情况。它与宿主机端的调试器一起完成对应用程序的调试。被调试程序下载到目标机,就可以进行调试。监控程序一般可完成设置断点、单步执行、查看寄存器或内存空间的值等各项功能。

    • 不需要专门的调试硬件
    • 需要占用目标板上的一部分资源
    • 不能对程序进行完全仿真,主要用于调试在目标机操作系统上运行的应用程序,不适于调试目标操作系统。
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嵌入式软件的调试

常用调试方法
  • JTAG仿真器(ICD,In-Circuit Debugger,在线调试器)

通过JTAG口与 目标机的CPU进行通信。

    • 完全非插入式调试,不使用片上资源,无需目标存储器,不占用目标系统的任何端口
    • 仿真效果更加接近于目标硬件

在线仿真器(ICE,In-Circuit Emulator)

ICE是一种完全仿造调试目标CPU设计的仪器。该仿真器可以真正运行所有的CPU动作。使用ICE同使用一般的目标硬件一样,只是在ICE上完成调试之后,需要把调试好的程序重新下载到目标系统上而已。

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ARM软件开发工具

ARM主流开发工具
  • Windows操作系统
    • ARM ADS/SDT + 调试器
    • GNU + Cygwin + 调试器
    • ARM SDT + 简易电缆
  • Linux操作系统
    • GNU + GDB
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作业
  • 嵌入式软件开发的特点是什么?
  • 写出嵌入式系统软件开发的流程。
  • 嵌入式系统有哪几种调试方式?现在最流行的是哪种?使用什么接口?
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主要内容

ARM集成开发环境

  • ARM开发工具概述
  • ARM开发系统的安装
  • ARM JTAG 仿真器配置
  • 新建工程项目
  • 编译工程项目
  • AXD调试器的使用方法
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ARM集成开发环境

ARM开发工具概述(一)

基于ARM的开发,需要借助硬件工具和软件工具。硬件工具主要是ARM在线仿真器、评估板等,软件工具包括编辑汇编、编译链接、调试软件、嵌入式操作系统和函数库。目前世界上有诸多公司提供以上不同类别的软硬件产品。

开发者选用ARM处理器开发嵌入式系统时,选择合适的开发工具可以加快进度,节省开发成本。因此一套运行于PC机上,含有编辑软件、汇编软件、连接软件、调试软件、项目管理以及函数库的集成开发环境(IDE,Integrate Develop Enviorment)是必不可少的。集成开发环境用于开发ARM的应用和驱动程序,而调试工作需要借助于ARM实时仿真器和评估板方可完成。

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ARM集成开发环境

ARM开发工具概述(一)

实际上,多数嵌入式开发者都借助Windows平台的IDE环境和ARM实时仿真器来开发驱动和应用程序,再将其移植到其它嵌入式操作系统上。

常用的集成开发环境(IDE)有ARM SDT,ARM ADS,MULTI2000,Hitool for ARM等,较为流行的仿真器如Multi-ICE,ARM JTAG等。这里主要介绍ARM ADS集成开发环境和ARM Multi-ICE JTAG仿真器。

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ARM集成开发环境

ARM开发工具概述(二)

  • 软件工具
  • ARM ADS(ARM Developer Suite)是ARM公司推出的新一代ARM集成开发软件环境,用以取代ARM公司以前推出的ARM SDT开发软件,目前用户使用的ARM ADS新版本为ADS1.2。
  • ARM ADS对ARM SDT的模块进行了增强,替换了部分SDT的部件。ADS由命令行开发工具,ARM时实库,GUI环境(Code Warrior和AXD),实用程序和支持软件组成。有这些部件,用户就可以为ARM系列的RISC处理器编写和调试自己的应用程序。
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ARM集成开发环境

ARM开发工具概述(二)

  • 软件工具
  • ADS支持所有的ARM体系处理器,包括ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM10E和Intel Xscale系列,除支持Windows平台操作系统外,还支持在 RedHat Linux操作系统上的运行。
  • 这里介绍基于Windows平台的ARM开发,让您快捷掌握Code Warrior和AXD的使用,致力于ARM的开发。
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ARM集成开发环境

ARM开发工具概述(三)

  • 硬件工具
  • ARM Multi-ICE JTAG仿真器是SoC应用开发的强大调试工具,是进行硬件开发、驱动程序调试、应用软件开发的必备工具。它用于ARM处理器内核软件调试,符合IEEE 1149.1规范,可以满足更多用户对ARM处理器内核软件的开发、调试需求。
  • ARM Multi-ICE JTAG仿真器支持所有内含embedded-ICETMlogic的基于ARM内核的芯片,同时也支持所有新的尚在开发中的ARM内核SoC芯片。通过JTAG仿真器,用户可以轻松修改寄存器、存储器、设置断点、观察窗口、程序下载及RealMonitorTM 实时调试。
  • ARM Multi-ICE JTAG仿真器配备ARM ADS软件集成开发调试环境,编译、链接、可视化调试一应俱全,软件模拟、项目管理方便快捷,快速提高代码开发效率。
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ARM开发工具概述(四)

ARM集成开发环境

  • ARM JTAG主要特征如下:
    • 支持所有内建Embedded-ICE逻辑单元的ARM处理器
    • 支持多个内核系统
    • 支持ARM ADS1.2开发环境
    • 连接简便,兼容不同电压的目标系统
    • 用户可通过JTAG修改寄存器、存储器内容等
    • 除JTAG扫描链外,不占用目标板上的其它任何资源
    • 支持实时硬件断点
    • 支持程序下载及实时调试
    • 通信速度快,高速数据下载可达130KB/S
    • JTAG速度可配置,以满足不同调试对象的需求
    • 支持所有符合RDI 1.50或RDI 1.51规范的调试工具软件
    • 支持多目标平台,如ATMEL、SamSung、Intel、Philips、Sharp
    • 提 供丰富的例程和使用说明
    • 体积轻巧,性能稳定
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ARM开发工具概述(五)

ARM集成开发环境

  • ARM Multi-ICEJTAG实时仿真器支持的ARM内核:
  • ARM7TDMI ARM710T ARM7TDMI-S
  • ARM7DMI ARM720T ARM740T
  • ARM7TDI-S ARM7EJ-S ARM926EJ-S
  • ARM9TDMI ARM9E-S ARM940T
  • ARM946E-S ARM920T ARM966E-S
  • ARM1020E ARM922T ARM966E-S
  • Intel XScale PXA210 PXA250 80200
  • 支持的操作系统:
    • Windows 98/NT/2000/ME/XP
    • X86 RedHat Linux 6.2/7.2/8.0
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ARM开发系统的安装(一)

ARM集成开发环境

  • 硬件连接
  • ARM Multi-ICEJTAG使用标准的25pin并口插座和20pin的JTAG插座作为接口。有的目标板可能使用14pin的JTAG插座,它的信号定义和20pin的JTAG接口的信号排列顺序如下图1。对于这两类接口,它们相同信号的电气特性一样,因此可以把对应的信号直接相连进行转换。20pin和14pinJTAG接口信号定义
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ARM开发系统的安装(二)

ARM集成开发环境

ARM开发系统的硬件连接如下图所示:

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ARM开发系统的安装(三)

ARM集成开发环境

  • 软件安装
  • 开发PC主机系统需求:
    • Pentium IBM兼容PC,带有可用的并口
    • CD-ROM驱动器
    • 200MHz以上CPU
    • 300MB以上空闲硬盘空间
    • 32MB(Win98)或64MB(Win2000)以上内存空间
    • 建议Microsoft Windows 98或2000操作系统

ARM开发系统软件的安装过程分为两步:

1、安装ARM Multi-ICE,这是仿真器驱动程序。

2、安装ARM Developer Suite(ADS),这是ARM的集成开发环境。

插入安装光盘后,按照默认的设置进行安装即可。

arm jtag
ARM JTAG仿真器配置(一)

ARM集成开发环境

1.按照硬件连接图所示,做好仿真器、目标板和PC机的硬件连接.需要注意的是:要先给仿真器加电,然后再给目标板加电。

2.打开“开始程序ARM Multi-ICE v2.2”运行Multi-ICE server,启动仿真器驱动。

arm jtag1
ARM JTAG仿真器配置(二)

ARM集成开发环境

3. 点击FileAutoconfigure或相应快捷键,自动连接仿真器,如下图所示。仿真器能够检测ARM目标板的CPU型号或者ARM内核级别,这就表明仿真器已经连接并能够仿真目标板。

arm jtag2
ARM JTAG仿真器配置(三)

ARM集成开发环境

对于某些ARM内核的CPU来说,在点击FileAutoconfigure自动配置时可能会出现“UNKNOWN”的情况,这属于正常现象。这时,用户需要根据自己的内核级别,进行手动配置。这里以ARM920T内核为例,简要介绍。

arm jtag3
ARM JTAG仿真器配置(四)

ARM集成开发环境

A:首先要建立相应ARM内核的配置文件。新建一文本格式的文件,以

cfg 为扩展名,比如:AT91RM9200DK.cfg,最好保存到ADS的安装

目录 C:\Program Files\ARM\Multi-ICE路径下。

文件的内容如下:

[Title]

ATMEL AT91RM9200 Demonstration Kit

;---------------------- THUNDER part ---------------------------

[TAP 0]

ARM920T

; Tell the Server to interrogate the device to gather IDCODE details

; For manual configuration the default is NO if not specified

[TAPINFO]

YES

[Timing]

Low=0 ; this equates to 10MHz TCK frequency

High=0

Adaptive=OFF ; do not use adaptive clocking

arm jtag4
ARM JTAG仿真器配置(五)

ARM集成开发环境

B:打开“开始程序ARM Multi-ICE v2.2”运行Multi-ICE server,启动仿真器驱动。点击FileAutoconfigure自动配置,等待出现“Unknow”提示。然后打开FileLoad-Configuration选项。

在弹出的对话框中查找并加载在上面建立的文件AT91RM9200DK.cfg。

arm jtag5
ARM JTAG仿真器配置(六)

ARM集成开发环境

调入该文件后,Multi-ICE Server能够检测ARM内核,说明手动配置成功。

图7

如果仿真器连接到PC机,刚打开Multi-ICE Server时出现警告,或者该窗口右下角的两个绿灯不亮,应该检查仿真器、电源及其连接是否有故障。

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新建工程项目(一)

ARM集成开发环境

1.打开“开始程序ARM Developer Suite v1.2Codewarrior for ARM Developer Suite”,进入ADS集成开发环境。

2.从FilesNew菜单新建一个工程项目,如下图所示。

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新建工程项目(二)

ARM集成开发环境

3.在New对话框的Project选项卡中创建新工程项目。如图所示:ProjectARM Executable image,用于生成一个可执行的ELF格式的映像文件。在Project Name文本框中填写将要建立的工程项目的名称,在Location文本框中设置工程项目的路径。

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新建工程项目(三)

ARM集成开发环境

4.单击“确定”,这样根据工程项目模板就生成一个新工程项目,如下图所示。可以查看在“Location”所指定的文件夹下,生成了一个XXX文件夹,它又包括XXX_Data文件夹和一个XXX.mcp文件。

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新建工程项目(四)

ARM集成开发环境

5.新建一个源文件:FilesNewfileText file,如图所示:

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新建工程项目(五)

ARM集成开发环境

在File Name 填写源文件名称(如init.s),在Location设置源文件的路径。建议新建文件路径和项目路径一致。这里,可以选中“Add to project”项,在Project下拉列表中选择想要加入的工程项目的名称(即上面所建立的

XXX.mcp),并选中Target目标栏中“Debug”、“DebugRel”和“Release”选项。

6.在新建的文本文件中编写程序代码,如下图所示:

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新建工程项目(六)

ARM集成开发环境

编辑完成后,保存该项目文件。如果该项目包括多个文件,继续新建文件直至完成。

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新建工程项目(七)

ARM集成开发环境

7.添加所有源文件到项目工程。

  如果在第5步中没有选中“Add to project”项,在项目文件下的空白处单击右键,选择“Add files”,在弹出的对话框中选择刚才新建的文件,全部加载到该项目中。

加载完成后,一个完整的项目工程就建立成功!

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编译工程项目(一)

ARM集成开发环境

1.设置编译环境。

可以看到TargetS中有三个目标:DebugRel、Debug、Release,

默认的目标为DebugRel(带有基本调试信息),用于调试时可以

选择Debug(带有全部调试信息). 通过DebugRel Settings对话

框设置的各种选项对于其它两个目标无效,Targets页面如图所

示。

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编译工程项目(二)

ARM集成开发环境

2.打开Target Settings。

值得注意的是Post-Linker,用于选择对连接器输出的文件的处

理方式,经常使用的是:ARM fromELF,它可以将ELF格式的文

件转换成各种二进制文件格式供下载使用。同时确定“Output

Directory”中的路径,在“Access Paths”下设置你所建的项目下

的XXX.axf文件的路径,下图为Target Settings设置页面。

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编译工程项目(三)

ARM集成开发环境

3.编译器的选项设置。

首先打开Language Settings项下的ARM Assembler,这是ARM汇编编译

器的选项。这里根据目标系统的实际情况,将ARM Assembler中的处理器

类型(Architecture or Processor)设置为ARM920T。

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编译工程项目(四)

ARM集成开发环境

打开Language Settings项下的ARM C Compiler选项,这是armcc编译器的选项。将ARM C Compiler中的处理器类型也设置为ARM920T。如果需要使用 C++和Thumb指令集,则应将ARM C++ Compiler,Thumb C Compiler和Thumb C++ Compiler也作同样的设置。

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编译工程项目(五)

ARM集成开发环境

其它各个选项一般按默认设置即可:ARM920T,Pure-endian softfp,

litter endian,ANSI/ISO Standard C。

4.连接器的选项设置。

选择Linker下的ARM Linker选项。 打开Output选项卡,需要注意的

是RO Base,它是用来设置映象文件中RO属性输出段的加载时地址

和运行时地址,该地址值必须是字对齐的。它应该在RAM区,如果

没有指定地址值,使用默认地址0x8000。

在AT91RM9200实验箱中,当系统上电或复位时,固化在Flash中

Boot程序首先运行,将SDRAM映射在0x2000,0000~0x2200,0000-1

(32MB)的地址空间。因此,该RO值只要设置在上述地址范围即

可,当然也可以设置在内部RAM区域,即0x200000。下图为ARM

Linker设置页面。RW Base设置映像文件中包含RW属性和ZI属性

的输出段的运行时域的起始地址,该地址必须字对齐。如果它与-

split一起使用,会将映像文件中RW/ZI属性输出段的加载时地址和

运行时地址都设置为文本框中的值。

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编译工程项目(六)

ARM集成开发环境

如果没有选择RW Base选项,映像文件中只包含一个加载时域和一个运行时域。此时,RO属性的输出段、RW属性的输出段以及ZI属性的输出段都包含在同一时域中。当设置RW Base选项时,映像文件包括两个运行时域,一个包含RO属性的输出段,另一个包含RW/ZI属性的输出段。同样,指定-split选项后,映像文件包括两个加载时域。

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编译工程项目(七)

ARM集成开发环境

  • Layout选项卡,在连接方式为Simple时有效,它安排一些输入段在映像文件中的位置。
  • Place at the beginning of image选项组,用于指定将某个输入段放置在它所在的运行时域的开头。比如将复位异常中断处理程序的输入段放置在运行时域的开头。有以下两种方式指定输入段:
    • 在Object/Symbol文本框中指定符号名称,则定义该符号的输入段被指定。
    • 在Object/Symbol文本框中指定目标文件名称,在Section文本框中指定一个输入段名称,从而确定一个输入段作为指定的输入段。

Place at the end of image选项组,用于指定将某个输入段放置在它所在运行时域的结尾。比如包含校验和数据的输入段通常放置在运行时域的结尾。指定一个输入段的方法与Place at the beginning of image选项组相同,通常可以不予设置。

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编译工程项目(八)

ARM集成开发环境

这里采用方法二,将Object/Symbol设置为init.o,Section设置为Init,这些选项保证初始化代码在所有其它代码之前被执行。init.o目标文件是由汇编文件init.s生成的,Init是输入段名称,在init.s的AREA伪代码语句处定义。组合框Place at the end of image中的输入段设置可以忽略。

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编译工程项目(九)

ARM集成开发环境

5.fromELF工具选项。

打开Linker项下的ARM fromELF选项,将其中的output

format设置为Plain binary ,该选项设置输出目标文件的格

式,有多种类型供选择。

为ARM fromELF中的Output file name指定文件名。此设置可以省略,

使用缺省文件名即工程名.bin,默认存放在DebugRel/Debug下。

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编译工程项目(十)

ARM集成开发环境

6.项目编译。

  设置好编译连接的参数后,选中图中红圈所示的编译按钮,对整个工

程编译。当然选中一个.s文件或.c文件,单击鼠标右键可以对单个文件进行

编译。直到弹出的错误和警告信息为“0 error, x warnings”时,整个项目的

编译成功,方能进入调试环境。也可以通过单击Project菜单下的Make命令

或者快捷键F7来进行编译连接和输出目标文件。

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AXD调试器的使用(一)

ARM集成开发环境

  • AXD Debugger是用户用来调试应用程序的开发环境,支持软件仿真和带目标系统的硬件仿真两种方式。其中,软件仿真方式无需用户硬件系统的支持,使用宿主机的CPU模拟ARM微处理器的运行,可进行与硬件无关的应用程序的调试和运行。
  • 当需要进行带目标系统的硬件仿真,调试和运行与硬件相关的应用程序时,必须建立AXD Debugger与目标系统的连接。在此之前,应先对AXD Debugger进行如下配置,步骤如下:
  • a.配置ARM Multi-ICE V2.2
    • 做好仿真器和目标系统的硬件连接,先后给仿真器和目标系统上电。
    • 运行Multi-ICE Server,进行自动配置或者手动配置,确保ARM实时仿真器能够检测到ARM内核。
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AXD调试器的使用(二)

ARM集成开发环境

b.配置调试环境

打开AXD Debugger窗口,打开OptionsConfigure Target选项,出现目标选择的对话框。用户安装后第一次使用AXD时,需要添加仿真器的目标环境。

点击“Add” 按钮,在出现的浏览框中查找Multi-ICE.dll文件。

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AXD调试器的使用(三)

ARM集成开发环境

根据Multi-ICE的安装路径(默认安装的路径是C:\Program Files\ARM\Multi-ICE)选定Multi-ICE.dll文件,然后点击 “确定” 按钮。出现以下画面:

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AXD调试器的使用(四)

ARM集成开发环境

点击 “OK” 按钮 ,进入Multi-ICE的设置对话框。

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AXD调试器的使用(五)

ARM集成开发环境

单击“This Computer..”按钮后,选择处理器如“TAP0:ARM920T”。

单击“确定”后完成仿真器的配置,返回到目标选择对话框。

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AXD调试器的使用(六)

ARM集成开发环境

每次点击OptionsConfigure Target选项配置时,都会出现如下界面。用户只要选择Multi-ICE,然后点击右边的“Configure”就可以进入如下图的画面进行配置。

关于Multi-ICE的详细配置,请参考ARM JTAG 仿真器的用户手册。

slide53
AXD调试器的使用(七)

ARM集成开发环境

配置成功,会在AXD左边Target栏显示处理器的内核型号,并在下方System Output Monitor中的RDI log项提示仿真器和AXD成功连接的信息。

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AXD调试器的使用(八)

ARM集成开发环境

c.下载调试运行程序

从AXD窗口的“FileLoad image…”查找加载xxx项目

xxx_Data\Debugrel或者Debug路径下的xxx.axf文件。也可以如下所示,

点击“Debug”按钮直接从.mcp文件进入调试环境。

slide55
AXD调试器的使用(九)

ARM集成开发环境

调试者可以执行系统配置,设置程序断点、单步、全速运行。查看寄存器、存储器与函数变量的当前运行值,修改内、外RAM数据,进行反汇编操作等。

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AXD调试器的使用(十)

ARM集成开发环境

特别说明“FileLoad Memory from File”,该项用于将PC上的某个文件的内容,直接加载到目标系统的某个存储区域。需要注意的是,以Address文本框首地址开始的存储区域必须是可以写入数据的。

利用该功能,用户可以编程将可执行的二进制文件如bootloader,烧写到目标系统的flash芯片中,让其在目标板上电或者复位后自动运行。

“FileSave Memory to File”,可以将目标系统中某个存储区域的二进制数据,作为文件保存到PC机。