Отладка микроконтроллеров PIC продвинутые возможности симулятора

Много-много лет назад, в Microchip в команде разработчиков симулятора MPLAB был разработан VHDL-подобный язык SCL – Stimulus Control Language, с помощью которого можно создавать тестовые модули (testbench) для отладки и тестирования кода. Однако, в связи с уходом из команды автора реализации SCL и «сложности» языка, было решено создать GUI, которая освобождает embedded-программиста от вникания в тонкости VHDL-подобного SCL и помогает создать последовательности тестовых сигналов и инжекций данных в регистры симулируемого микроконтроллера. Такая GUI-обертка в MPLAB IDE называется Stimulus.

Microchip особо не продвигал SCL и не предоставлял описание языка. В 2006 году даже было объявлено, что в следующей версии MPLAB IDE v8.xx вообще уберут поддержку SCL, но участники www.forum.microchip.com высказались против этого и SCL оставили в следующих релизах.

Некоторые энтузиасты даже начали «реверсить» SCL (благо Stimulus может генерировать SCL-файлы) и создавать учебник по SCL и репозиторий примеров. Особо стоит отметить русскоязычный труд с описанием SCL, сопровождающийся несколькими примерами (от простого генератора, до эмуляции UART и генерации DTMF сигналов). http://pic24.ru/doku.php/osa/articles/scl

В связи с тем, что новое поколение MPLAB X IDE полностью переписано и получило кроссплатформенность (MPLAB X основан на NetBeans), то реализация SCL так же переписана и нынешние разработчики в документацию к MPLAB X IDE уже включили «неофициальный» SCL User’s Guide.

Сейчас Stimulus позволяет:

А) создавать синхронные последовательности изменений состояний выводов или значений регистров, что удобно для формирования повторяющихся последовательностей: Во время Тn состояние (pin, регистр) = ХХ Во время Тm состояние (pin, регистр) = YY Процесс можно повторять начиная с шага i; между повторами задать задержку ii.

Б) создавать комплексные воздействия: Если выполняется условие, что (pin, bit или регистр) становится (=, !=, <=, <, >= или >), то через N (тактов, нс, мкс, мс или ч.м.с) выполнить (однократно или с периодом M) воздействие (одно или несколько): записать в регистр значение, изменить состояние pin или bit, установить напряжение на аналоговом входе.

В) генерировать сигналы: На выводе (pin_уу) с начальным значением (ВЫСОКОЕ или НИЗКОЕ) выдать последовательность (задается длительность ВЫСОКОГО и НИЗКОГО состояния). Задается условия запуска и останова (старт программы или по значению программного счетчика или в заданное время или когда значение на pin_хх == ВЫСОКОЕ или НИЗКОЕ).

Г) инжекция данных в регистры: Из указанного файла взять значение и записать его в заданный регистр. Действие произвести когда: происходит чтение из регистра (т.е. в отлаживаемой программе читаем регистр) или программный счетчик примет зафиксированное значение или выполнится указанное в файле условие. Например, можно инжектировать в UART данные из файла вида:

wait 1 sec // ждать 1 секунду 01 54 106 // инжектируемые данные 02 55 wait 200 ms // ждать 200 мс “hello” // инжектируемые данные rand 1 15 sec // случайная пауза от 1 до 15с 32 33 34

Stimulus, помимо описанного, позволяет созданные воздействия сохранить в виде SCL файла и (!) загружать собственные SCL сценарии.

Stimulus является достаточно мощным инструментом, но имеет существенные ограничения – служит в основном для задания простых и детерминированных воздействий, не всякую модель поведения «внешней среды» можно описать с помощью предлагаемой в среде разработки GUI.

SCL, являясь языком программирования, дает больше гибкости: доступны условные выражения (конструкции if-elsif-else), циклы, инструкции работы с файлами и др.

• Инжектирование значения в pin или в память данных микроконтроллера.
• Чтение значения pin или из памяти данных
• Чтение и обработка файлов
• Выполнение действий на основании времени симуляции, командных циклов и на основании значения программного счетчика
• Выдача информационных сообщений в окно симулятора

То есть SCL может все, что доступно через GUI Stimulus в MPLAB IDE, но при этом предоставляет больше возможностей и позволяет формировать сложные зависимости между значениями на выводах и значениями регистров микроконтроллера; моделировать взаимодействие с внешней периферией; моделировать воздействия, которые сложно воспроизвести в «железе» и выявлять ситуации, приводящие к ошибкам. Кроме того, среда разработки позволяет подключать несколько SCL файлов, для их параллельного выполнения. Это может пригодиться, например, для подключения к проекту типовых testbench-ев.

Допустим, для проверки программы нужно сформировать манчестерский код на входе микроконтроллера для отладки и тестирования программного декодера. С применением Stimulus задачу можно выполнить с помощью формирования последовательности изменения состояния вывода, но это слишком нудное занятие, так как каждое изменение битов нужно прописывать руками, типа так:

Другое дело с использованием SCL: пишем testbench, который берет входной битовый поток (не кодированный), кодирует его и отправляет на вход симулируемого микроконтроллера. Для удобства изменения данных, входной битовый поток можно брать из внешнего файла. Попутно наш testbench может выводить информационные сообщения в окно симулятора.

Пример SCL файла:

configuration for "pic16f1509" is end configuration; testbench for "pic16f1509" is begin process is file fileVar : text; variable lineVar : line; -- Строка, прочитанная из файла variable status : file_open_status variable data_in : integer; begin loop file_open(status, fileVar, "dat.txt", read_mode); while endfile(fileVar) == false loop -- Обрабатываем, пока файл не пуст readline(fileVar, lineVar); report("Прочитана строка"); RB5 <= '1'; -- стартовый бит (1/2 битового интервала) report ("== start bit = ltd"> wait for 500 us; while match(lineVar, "") == false loop -- Обрабатываем строку, пока она не пуста read(lineVar, data_in); if data_in == 0 then -- кодируем 0 report ("== 0 = ltd"> RB5 <= '0'; wait for 500 us; RB5 <= '1'; wait for 500 us; elsif data_in == 1 then -- кодируем 1 report ("== 1 = ltd"> RB5 <= '1'; wait for 500 us; RB5 <= '0'; wait for 500 us; else report("Ошибка данных!"); end if; end loop; -- match InLine end loop; -- endfile RB5 <= '0'; file_close(fileVar); wait for 15 ms; -- пауза между пакетами end loop; wait; end process; end testbench;

Файл внешних данных с битовой последовательностью: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0

В случае применения SCL гораздо проще изменять данные, длину последовательности, и временные параметры симулируемого потока, что облегчает проверку алгоритма, обработку ошибок и т.п..

Скрипт SCL может разбирать входной файл и получать внешние команды. Например, помимо битового потока можно изменять параметры сигналов.

Например, задание параметров ШИМ-кодированной посылки с синхро-преамбулой:

sync_bit_hi 2000 us sync_bit_lo 500 us pulse_lo 500 us pulse_hi_0 500 us pulse_hi_1 1000 us 1 0 0 0 1 1 0 1 wait 2 ms 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 wait 3 ms 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 wait 15 ms

Возможность работы SCL с внешними файлами существенно расширяет возможности симуляции. Так, в «репозитории SCL» (ссылка в конце статьи) есть пример получения данных для симуляции из внешнего приложения (Input to a Simulation From an External Application). Данный пример симулирует матричную клавиатуру и входной сигнал для АЦП (написано на VBA в Excel). «Нажатия» кнопок и изменения напряжения записываются в два файла, SCL скрипт читает эти файлы и симулирует изменение логических уровней портов В/В и напряжение на входе АЦП.

SCL-программе доступны метки, адреса и переменные отлаживаемого .с или .asm кода. Доступно состояния регистров, программного счетчика микроконтроллера, время симуляции. SCL позволяет формировать несколько параллельных процессов в пределах одного testbench. Так же скрипты SCL могут быть синхронизированы с отлаживаемой программой.

Таким образом, SCL помогает организовать testbench-и для отладки кода микроконтроллера. Так как SCL является частью родного симулятора, то в одном проекте и в одном цикле отладки доступны SCL-сценарии, точки останова, секундомер, стек, логический анализатор и др., выполняется симуляция периферии (таймера, UART, АЦП и пр.), прерывания и все это работает в одной среде разработки.

Следует отметить и некоторые недостатки текущей реализации SCL: - ограниченные возможности отладки SCL кода (при подключении к проекту скрипта с ошибкой получаем лишь сообщение типа «ошибка парсера в строке № xx»). Если при подключении скрипта вы получили сообщение о дублировании переменных, то, скорее всего, вы подключили этот же тестбенч второй раз