Расширенные возможности отладки микроконтроллеров AVR и ARM/Cortex

Подобные задачи часто решены в отладочных платах и инструментарии для «больших» микроконтроллеров, но не всегда доступны для контроллеров ценового диапазона «менее 50 центов». В статье показаны возможности расширенной отладки микроконтроллеров фирмы Atmel, вошедшей в состав компании Microchip Technology Inc.

В статье не будут рассмотрены «обычные» функции отладчика, такие как точки останова, наблюдение за состоянием регистров и другие, а описаны возможности по использованию дополнительных каналов отладки, предоставляемые EDBG-отладчиками в отладочных платах Xplained PRO, отладчиках ATMEL-ICE и Power Debugger.

Схема отладки микроконтроллерного устройства приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема отладки микроконтроллерного устройства

Микроконтроллер принимает и передает информацию внутрисхемному отладчику (дебаггер, Debugger) через доступные интерфейсы связи с отладчиком. Внутрисхемный отладчик (в составе отладочной платы или как автономное устройство) через интерфейс связи с компьютером (ПК) направляет информацию в программное обеспечение, например в Atmel Studio, где поступившие сведения обрабатываются и отображаются в удобном для пользователя виде.

Большинство микроконтроллеров имеют встроенное ядро поддержки отладки микроконтроллера (On-Chip Debug, OCD), но при отладке, при поддержке программных ресурсов контроллера, также могут использоваться вспомогательные каналы обмена информацией: порты ввода/вывода, интерфейсы связи (I²C, SPI, UART). Полезную информацию, особенно при отладке микропотребляющих устройств, несет измерение напряжения питания и потребляемого устройством тока.

Интерфейс связи МК с дебаггером

Для отладки микроконтроллеров Atmel (AVR, Cortex/ARM), в зависимости от семейства, применяются несколько специальных (Debug) интерфейсов, в том числе PDI, UPDI, JTAG, SWD. Характеристики интерфейса UPDI приведены в таблице 1.

Внутрисхемный отладчик/программатор

Ядром внутрисхемного отладчика/программатора могут быть EDBG (Embedded Debugger) или mEDBG (рис. 2).

Рис. 2. Экосистема отладочных средств AVR и SAM

Чип внутрисхемного отладчика EDBG интегрируется в отладочные платы Atmel Xplained PRO. В дополнение к возможностям программирования и отладки через среду разработки Atmel Studio отладчик EDBG предоставляет вспомогательные каналы связи между компьютером и отлаживаемым микроконтроллером (SPI, TWI, состояние портов ввода/вывода, измерение тока).

mEDBG — сокращенный вариант EDBG-отладчика, он не имеет канала данных DGI (Data Gateway Interface, речь о котором пойдет ниже).

Модуль измерения тока

Некоторые отладочные средства (Power Debugger и отладочные платы серии Xplained PRO), имеющие EDBG, могут измерять потребляемый ток микроконтроллера или микроконтроллера и внешней периферии. Для этого служит модуль XAM (Xplained Pro Analog Module), подключаемый к EGDB-отладчику.

Схема измерительного блока приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема измерительного блока XAM

Интегрированный в отладочные платы Xplained PRO модуль Xplained PRO Analog Module (XAM) формирует фиксированное напряжение питания и позволяет измерять потребляемый ток (микроконтроллера или микроконтроллера совместно с периферией) с частотой 15,15 кГц (табл. 2).

Внутрисхемный отладчик Power Debugger имеет схожие характеристики с модулем XAM в отладочных платах серии Xplained PRO, но может измерять ток с большей частотой (62,5 кГц) с разрешением 16 бит по каналу А и 12 бит по каналу B. Дополнительно отладчик Power Debugger генерирует напряжение питания отлаживаемого устройства в диапазоне 1,6–5,5 В с током 100 мА.

USB

Для связи отладчика с персональным компьютером используется интерфейс USB, который предоставляет несколько логических интерфейсов: HID, Mass Storage, CDC (виртуальный COM-порт), DGI (Data Gateway Interface). Однако из-за ограничения числа конечных точек не все интерфейсы могут быть доступны одновременно.

Рис. 4. Интерфейсы USB, используемые в отладочных средствах Atmel

Интерфейсы связи по USB в отладчиках имеют разные предназначения.

USB CDC (виртуальный COM-порт):

• Предоставление текстовой информации (printf).
• Терминал.
• Канал связи для протоколов:
  •  QTouch debug data;
  • Wireless performance analyzer;
  • визуализация данных через Data Visualizer;
  •  загрузчик (Bootloader).

Mass Storage (накопитель):

• Определяется как накопитель (жесткий диск).
• Доступен не для всех отладочных плат.
• Накопитель содержит файлы:
  • ссылку на описание отладочной платы;
  • статус операции программирования;
  • версию прошивки;
  • возможность программирования без установки драйверов и ПО (путем копирования hex-файла в накопитель).

Data Gateway Interface (DGI):

• Проприетарный USB bulk-интерфейс.
• Шлюз для интерфейсов SPI, USART, UART, I²C.
• Канал передачи данных измерения напряжения и тока.
• Данные логического анализатора (состояния портов ввода/вывода).
• Предоставляются API для DGI-протокола и библиотеки DGILib.

Благодаря расширенным возможностям отладчик EDBG позволяет по различным интерфейсам и нескольким каналам передачи через USB получить множество данных с отлаживаемой платы (рис. 5).

Рис. 5. Возможность использования нескольких каналов получения данных с отлаживаемого устройства

Data Visualizer

Визуализатор данных Data Visualizer отображает получаемые сведения в удобной форме и поддерживает прием данных через интерфейсы DGI и последовательный порт — как от отладчиков EDBG, mEDBG, так и через USB CDC (отладчика или сторонний) и RS‑232.

Визуализатор поддерживает прием не только сырых данных, но и основанных на коммуникационных протоколах, визуализирует данные в реальном времени с привязкой к временным отметкам, а также позволяет наблюдать потребляемый ток согласно выполняемому коду и состоянию портов ввода/вывода.

Data Visualizer имеет настраиваемую панель инструментов (кнопки, слайдеры, измерительные приборы и др.), где находятся такие функции, как осциллограф, терминал, графики, измерение интервалов времени (курсор) и мгновенного, среднего значения тока, оценка срока службы батареи.

Устройство устанавливается как plug-in для Atmel Studio, но доступна и автономная версия. Элементы прибора имеют подключаемые входы и выходы (табл. 3), что предоставляет возможность разным интерфейсам и элементам общаться для обработки и визуализации данных.

Пользователь, перетаскивая мышкой штекер к гнезду, может подключать различные источники данных к входам инструментов (рис. 6).

Рис. 6. Подключение выходов к входам инструментов

Внешние подключаемые модули:

• Data Gateway Interface (DGI);
• последовательный порт.

Элементы отображения (инструменты):

• терминал;
• график;
• осциллограф;
• Power Debugging;
• пользовательская панель инструментов.

Модули обработки протоколов (Protocol handling modules):

• поток данных (Data Stream);
• Atmel Data Protocol (ADP).

Утилиты:

• счетчик (Sample rate counter);
• запись лога (File logger).

Внешние подключаемые модули.
Последовательный порт

СОМ-порт (рис. 7) может выступать источником данных для построения графиков, входа и выхода данных для терминала и т. д.

Рис. 7. Настройка последовательного COM-порта

Внешние подключаемые модули.
DGI-интерфейс

Интерфейс DGI (рис. 8, табл. 4) позволяет подключать интерфейсы SPI, TWI, порты ввода/вывода, информацию об измеряемом потреблении тока и профилирование кода (адреса, Sleep-монитор, монитор стека, OCD-сообщения, адреса переменных).

Рис. 8. Настройка DGI-интерфейса

Большинство элементов имеют вход и выход, то есть данные могут поступать от отлаживаемого микроконтроллера и передаваться в микроконтроллер.

Инструменты визуализации

Power Analysis

Окно показывает профиль потребления в реальном времени, дополнительно отображаются Sleep-монитор, отображение состояния портов ввода/вывода с привязкой к исполняемому коду (рис. 9).

Рис. 9. Окно Power Analysis

Graph

Отображение графиков (рис. 10). Данные можно получать как через подключенные к микроконтроллеру интерфейсы связи (SPI, UART и др.), так и через отладочный интерфейс (OCD) — On-Board Debugging Message (OBDM).

Рис. 10. Пример отображения данных в виде графика

Terminal

Служит для отображения информации в текстовом виде и отправки данных в микроконтроллер (рис. 11).

Рис. 11. Окно терминала

Настраиваемая пользовательская панель

Позволяет создать панель инструментов с элементами ввода и вывода информации в удобном для пользователя виде (рис. 12).

Рис. 12. Настраиваемая панель инструментов

Поддержка настраиваемых протоколов

При подключении все каналы передачи данных (UART, I²C, SPI) могут иметь функцию автоматического распознавания протокола (рис. 13).

Рис. 13. Получение данных с нескольких каналов сенсорных кнопок

Поддерживаются два протокола: однонаправленный протокол Data Stream Protocol и двунаправленный Atmel Data Protocol (ADP), представленные на рис. 14.

Рис. 14. Использование двунаправленного конфигурируемого протокола

Оба протокола полностью конфигурируемы и позволяют принимать различные каналы данных для отображения в Data Visualizer.

Внутрисхемная отладка с использованием debug-интерфейса (OCD) совместно с дополнительными каналами отладки существенно расширяет возможности отладчиков, так как предоставляет множество потоков данных.

Описанные возможности присутствуют во внутрисхемных отладчиках Power Debugger, ATMEL-ICE (нет измерения тока) и отладочных платах серии Xplained PRO.

Отладочные средства Atmel

Atmel-ICE

Atmel-ICE (рис. 15) — это инструмент для отладки и программирования Atmel ARM Cortex M‑ и Atmel AVR-микроконтроллеров с помощью debug-интерфейсов JTAG, SWD, PDI, UPDI, debugWIRE, aWire, TPI и SPI. Связь с компьютером осуществляется посредством USB-интерфейса, поддерживается передача данных через Data Gateway Interface (DGI).

Рис. 15. Atmel-ICE

Atmel-ICE может формировать напряжение питания для отлаживаемого устройства в диапазоне 1,6–5,5 В с током 100 мА.

Power Debugger

Atmel Power Debugger (рис. 16) — инструмент для отладки и программирования Atmel ARM Cortex M‑ и Atmel AVR-микроконтроллеров с использованием debug-интерфейсов JTAG, SWD, PDI, UPDI, debugWIRE, aWire, TPI и SPI. В дополнение к каналам программирования Power Debugger имеет два независимых канала для измерения тока потребления отлаживаемых устройств. Связь с компьютером реализована через USB-интерфейс, поддерживаются USB CDC (виртуальный COM-порт) и Data Gateway Interface (DGI).

Рис. 16. Atmel Power Debugger

Power Debugger может формировать напряжение питания для отлаживаемого устройства в диапазоне 1,6–5,5 В с током 100 мА и измерять ток, потребляемый от USB подключенного устройства. Совместно с Data Visualizer отладчик отображает график потребления тока с привязкой к выполняемым командам.

По сути, Power Debugger — это отладчик Atmel-ICE с функцией измерения токов.

Отладочные платы Xplained PRO

Отладочные платы серии Xplained PRO (рис. 17) содержат целевой микроконтроллер, разъемы для подключения плат расширения, интегрированный EDBG-отладчик (с DGI и USB CDC), некоторые платы имеют XAM-модуль измерения тока потребления целевого микроконтроллера или общего потребления (МК и подключенной к нему периферии).

Рис. 17. Отладочная плата серии Xplained PRO

В платах Xplained PRO под ARM Cortex-микроконтроллеры EDBG-отладчик может быть перепрограммирован прошивкой, поддерживающей дебаггер J‑LINK Segger. Тогда появляется возможность использования неограниченного числа точек останова, увеличенной скорости программирования и способности отладки в сторонних средах разработки (emIDE и Eclipse).

Заключение

Многие микроконтроллеры AVR/SAM, помимо стандартных интерфейсов связи (UART, I²C, SPI), позволяют обмениваться пользовательскими данными через OCD (On-Chip Debug) канал отладки. Полезную для отладки информацию предоставляют и порты ввода/вывода, и ток потребления, а программные инструменты (Data Visualizer) способны отображать данные в удобном виде или создавать свои виртуальные инструменты.

Таким образом, совокупность программно-аппаратных решений обеспечивает разработчика расширенным набором инструментов для качественной внутрисхемной отладки встраиваемых приложений.