现代嵌入式计算 - 第17章 平台调试

平台调试

平台调试主要指，新的硬件平台做好后，启动软件系统的过程，是指在操作系统起来之前的硬件软件调试过程。

嵌入式系统的迅猛发展的是令人振奋的，新的处理器，新的传感器和新的电路板，然而新的硬件和新的软件一样，是充满问题的。此外，新硬件平台和系统软件所产生的问题也是稳定系统所不同的。应用级软件开发者通常不习惯于硬件或平台级故障;当他们调试错误，往往局限于应用程序开发环境的范围内。对于嵌入式平台调试，却并非如此。

当开发一个嵌入式系统，系统的大多数方面还是来自于上一代系统。这很重要，因为全部从头开始，在新硬件上开发新软件会是一项极其艰巨的任务。当系统的一些部分是稳定的并且功能正常，不管是软件，如操作系统内核或以前的设备驱动程序实现，或者硬件，诸如已知的电路板，这些正确的组件可以减少调试范围。

在本章中，我们将探讨嵌入式平台的调试过程。我们将看到，平台调试比明确定义的过程更加艺术，学习本章的后，你将能够诊断和识别那些最重要的导致系统无法工作的错误类别。

要做到这一点，我们将首先讨论一个观点和方法，它奠定了调试嵌入式平台的基础。然后，我们将讨论那些帮助调试的工具和芯片功能。最后，我们详细讨论平台的调试过程。

1. 调试新平台

假如你是一个嵌入式小组成员之一，你们带着创新的嵌入式想法成立了一家公司。小组完成了它的第一版电路设计，包括IntelAtom处理器和其它一些外设，是时候来启动它了。它是一个基于Linux的

平台，并且该系统已经被设计从USB设备进行引导。小组成员聚集一起，usb内存卡已经插入，电源被接通，...然而没有任何动静。没有LED闪烁，无任何一种指示。团队期待一个庆祝活动，但一无所获。是什么错误？问题是否严重或小事？你将如何知道？

当然，这是个虚构的场景，在真实的平台调试工作里，有各种可能的原因。是电源没插好？是内存没正确就位？是某些部件被配置成了调试而非工作状态？是否有地方短路？完全列举名单将是一个非常长的清单，而我们的工作也不是沿着清单排查。我们将遵循一个过程，旨在系统地确定什么可行，哪里有问题或配置错误。

在进入这个过程之前，了解调试需要的心态和观点是很有益助的。调试是一个开放式的活动，事先无法解释这个问题也无法预测需要多少时间解决它。唯一可以肯定的，是你必须最终找到问题。鉴于此，你开始调试后，应保持积极的，好奇的心态。这不仅让你工作时感觉良好，也会让你在尝试时做的更好。调试时，无论是在系统平台层面还是应用层面，需要仔细和系统的努力，减少可能的原因，直到问题得到解决。

所以，在你开始调试后，确保你：冷静，系统，好奇。

2. 调试新平台的过程

当你的平台无法启动时，“修改-编译-调试”，这个程序员最熟悉的模式没有多大用处。这种做法只适合已经能够启动起来的系统，适合平台调试之后。

对于新平台的调试，这一章提出了一个过程。该过程表述为三个大的步骤：

1）外观检查。检查系统，验证外部电线，电缆，I/ O设备是否连接。取下盖板，检查电路板是否损坏，组件是否正确就位。

2）硬件评估。硬件组件，比如电源，电压调节器，和集成电路，是否在正确的状态并操作正常？我们将看到，这一步细分为​​若干具体的，有序的子步骤来发现可能的硬件故障或错误配置。

3）软件的评估。BIOS和操作系统内核是否正确配置，能否启动？这一步也被细分为若干子步骤。

                        图17.1平台调试过程。

这三个步骤显示在图17.1。我们将很快详细讨论这些调试步骤，但在这样做之前，我们必须先了解一些工具和芯片调试的特征。

3. 调试工具

平台级调试需要观察的系统状态，通常是不可见的。因此，调试过程中需要借助于各种工具。本节，我们将讨论平台级调试使用的工具。这包括硬件调试器，分析仪和软件工具。

首先，最基本的是电压表和万用表，它测试硬件的基本输出特性，如电压和电流。

然而观察这些特征随着时间的改变是必要的，要做到这一点，需要更高级的硬件探测器。

示波器

示波器常见的硬件调试器，主要提供随时间改变的电压水平。例如，引线可以连接到CPU引脚，观察系统上电后，电压的变化。

逻辑分析仪

逻辑分析仪，其目的是捕捉硬件协议信息。示波器报告模拟值，逻辑分析仪设计用于数字系统，信息和系统状态用离散的电压电平表示。

用户使用逻辑分析仪，选择被测系统内部观察点，为输入信号提供名称，...。以这种方式，逻辑分析仪可以被编程，以观察特定系统的条件下系统状态的精确子集。逻辑分析仪，和示波器一样，有各种形式，从单机模式，到最近的USB外挂式。

作为一个例子，逻辑分析仪可以用来捕捉CPU和DRAM之间传输的存储器地址。对于给定的应用，逻辑分析仪必须能够捕捉所需数量的输入，并且必须在一个适当的频率进行操作。

总线分析仪

重要的计算机I/ O总线类型，如PCI总线，有足够的人气，所以有专用的逻辑分析仪。PCIExpress总线分析仪可以捕获和分析PCI信息。比使用通用的逻辑分析仪要简单得多。

上电自检卡

基于IA-32的设备，在系统通电后立即运行加电自检程序。这些例程由BIOS供应商定义，是启动过程的一部分，目的是为了分类系统资源，和识别系统错误。

PC用户可能很熟悉，用于诊断系统启动过程中硬件问题的某些所谓的“蜂鸣声代码”。例如，把一本书放在键盘上给PC上电，在多数机器上，将产生持续的系列蜂鸣声。

除了通过系统扬声器报告错误，大多数BIOS厂商，通过0x80I / O端口报告错误号，它被映射到PCI卡。这些卡，有时也被称为POST卡或80端口卡，可用于收集BIOS的更精细粒度的错误。

JTAG适配器

JTAG标准定义了控制处理器执行的过程。一个支持JTAG的CPU或芯片组，必须支持的最小命令集，包括重置系统，读写系统状态和读写测试数据。最基本的用法是通过JTAG接口发送测试向量。这样的功能可用于芯片投产前测试逻辑的正确性。

除了系统测试，JTAG接口和指令集可以被用于控制CPU和它的软件。在这种情况下，JTAG可以用作一个系统级的调试器，设置断点，单步执行，和软件交互。JTAG还可以用来初始化设备，或把引导程序写入ROM。作为一个调试接口，JTAG是无价的，因为不管系统的软件状态，它都是可用的。

一个JTAG调试器通过JTAG接口连接到系统，而通过其它接口，如USB，连接到调试机器。

大多数芯片厂商提供的JTAG扩展版本。Intel处理器，包括IntelAtom，功能扩展调试端口（XDP），它实现JTAG和一些专有扩展。

4. 调试过程细节

如前所述的调试过程概要，和讨论的调试工具，我们现在可以考虑详细平台调试过程了。

1）目视检查

第一步骤是目视检查，尤其对于新到的嵌入式硬件。卸下机盖，让底层电路板可见，其本身就是一个挑战。

机盖卸下后，检查是否有物理损坏的迹象。是否有脱离的配件，是否有错误的配件，或者无意损坏的部件，金属痕迹等。如果设计包括开关跳线，验证它们是否配置在启动系统状态。

在目视检查中，短路或燃烧的迹象也应当被注意到。错误的设计或组装，可以导致短路和过容，造成组件和设备烧穿。

确保所有布线，电源和I/O，正确就位和连接好。对于能提供可视和可听线索的组件，如LED或风扇，了解引导期间，它们会给出怎样的指示。这些指示，当存在时，可以大大缩短识别系统启动问题的时间。

2) 硬件评估

目视检查之后，下一个步骤是检查硬件组件的状态，观察它们是否正常运行。这一过程的步骤说明如

图17.2。

验证实时时钟：

英特尔架构构建的计算设备,一般包括一个3.3伏锂电池供电的实时时钟（RTC）。如果电池丢失，损坏或没电，系统则不能复位。您可以验证RTC振荡器的SUSCLK信号。这个信号表现出32kHz的方波。

电源供电：

大多数英特尔架构系统包括ATX电源。该ATX电源将从AC电源提供几个电压等级的直流电源。

ATX的PS_ON＃信号，指示电源开始供应，PWR_OK信号，指示所有的电压都已稳定。提供的电压从高到低先后提供，如图17.3所示。图中的T1，T2和T3可以在电源供应商的规格书中看到。

电压稳定：

一旦电源被验证为供电，下一个步骤是确定，芯片是否被供待机电压。详细的电压和时序取决于特定的PCH或系统芯片。

这个阶段，系统处于S5系统休眠状态。RTC在运行，但系统本身不工作。要唤醒系统，需要按下电源按钮。

加入系统处于合适的待机状态，并且按下了电源按钮。系统从S5变换到S0状态。期间，芯片会插入PS_ON#信号来打开ATX的供电。假如芯片没有焊接，或者未安装好，则不会有这个信号。

时钟运行：

一旦电源稳定下来，下一个里程碑是验证系统时钟运行正常。英特尔架构的设备会产生一个时钟给CPU或芯片组，和其它时钟给其它I/O设备。

CPU频率由BSEL时钟芯片的输入信号指示。

设备和CPU复位：

如果电源和时钟信号都存在并且稳定，PCH将尝试系统复位，使所有设备进入操作状态。PWR_OK被置后，PCH会插入PLTRST＃信号。然后，PCH会发送一个CPU复位包。一旦该消息被获取，CPURST＃将被拉高，而这将导致CPU开始从其复位地址执行（物理地址0xFFFFFFF0）。如果你的系统走到这里，它已准备好开始执行的第一个指令了。

3) 软件评估

如果硬件没有问题而系统仍无法正常启动，下一步则应检查平台的软件配置。

CPU复位后，它会从复位向量（物理地址0xFFFFFFF0）开始执行。这个地址将被映射到固件或I/ O设备，这在BIOS中设置。第6章描述了正常的开机过程。

要在系统启动的BIOS阶段诊断问题，如前所述，BIOS厂商输出POST代码。这些代码表示启动过程中那些步骤工作正常，而哪一步系统挂起。

图17.6表示了一般的启动过程和相关联的POST代码。

如果系统正常启动到这一步，你已经成功地从平台调试转变操作系统或设备驱动程序调试。