Пособие по изучению симулятора Visual Micro Lab (VMLAB)

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по изучению программного пакета

“Visual Micro Lab”

для выполнения лабораторных работ по курсу

„Цифровые устройства”

для студентов направления:

6.050901 ”Радиотехника”

Харьков 2010

Методические указания по изучению программного пакета “Visual Micro

Lab” для выполнения лабораторных работ по курсу „Цифровые устройства” для

студентов направления: 6.050901 ”Радиотехника”/Учред.: В.Л. Басецкий – Харьков:

ХНУРЭ, 2010 – 37 с.

Учредитель: В.Л. Басецкий

Введение

Существует два способа проверки и отладки программного обеспечения

разрабатываемых радиотехнических устройств на микроконтроллерах:

– Отладка программы непосредственно на микроконтроллере. При этом

составили программу, откомпилировали, программатором прошили

(запрограммировали) микроконтроллер, дальше вооружились осциллографом и

давай изучать работу устройства. Если нашли ошибку, то пишем новую программу,

компилируем, прошиваем и так до тех пор, пока не заработает устройство (или

количество циклов перезаписи Flash не закончится). Это аппаратный способ

отладки. Он требует специальной измерительной аппаратуры, специалистов

высокой квалификации, больших ресурсов времени, и сопряжен со многими

проблемами.

– Отладка программы виртуально с помощью специальных программных

пакетов (эмуляторов). При этом составление программы, проверка ее на

синтаксические ошибки, компиляция, моделирование работы устройства, поиск

ошибок в алгоритме программы выполняется виртуально на компьютере. Это

программный способ отладки. Он имеет много преимуществ: позволяет выполнять

эмуляцию работы устройства в пошаговом режиме; просматривать содержание

регистров общего назначения, регистров ввода/вывода, состояния портов,

периферийных устройств микроконтроллера и т.д; видеть работу устройства в

динамике, просматривать осциллограммы сигналов в любой точке схемы и измерять

временные параметры сигналов. В случае обнаружения ошибок алгоритма эмулятор

в специальном окне может указать тип ошибки и рекомендации на ее устранение.

Существует целый ряд программных пакетов (эмуляторов и симуляторов),

обеспечивающих отладку программного обеспечения микроконтроллеров,

например: AVR Studio, Code Vision, Proteus, Binder, Visual Micro Lab и т.д.

1 Программный пакет “Visual Micro Lab”

Visual Micro Lab (в дальнейшем будем называть VMLAB) - это

программный пакет, предназначенный для отладки программного обеспечения и

моделирования работы радиоэлектронных устройств, в состав которых входят AVR

микроконтроллеры. Его часто называют виртуальной лабораторией или эмулятором.

VMLAB легко связывается с ассемблерными и СИ компиляторами, от которых

выгодно отличается наличием:

 мощного многооконного текстового редактора;

 символического отладчика;

 смешанного режима аналогово-цифрового моделирования;

 качественного контроля кода.

VMLAB обеспечивает Вас виртуальной лабораторией для разработки

проектов на микроконтроллерах, в которой аппаратные средства и программное

обеспечение вашего проекта моделируются совместно, что позволяет вам без

единой пайки проверить работоспособность вашего будущего устройства. Visual

Micro Lab позволяет решать проблемы по поиску багов (ошибок) в программном

коде. Исходный файл для него это непосредственно hex файл прошивки (можно

подключать и файл ассемблера *.asm). Эмулятор позволяет работать с

светодиодами, использовать осциллограф, изменять программно температуру,

частоту кристалла, и параллельно наблюдать как это скажется на других параметрах

(например, ток потребления), наблюдать что творится в регистровом файле, в

памяти EEPROM, наблюдать значения регистров периферийных устройств

микроконтроллера.

1.1 Описание Toolbar

Toolbar – это ряд кнопок в верхней части главного окна, которые

представляют часто используемые команды VMLAB. Один щелчок левой кнопки

мышки по одной из кнопок Toolbar – это быстрая альтернатива выбору команды из

меню. Кнопки на Toolbar могут быть активны или неактивны в зависимости от

режима работы программы. В таблице 1.1 приведено описание функций кнопок

Toolbar.

Таблица 1.1 – Описание функций кнопок Toolbar

Кнопка Действие Эквивалент меню

Создать новый текстовый файл File|New

Открыть файл File|Open

Сохранить файл активного редактора File|Save

Открыть проектный файл Project|Open project

Скопировать текст в буфер обмена Edit|Copy

Вставит текст из буфера обмена Edit|Paste

Отменить предыдущее действие Edit|Undo

Искать текст Search|Find

Повторить поиск, найти и заменить Search|Next

Перейти к следующей метке Search|Find next error

Перейти к предыдущей метке

Search|Find previous

error

Построить базу данных Project|Build

Начало/продолжение моделирования Run|Go / Continue

Продолжение табл. 1.1

Перейти к следующей инструкции,

пропустить подпрограмму

Run|Step over

Перейти к следующей инструкции,

пропустить подпрограмму

Run|Step over

Перейти к следующей инструкции

не пропускать подпрограмму

Run|Step into

Выйти из подпрограммы Run|Step out

Остановка моделирования Run|Pause program

Легкий рестарт, сохранить ОЗУ Run|Restart (light)

Глубокий рестарт, установить ОЗУ в ?? Run|Restart (deep)

Включение/выключение анимации кода Run|Animate code

Печать активного окна File|Print

Отобразить (вызвать) помощь Help|Contenst

Выбор рабочего стола (None)

1.2 Работа с VMLAB

VMLAB - инструмент отладки и моделирования программного обеспечения

радиотехнических устройств, собранных на AVR микроконтроллерах. Чтобы

промоделировать работу разрабатываемого устройства в VMLAB, найти и

устранить синтаксические ошибки и ошибки алгоритма программы, исследовать

временные диаграммы работы устройства и при необходимости откорректировать

их, а также получить готовые файлы прошивки (программирования) FLASH памяти

и памяти EEPROM микроконтроллера, необходимо выполнить следующие этапы:

Этап 1. Создание “Нового проекта”. Для создания нового проекта

необходимо открыть меню “Project”, а дальше выбрать строку “New project”. При

этом откроется новое окно специального программного модуля “Create new project”

(см. рис. 1.1). Далее, для запуска программного модуля “Create new project” в

режиме программирования на языке Assembler, необходимо выполнить минимум 4

основных шага установок, которые показаны на рис. 1.1:

– шаг 1. Определение имени проекта и каталога (папки) где он будет

размещаться. Для этого необходимо установить курсор на кнопку “Enter name …” и

выполнить щелчок левой кнопки мышки. При этом открывается стандартное окно

навигатора Windows, в котором можно выбрать диск, каталог для размещения

проекта и определить имя проекта (проектного файла). Имя проекта должно иметь

не более 8 символов (латинских букв и цифр);

– шаг 2. Выбор типа микроконтроллера, на котором будет создан проект.

Для этого необходимо установить курсор на кнопку окна “Select micro” как

показано на рис. 1.1 и выполнить щелчок левой кнопки мышки. При этом

открывается окно с перечнем возможных типов микроконтроллеров. Далее

необходимо выбрать нужный контроллер и выполнить щелчок левой кнопки

мышки. В окне “Select micro” появится тип выбранного контроллера;

Рис 1.1 – Вид окна “Create new project” и порядок действий для открытия проекта

– шаг 3. Определение имени программного файла. После выполнения шага

1, в котором было определено имя проектного файла, в окне “Add source code file”

появится такое же имя и для программного файла, только с расширением .asm.

Далее Вы, при необходимости, можете изменить в этом окне имя программного

файла и нажать на кнопку “Add this”. Если Вы согласны с предложенным именем

программного файла, то сразу жмите на кнопку “Add this”, как показано на рис. 1.1;

– шаг 4. Создание проекта с заданными параметрами. Для пуска

программного модуля “Create new project” необходимо установить курсор на кнопку

“ОК” и выполнить щелчок левой кнопки мышки (см. рис. 1.1) . При этом на рабочем

столе VMLAB появятся два окна:

– “Project file”, окно проектного файла (файл с расширением .prj);

– “Code Notebook”, окно программного файла (файл с расширением .asm).

В дальнейшем вся работа с проектом будет связана с этими окнами. Если

проект уже был создан ранее, то для продолжения работы с ним необходимо

использовать кнопку Toolbar “Открыть проект” или команду меню

“Project/Open project”.

Этап 2. Разработка “Проектного файла”. Проектный файл представляет

собой обычный текстовый файл, в котором с помощью специальных директив

(команд) разработчик описывает принципиальную схему разрабатываемого

радиоэлектронного устройства. То есть, в проектном файле сообщается тип

используемого микроконтроллера, схема и напряжение его питания, прописываются

аппаратные средства и компоненты (радиоэлектронные элементы, аналоговые и

цифровые устройства) с которыми будет работать микроконтроллер, определяются

выводы портов микроконтроллера, к которым подключены указанные аппаратные

средства.

При создании нового проекта, программный модуль “Create new project”

создает минимальный проектный файл, в котором прописаны тип используемого

микроконтроллера, стандартная схема его питания и частота тактирования равная

1,0 МГц, имена программного файла и файла прошивки, а также время наблюдения,

равное 250 мс. Теперь разработчик должен установить свои параметры схемы

включения и тактирования микроконтроллера, а также подключить к

микроконтроллеру необходимые радиоэлектронные элементы и компоненты.

Для упрощения процедуры подключения радиоэлектронных элементов и

компонентов можно использовать меню Компонентов (“Components”). Основные

правила подключения элементов и компонентов к микроконтроллеру будут описаны

далее.

При выполнении компиляции, в проектном файле могут быть обнаружены

ошибки. В этом случае VMLAB сообщает разработчику о характере ошибок и их

местоположение (номер строки) в специальном окне “Messages”.

Этап 3. Разработка “Программного файла”. Программный файл

отображается в окне “Code Notebook” и представляет собой (в нашем случае)

программу функционирования разрабатываемого радиоэлектронного устройства на

языке низкого уровня программирования Assembler. При создании нового проекта

программный модуль “Create new project” создает минимальный программный файл,

в котором прописаны ряд директив ассемблера, создан модуль векторов прерывания

и организован бесконечный цикл пустых операций. Такая программа ничего не

выполняет, но по своей организации не имеет ошибок и может быть

скомпилирована.

При выполнении 3 этапа разработчик, используя встроенный редактор

текста, должен удалить ненужные команды и создать необходимые модули

программы согласно предварительно разработанному алгоритму функционирования

радиоэлектронного устройства.

При компиляции программного файла, обо всех обнаруженных ошибках,

VMLAB сообщает разработчику в специальном окне “Messages”.

Этап 4. Компиляция проекта. После окончания разработки проектного и

программного файлов выполняется к компиляции и отладка проекта. Для этого

можно использовать кнопку Toolbar “Build” (Построить базу данных) или

строку меню “Project | Build”. При этом выполняется проверка проекта на

синтаксические ошибки. При обнаружении ошибок VMLAB сообщает

разработчику в специальном окне сообщений “Messages”. Автоматический показ

ошибок позволяет быстро найти их исправить. Для быстрого перехода

непосредственно в исходную линию, ответственную за ошибку необходимо сделать

двойной щелчок по ошибке.

Чтобы получить готовый отлаженный проект, вам придется, конечно,

выполнить вышеописанную процедуру несколько раз, каждый раз исправляя

возникающие ошибки. После устранения всех синтаксических ошибок проекта,

VMLAB сообщает об этом в окне сообщений “Messages” присвоением разработчику

медали.

Этап 5. Виртуальное моделирование работы устройства. Как только

исправлены все ошибки, VMLAB активизирует кнопку Toolbar (загорается

зеленый сигнал светофора). Щелкните левой кнопкой на этой кнопке, чтобы начать

моделирование вашей программы в автоматическом режиме. После этого Вы может

наблюдать переменные, состояние регистрового файла, портов ввода/вывода,

FLASH и EEPROM памяти, периферийных устройств, осциллограммы сигналов

аппаратных средств, а также измерять временные параметры сигналов.

Моделирование работы устройства можно, при необходимости, выполнять в

пошаговом режиме (см. описание кнопок Toolbar). VMLAB позволяет также

устанавливать специальные контрольные точки (точки останова), необходимые для

детального анализа работы программы и состояния переменных в особых точках

программы.

В процессе моделирования и анализа работы устройства вскрываются

ошибки алгоритма программы без использования аппаратных средств и

измерительной техники. Это позволяет существенно сократить время отладки

программного обеспечения.

Этап 6. Программирование микроконтроллера. Когда выполнены все

предыдущие этапа работы и программное обеспечение отлажено, VMLAB создает

файл с расширением .HEX и файл с расширением .ЕЕР, готовые для прошивки

(программирования) FLASH памяти и памяти EEPROM микроконтроллера. Для

этого необходимо загрузить указанные файлы в специальную программу (например

“PonyProg”) и с помощью программатора выполнить прошивку микроконтроллера.

Примечание: VMLAB можно использовать и как мощный редактор текста.

Команды редактора: Новый файл , Открыть файл , являются всегда

доступными, независимо от того есть ли открытый проектный файл или нет.

1.3 Проектный Файл

Проектный Файл – это текстовый файл с расширением .prj, который

идентифицирует (описывает) состав элементов и аппаратных средства

моделируемого устройства, а также программное обеспечение проекта. Проектный

файл использует входной язык описания электронной схемы по типу языка SPICE.

Входной язык подразумевает использование “входных карт” (“input cards”), или

строк содержащих команду (директиву) и опции (параметры) этой директивы.

После параметров в строке могут следовать комментарии, которые отделяются от

директив знаком препинания “ ; ” (точка с запятой). Всегда, начиная от точки с

запятой и до конца строки, идут комментарии. Анализатор “Проектного файла”

игнорирует комментарии.

Очень важно понимать: эмулятор VMLAB – это не SPICE. Необходимо

принимать во внимание то, что его единственное совпадение во входном синтаксисе

написания проектного файла. В связи с этим возможность обмениваться

информацией между указанными пакетами отсутствует. Синтаксис SPICE был

принят для VMLAB потому, что это всемирный стандарт и позволяет смешивать

аналоговые и цифровые компоненты.

Если строка проектного файла оказывается слишком длинная, чтобы быть

удобочитаемой, то она может быть разделена на несколько строк, используя при

этом знак в начале следующей линии “ + ”. См. этот пример:

P[<instName>] NRZ(<timeBit>) <nodeName> KEY_<keyNumber> “<pattern>”

[+ KEY_<keyNumber> “<pattern>”]

[+ RESET “<pattern>”

[+ ....]

В зависимости от первого символа (знака), с которого начинается строка

проектного файла, их делят на три типа:

– строка комментарий, начинается с точки с запятой, например: ; проект А;

– строка директив, начинается с точки, например: .PLOT V(PA1);

– строка компонентов, начинается с буквы, например: R1 node1 node2 1K.

Строки комментарий компилятором не обрабатываются, и предназначены

для оформления проекта. Строки комментарий используются для указания названия

и назначения проекта, разработчика или логотипа фирмы, для выделения отдельных

блоков проекта или ввода некоторой справочной информации.

В строках директив и компонентов существует большое число опций

(параметров), которые обычно имеют следующие значения:

– <modName>: имя модуля или файла модуля, которое удовлетворяет

формату “8.3”, то есть, максимум 8 символов в названии файла и 3 символа для

расширения (например: “Namefile.asm”).

– <nodeName>: любой идентификатор или число, (максимум 8

переменных);

– <powerNode>: любой из трех идентификаторов узлов питания: “VDD”,

“VSS” и “GND” (или число 0 ). “VDD” и “VSS” являются линиями питания; “GND”

(или число 0), является нулевым узлом или землей. “VSS” и “GND” не одно и то же

(См. директиву .POWER);

– <instName>: любой идентификатор, начинающийся с буквы, (максимум 8

переменных). Имена не являются обязательными, и относятся к диалоговым

компонентам.

– <value>: десятичное число, с или без десятичного знака. Они указывают

значение элементов схемы. Числа могут иметь следующие суффиксы:

– p (pico) = x10e

-12

– n (nano) = x10e

-9

– m (mili) = x10e

-3

– k (kilo) = x10e

– meg (mega) = x10e

Часто встречаемая ошибка состоит в том, что если написать “M” вместо

“meg”, будет принято значение соответствующее суффиксу “mili”, а не для “mega”.

Необходимо помнить, что компилятор не различает большие и маленькие буквы.

Примеры написания правильных значений: 10e-3, 10.5m, 10meg, 10MEG.

После того, как нажата кнопка Build , любая ошибка, найденная в

проектном файле, остановит процесс и выдаст сообщение в окне Messages, а строка,

которая вызвала ошибку, будет выделена.

В Проектном Файле, по крайней мере, должны быть определены хотя бы

две директивы: .MICRO и .PROGRAM. Если больше директив в проектном файле

нет, VMLAB возьмет параметры по умолчанию. Приведем пример минимального

проектного файла: .MICRO "Atmega8"

.PROGRAM "EXAMPLE.ASM"

Такой минимальный проектный файл представляет микроконтроллер

Atmega8 с свободными портами ввода - вывода, включенный с уровнями

напряжения питания VDD = 5V, VSS = 0V, и использованием тактовой частоты 1

МГц.

1.4 Основные команды (директивы) VMLAB

Перечень основных директив VMLAB наведен в таб. 1.2.

Таблица 1.2 – Перечень основных директив VMLAB

Общие

директивы

Директивы

ассемблерного

Директивы

C компилятора

Директивы

кода