邏輯分析儀在嵌入式系統(tǒng)調(diào)試中的應(yīng)用

　　引言

　　如今，嵌入式系統(tǒng)的功能越來(lái)越強(qiáng)，但設(shè)計(jì)和驗(yàn)證問(wèn)題也變得越來(lái)越復(fù)雜。善用邏輯分析儀，可以提高查找和解決問(wèn)題的效率，尤其是最困擾嵌入式系統(tǒng)工程師的時(shí)序問(wèn)題和一些硬件本身固有的問(wèn)題。

　　邏輯分析儀介紹

　　邏輯分析儀(Logic Analyzer)是一種數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)域測(cè)試的常用儀器，它可以把測(cè)試通道上的邏輯信號(hào)捕捉并存儲(chǔ)下來(lái)，供設(shè)計(jì)人員分析。與示波器相比，邏輯分析儀具有測(cè)量通道數(shù)多(一般有32個(gè)通道)；觸發(fā)功能完善；分析功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。
邏輯分析儀主要的技術(shù)指標(biāo)有：

　　* 最高采樣頻率：最高采樣頻率越高，捕獲帶寬越高。
　　* 通道數(shù)：通道數(shù)越多，能同時(shí)捕獲的信號(hào)數(shù)也就越多。
　　* 存儲(chǔ)深度：存儲(chǔ)深度越大，能夠記錄的數(shù)據(jù)就越多。
　　* 輸入阻抗：輸入阻抗越高，對(duì)被測(cè)信號(hào)的影響越小。
　　* 觸發(fā)方式：觸發(fā)方式越多，使用起來(lái)越靈活。

　　其它技術(shù)指標(biāo)還有：觸發(fā)門限電平范圍、是否有協(xié)議分析工具等等，這些都決定了邏輯分析儀的性能。

　　現(xiàn)在，邏輯分析儀的發(fā)展出現(xiàn)了兩種趨勢(shì)：傳統(tǒng)邏輯分析儀和虛擬邏輯分析儀。傳統(tǒng)邏輯分析儀功能強(qiáng)大，數(shù)據(jù)采集、分析和波形顯示融于一身，但是價(jià)格十分昂貴；虛擬邏輯分析儀是PC技術(shù)和測(cè)量技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，觸發(fā)和記錄功能由虛擬邏輯分析儀硬件完成，波形顯示、輸入設(shè)置等功能由PC機(jī)去完成，因此不會(huì)對(duì)邏輯分析儀性能造成影響，同時(shí)節(jié)省了顯示和輸入方面的成本，在開發(fā)工程師熟悉的Windows操作系統(tǒng)下工作操作起來(lái)更加方便。與傳統(tǒng)邏輯分析儀相比虛擬邏輯分析儀具有質(zhì)優(yōu)價(jià)廉、方面使用等優(yōu)點(diǎn)。


圖1  液晶時(shí)序圖


圖2  驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的時(shí)序圖


圖3  讀寫E2PROM存儲(chǔ)器時(shí)序圖


圖4  經(jīng)I2C分析插件解碼后的時(shí)序圖


圖5  SD卡CMD0命令時(shí)序圖

　　本文使用廣州致遠(yuǎn)電子有限公司生產(chǎn)LA1032邏輯分析儀進(jìn)行測(cè)量，LA1032邏輯分析儀集成了邏輯分析、總線分析、協(xié)議分析、頻率計(jì)、邏輯筆等多種測(cè)量分析功能，適用于各種數(shù)字電路的開發(fā)、測(cè)量、分析和調(diào)試工作。LA1032邏輯分析儀屬于虛擬邏輯分析儀，性價(jià)比非常高。

　　應(yīng)用

　　通常，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以分為硬件部分和軟件部分，從硬件電路的調(diào)試到驅(qū)動(dòng)程序的測(cè)試幾乎都需要邏輯分析儀的幫助。邏輯分析儀在嵌入式系統(tǒng)調(diào)試中的應(yīng)用可以分為三個(gè)層次：

　　第一層：測(cè)試信號(hào)的時(shí)序和時(shí)間，這是邏輯分析儀最基本的應(yīng)用；

　　第二層：利用邏輯分析協(xié)議分析的輔助功能，分析總線協(xié)議；

　　第三層：在線仿真器一起構(gòu)成組合調(diào)試平臺(tái)，調(diào)試驅(qū)動(dòng)程序。

　　捕獲毛刺

　　由于信號(hào)間延時(shí)不同，多路信號(hào)同時(shí)變化的瞬間往往會(huì)導(dǎo)致邏輯電路輸出中一些不正確的尖峰信號(hào)，這些尖峰信號(hào)稱為“毛刺”。另外，如果設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境比較惡劣，也會(huì)有高頻信號(hào)串入電路，造成毛刺。如果讓“毛刺”進(jìn)入時(shí)鐘、清零和置位等對(duì)毛刺敏感的輸入端口，將會(huì)使電路產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果。

　　確定關(guān)鍵信號(hào)的建立時(shí)間和保持時(shí)間。

　　建立時(shí)間(setup time)是指在觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)上升沿到來(lái)以前，數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的時(shí)間，如果建立時(shí)間不夠，數(shù)據(jù)將不能在這個(gè)時(shí)鐘上升沿被打入觸發(fā)器；保持時(shí)間(hold time)是指在觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)上升沿到來(lái)以后，數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的時(shí)間，如果保持時(shí)間不夠，數(shù)據(jù)同樣不能被打入觸發(fā)器。

　　液晶既是一個(gè)慢速設(shè)備也是一個(gè)對(duì)時(shí)序很敏感的設(shè)備。如果數(shù)據(jù)的建立時(shí)間不夠，很容易顯示亂碼。圖1是利用邏輯分析儀捕獲的液晶總線時(shí)序，并利用測(cè)量點(diǎn)來(lái)獲取建立時(shí)間和保持時(shí)間的信息。

　　驗(yàn)證電路邏輯

　　電路設(shè)計(jì)好后，通常利用邏輯分析儀對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行采集分析，這樣可以比較可靠的驗(yàn)證電路的邏輯功能。筆者為NiosII處理器設(shè)計(jì)了一個(gè)用于動(dòng)態(tài)掃描8位數(shù)碼管的IP核，由邏輯分析儀捕獲的數(shù)據(jù)輸出如圖2所示。
分析總線協(xié)議

　　在確定關(guān)鍵信號(hào)路徑上無(wú)“毛刺”干擾，且建立時(shí)間和保持時(shí)間符合器件時(shí)序要求后，下一步就是分析器件間是否能正常傳輸數(shù)據(jù)，即協(xié)議是否正確。MCU通過(guò)I2C總線對(duì)兩個(gè)外部E2PROM存儲(chǔ)器(器件地址分別是0xA0和0xA2)進(jìn)行操作的時(shí)序圖如所示。

　　若工程師要根據(jù)邏輯電平的高低進(jìn)行人工分析，顯然十分困難，更不要說(shuō)區(qū)分哪些數(shù)據(jù)是發(fā)給E2PROM1的，哪些數(shù)據(jù)是發(fā)給E2PROM2的。這時(shí)，可以啟動(dòng)邏輯分析儀的I2C分析插件，分析結(jié)果的局部放大圖如。

　　常見的總線分析插件還有SPI總線、UART、1-WIRE、CF協(xié)議分析等。插件的種類會(huì)因廠商的不同而不同。

　　配合調(diào)試工具單步調(diào)試程序

　　嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員通常使用在線仿真器(ICE)來(lái)完成軟件的調(diào)試，但隨著嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜性的提高，單純的軟件調(diào)試已經(jīng)很難適應(yīng)需求。在線仿真器+邏輯分析儀已經(jīng)構(gòu)成一種新的組合調(diào)試平臺(tái)。借助邏輯分析儀可以發(fā)現(xiàn)許多隱匿很深的問(wèn)題。例如，筆者在為NiosII處理器開發(fā)SD卡驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，遇到一個(gè)很奇怪的情況，SD卡命令已正確發(fā)送，邏輯分析儀也捕捉到了有效應(yīng)答信號(hào)，如圖5所示，但是程序仍然返回應(yīng)答信號(hào)等待超時(shí)錯(cuò)誤。

　　單步調(diào)試程序發(fā)現(xiàn)，雖然邏輯分析儀捕捉到了有效應(yīng)答信號(hào)，但是由SPI核讀入數(shù)據(jù)卻是0x80，即SD卡忙。最后，問(wèn)題的原因是，Altera公司提供的SPI核的CPOL=1，CPHA=0模式并不適合SD卡，將SPI核的工作模式設(shè)為CPOL=1，CPHA=1則驅(qū)動(dòng)程序就可以正常工作了。

　　結(jié)語(yǔ)

　　綜上所述，邏輯分析儀在嵌入式系統(tǒng)調(diào)試中的應(yīng)用可以從基本數(shù)字電路的時(shí)序分析到器件間總線協(xié)議的分析，還以配合在線仿真器調(diào)試驅(qū)動(dòng)軟件。借助在線仿真器+邏輯分析儀這種新的調(diào)試平臺(tái)，可以提高查找和解決問(wèn)題的效率，增加產(chǎn)品的可靠性并能加快產(chǎn)品的上市速度。