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引言 對于含有微處理器的裝置來說，調測總是軟件和硬件結合的。在產品開發的階段以排錯為主，在產品開發后期以及生產和現場運行階段，則是以測試為主。不同的階段，調測的內容、手段和使用的工具不盡相同。 測試接口并不是系統功能的一部分，測試接口設計本身也需要成本。對于小型簡單系統來說，沒有必要也不允許（成本考慮）設計測試接口；對于復雜系統來說，設計測試接口的花費是值得的。良好的測試接口設計可經縮短產品的開發周期，給產品維護、維修帶來便利。 對于嵌入式計算系統來說，測試往往是軟件和硬件相結合的，既有借助于“正確”的軟件來測試硬件，也有借助于“正確”的硬件來測試軟件。由于軟件設計人員和硬件設計人員的技術隔膜，二者常常在出現問題后相互指責，難以界定是軟件還是硬件問題。對于嵌入式系統的軟件設計人員來說，必須對硬件有足夠的了解。這一點，和通用計算平臺上的軟件設計是不同的；反之，硬件人員也必須能夠編寫一些測試軟件，以證明其設計的正確性。 1 開發階段的調制方法 1.1 RAM版本的目標系統調試 通過ICE（In-Circuit-Emulate）來調試目標板是開發人員最常用的手段。在產品開發初期，由于各種軟件和硬件問題很多，通過仿真器并結合邏輯分析儀、示波器等硬件信號測試工具能夠很好地發現問題。 在仿真器環境下，通過仿真器的監控軟件來控制用戶軟件的運行，使用斷點、單步跟蹤和查看變量、CPU寄存器、存儲器的數值等手段來查找問題。由于仿真器的軟件和硬件需要一定的CPU資源，用戶軟件在仿真器環境下運行和脫離仿真器后獨立運行是有區別的。好的仿真器能夠盡量減小這種區別。常見的仿真器從技術上區分有：單CPU仿真器、雙CPU仿真器和ROM仿真器。 在仿真器環境下，程序一般是在仿真器的RAM存儲器中運行的，所以這種階段也稱為“RAM版本的目標系統調試”。 1.2 ROM版本的目標系統調試 在仿真器環境下，目標板運行調試正確后， 一般的做法是將應用程序寫入目標板的非易失性存儲器中，讓目標板單獨運行。在很多情況下，目標板系統往往不能運行或者運行結果和仿真器環境下不一致。而沒有連接仿真器，無法觀察各種軟件狀態，給分析問題造成一定困難。在目標板上設計指示電路有助于發現問題；在電路板上增加1個LED是最簡單也是很有效的方法。對于復雜系統，可以設計1個數碼管顯示輸出接口，或者設計1個調試用串口，將調試信息發送到PC機上顯示。 在使用PC機作為顯示輸出設備時，一般的做法是使用Winodws自帶的超級終端軟件，無需另外編制程序。和前二種方法相比，該方法的接口信號是雙向的，調試者可以通過PC機輸入信息到目標板中，設定顯示信息的類別。這一點，對于復雜系統的調試是很有價值的，CISCO公司的很多路由器產品就使用這種方法來維護和調試。 2 生產階段的測試方法 生產階段的測試只是對硬件電路或者系統進行測試。測試目的是為了對產品或者部件進行分檢，找出有缺陷的產品。 測試內容包括： *裸板測試——檢查未安裝元器件的電路板上的開路和短路缺陷； *成品生產缺陷分析——檢查已安裝元器件的電路板上焊點的短路和開路缺陷； *成品電氣性能測試——認證每個單元器件的上電運作； *產品功能測試——認證電路模塊的功能。 生產測試和開發階段的硬件測試不同，需要測試方法快速、能成批測試，易于在制造生產線上安裝。在生產的不同階段使用的測試工具和技術也不相同。目前常用的測試工具和技術有：人工視覺檢查（MVI）、在線測試（ICT）、自動光學測試（AOI）、自動X射線測試（AXI）。其中人工視覺測試（MVI）只能用于小批量試制產品。 在線測試（ICT）是最常用的一種線路板測試方法：使用專門的針床與已焊接好的線路板上的元器件接觸，通過針床在線路板上施加微小電壓來測試線路通斷、元件是否正確安裝。 由于需要為特定電路板設計專用夾具，適合于單一品種民用型家電線路板極大規模生產的測試；缺點是在高密度的SMT線路板測試困難。目前的替代解決辦法是使用光學方法測試（如AOI，AXI），或者使用邊界掃描技術（即基于IEEE1394標準的JTAG測試接口）測試。后者需要IC或者線路板支持此技術。 功能測試是生產過程的最后階段使用，測試線路板或者系統的功能指標，一般的功能測試需要設計專用測試設備和測試軟件。 3 現場測試技術 現場測試分為三種情況：一種是在線測試，測試設備不停止運行；一種是停機測試，被測試設備停止運行；第三種為脫機測試，將被測部件從運行現場取出，放到專用的測試裝備上進行測試。從測試技術角度上說，后二者更容易進行各種測試；對于復雜系統來說，往往故障和問題需要在設備運行時才能發現和定位，必須進行在線測試。 究竟采取哪種方式進行現場測試，取決于故障狀況和實際應用是否允許立即停機。 開發階段產品和成熟產品的現場測試要求也不同：前者測試目的主要是發現設計中的問題，由產品開發人員進行；后者側重于發現使用中的問題和失效的部件，目的是更換部件，由產品使用人員進行。（但測試方法和步驟也有可能是設計人員制定的。） 現場測試和試驗室測試的最大區別就是測試設備難以安裝和連接：線路板封閉在機箱中，測試信號線很難引入，即使設備外殼上留有測試插座，測試信號線也需要很長，傳統的在線仿真器在現場測試中無法使用。 另一方面，現場往往沒有實驗室里的各種測試儀器和設備，因此，必須有更好的方法和手段來完成測試。 嵌入式處理器中目前有很多芯片具有類似Motorola公司683XX系列處理器的BDM調試接口（詳見第5部分）。這種接口是串行的，處理器內部固化了調試微碼，為現場測試 帶來了方便。 對于不具備這種接口的嵌入式計算系統，在系統設計時將關鍵信號點引出到一個測試接口插座上，通過該插座可輸入測試激勵信號和觀察輸出信號；對于軟件測試，可使用前文中所述的ROM板測試方法，外接顯示部件來觀察程序運行情況。 軟件現場調試的另外一個要求是程序應能夠現場下載，以便在發現問題后能夠修改軟件。現場在線下載程序的方法有兩種：一種是使用具有ISP功能的處理（如Philips公司的P89C51RD系列MCU等），另一種方案是將軟件設計成兩部分，一部分是應用功能軟件，另一部分是完成前者下載到系統中的下載通信軟件。無論哪種方法，下載的主機均是PC機。如果需要達到遠程調試和下載的目的，則要使用后一種方案。例如，在Echelon公司的Lonwork現場總線產品中，每個節點中的程序均可以通過網絡下載，這種功能為多節點網絡系統的現場調試帶來了極大方便。 4 可測試性設計 在產品開發初期，產品測試的目的是驗證產品設計的正確性，而可測試性部件的存在則能加快測試速度，縮短產品開發周期；在生產階段，通過測試來剔除有缺陷的產品和部件；在使用階段，測試則用于故障定位，找出失效的部件并更換或者維修。可見，產品的測試在產品生命周期各階段均有十分重要的作用。可測試性設計應該在產品設計初期就加以考慮，結合測試在不同階段的作用來設計測試模塊和接口。 產品的可測試性設計要考慮的問題有：測試的目的、測試部件的位置、測試部件的基本要素、內置測試部件與外部測試設備儀器之間的電氣和機械連接，添加測試部件對被測模塊功能和性能的影響、測試部件的成本以及何時使用測試功能等。 如前所述，測試在產品不同階段是有差別的。在產品開發階段，很多參數需要定量和詳細地進行測試，以驗證產品在各種不同情況下是否能正常工作；測試參數，測試點較多，可以方便地連接各種外部測試儀器，也不需要考慮添加測試部件所帶來的附加成本。 在產品生產和使用階段，測試的節點和參數數量也相對減少，測試一般是定性的，無需借助于外部設備的自測試，成本因素也必須考慮。 測試部件一般位于被測部件的接口和邊界位置上，如圖上所示，用于產品控制被測部件的激勵信號和采樣被測部件的輸出信號。測試部件一般由測試信號源、信號傳輸通道、測試觀察裝置等組成。測試部件可以完全包含在被測部件中，也可部分位于外部（如外接信號源和示波器等）。 對于自動測試，測試部件還包括被測部件的預期輸出存儲部件比較部分。 在一個系統中，如何劃分模塊，確定測試位置（即模塊的邊界）是關系到可測試性設計是否合理的首要問題。模塊間最小相關原則和模塊內最小相似原則是兩個重要依據：前者保證測試可以獨立進行，不需要很多其它模塊的配合；后者可以使測試能正確反映被測模塊的大部分工況，不至于漏測很多工作狀態。 很多情況下，從被測模塊的邊界直接引出信號有困難，測試信號需要經過其它模塊引入到被測模塊上。 如果作為信號路徑的模塊對信號特征沒有改變，則稱這種測試路徑是透明的，路徑模塊必須能在旁路模式和正常工作模式之間切換，實現起來有局限性。對于硬件來說，最簡單的透明路徑是使用跳線。 對于簡單嵌入式系統來說，測試一般包括上電自測試和人為測試。后者在故障出現時進行。對于復雜系統來說，還包括定時自動測試，比如在大型程控交換機和飛機機載電子設備的運行過程中，均定時進行自檢。 可測試性設計還應考慮測試功能所使用對象的不同。產品設計人員、產品使用人員和產品維護人員對測試內容的要求是同的，需要進行分層次的可測試性設計。 對于硬件和系統的可測試性設計已有IEEE1149.1/4/5等標準可以借鑒，對于單純的軟件測試，目前尚無具體和統一的標準，只有諸如代碼格式分析、白盒測試、黑盒測試、覆蓋測試等測試方法。軟件測試的途徑有兩個。一是在源代碼中增加大量測試代碼，使用條件編譯指令來控制形成調試、測試和最終發布等不同版本。調測版本的代碼規模要比最終的發布版本大很多，在問題解決后，一般將臨時性測試代碼通過編譯開關屏蔽。另外一個軟件測試途徑是使用專用的測試軟件（如法國Telelogic公司的LOGISCOPE測試工具），這些測試軟件能完成諸如覆蓋測試、代碼格式分析等功能，但均是針對特定的語言和操作系統環境，使用上一些限制。 還需要說明的就是“可觀測”設計的概念。可觀測性和可測試性不同，不需要加入激勵信號，只觀察系統運行中某些內部狀態，比如軟件中某個重要變量的數值變化，硬件電路中某個IC引腳的信號電平等。在設計中，應該保留這些觀察接口，以便需要時用它來判斷和分析系統的問題。 一個可測試的系統，一定是可觀測的，反之則不然。設計可測試性系統的目的是為了以后修改和改進設計，而使系統具有可觀測性則是為了維護系統，判斷哪個是出故障的部件，以便更換。可測試性設計一般用于新產品，而可觀測性設計用于成熟產品。當然，在結構、安裝條件和成本允許的情況下，成熟產品也應具有可測試性。實際上，由于處理器技術和芯片的日新月異，已經不存在真正意義上的成熟產品了。 在一類產品中的可測試性設計應該具有一致性，例如，用紅色LED表示電源狀態，所有電路板均應采用紅色LED，點亮的頻率也應該一致。作為企業，應制定相關的測試接口標準，并且這些標準應符合行業習慣或者行業標準。 5 測試和調試接口標準 測試和調試接口標準：JTAG和BDM。 5.1 背景調試模式 在使用傳統的ICE來調試時，使用ICE中的CPU來取代目標板中的CPU，目標板和ICE之間使用多芯扁平電纜來連接，而ICE在使用時一般還需要縮主機（一般來PC）來連接。 在一些高端微處理器內部已經包含了用于調試的微碼，調試時仿真器軟件和目標板上的CPU的調試微碼通信，目標板 上的CPU無需取出。由于軟件調試指令無需經過一段扁平電纜來控制目標板，避免了高頻操作限制、交流和直流的不匹配以及調試線纜的電阻影響等問題。這種調試模式在Motorola公司產品68300系列中被稱為背景調試模式BDM（Background Debug Mode）。在仿真器和目標之間使用8芯（或者10芯）的BDM接口來連接，其他公司的嵌入式處理器也有類似功能，不過叫法不同，例如AMD公司在其X86微處理器上提供“AMDebug”的調試接口。 實際上，BDM相當于將ICE仿真器軟件和硬件內置在處理器，這使得我們直接使用PC機的并口來調試軟件，不再需要ICE硬件，大大節約了汽油發成本。一些調試器供應商也提供這種軟件產品（如XRAY）。對于用戶來說，為了調試一些特定問題，可以直接使用BDM命令來調試目標系統，以彌補商業調試軟件的不足。 BDM接口有8根信號線，也有為10根信號線的，如圖2所示。調試軟件通過4腳使CPU進入背景調試模式，調試命令的串行信號則8通過腳輸入,同時4腳輸入信號步時鐘，而CPU中的微碼在執行命令后會在10腳輸出調試結果指示信號。可見，BDM接口引線由并口和PC機相連，調試命令則是通過串行方式輸入的。 目前在CPU內置的調試接口和微碼方面，各廠家尚無統一標準。處理器廠家、工具開發公司和儀器制造商曾于1998年組成了Nexus 5001 Forum(Nexus 5001論壇)，成員包括Motorola、Infineon Technologies、日立、ETAS和惠普公司等，正致力于制定一個統一的片上通用調試接口。這方面的進一步情況可查閱http://www.nexus-standard.org/網站。 5.2 邊界掃描測試技術和JTAG接口 邊界掃描測試技術（Boundary-Scan Test Architecture）屬于一種可測試性設計。其基本思想是在芯片引腳和芯片內部邏輯之間（即芯片邊界位置）增加串行連接的邊界掃描測試單元，實現對芯片引腳狀態的設定和讀取，使芯片引腳狀態具有可控性和可觀測性。 邊界掃描測試技術最初由各大半導體公司（Philips、IBM、Intel等）成立的聯全測試行動小組JTAG（Join Test Action Group）于1988年提出，1990年被IEEE規定為電子產品可測試性設計的標準（IEEE1149.1/2/3）。 目前，該標準已被一些大規模集成電路所采用（如DSP、CPU、FPGA等），而訪問邊界掃描測試電路的接口信號定義標準被稱為JTAG接口，很多嵌入式處理器內置了這種測試接口。在Cygnal公司的C8051F000系列單片機中和一些FPGA芯片中，JTAG接口不僅能用于測試，也是器件的編程接口。 IEEE1149.1標準支持以下3種測試功能： *內部測試——IC內部的邏輯測試； *外部測試——IC間相互連接的測試； *取樣測試——IC正常運行時的數據取樣測試。 圖3給出了具有2個芯片的系統的邊界掃描測試原理。 圖3中，TCK為測試同步時鐘輸入，TMS為測試模式選中輸入，TDI為測試數據輸入，TDO為測試數據輸出，由測試移位寄存器產品。圖3中的小方框表示位于芯片外圍的邊界掃描測試邏輯單元，芯片每個引腳信號經過邊界掃描單元和內部的功能單元相連接。 目前，邊界掃描技術的應用主要在數字IC的測試上，這種設計思想也可用于模擬系統、板級測試甚至系統測試上。IEEE也制定了和IEEE1149.1相類似的標準IEEE P1149.4（數模混合信號測試總線標準）、IEEE 1149.5（電路板測試和維護總線標準）。 |
