嵌入式自開發(fā)軟件有兩大特點(diǎn)。一是嵌入，指嵌入在系統(tǒng)內(nèi)部，占用系統(tǒng)一定的RAM和ROM資源；二是自開發(fā)功能，自身具備調(diào)試和開發(fā)功能。自開發(fā)軟件也被稱為監(jiān)控程序(monitor program)。實(shí)現(xiàn)自開發(fā)軟件是一種廉價的仿真器替代方案，它讓用戶更加深入地理解處理器和底層硬件的工作實(shí)質(zhì)。更為重要的是，它嵌入于應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)部，提供完全在線式的調(diào)試功能。
　　自開發(fā)軟件的配置如圖1所示。上位機(jī)完成程序的編輯、編譯和鏈接，由自開發(fā)軟件通過與上位機(jī)的通信接口把程序下載到應(yīng)用系統(tǒng)中，并提供基本的調(diào)試手段。自開發(fā)軟件在功能上可以劃分為上位機(jī)通信接口、內(nèi)存操作、寄存器操作、下載及執(zhí)行用戶程序和斷點(diǎn)調(diào)試幾大部分。

1 與上位機(jī)通信接口設(shè)計(jì)
　　(1)底層設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)狀況和用戶命令都要通過與上位機(jī)的通信接口互相交換，一般用串行通信接口實(shí)現(xiàn)。通常使用最簡單的硬件連接和通信協(xié)議：只使用發(fā)送(TXD)、接收(RXD)和地這三根線，不使用其他握手信號線。PC端可以使用通用的串口通信軟件，如超級終端、串口助手；應(yīng)用系統(tǒng)端的通信軟件需要自行編寫。
　　串口接收數(shù)據(jù)時，當(dāng)數(shù)據(jù)量很大、通信速度很快時，如果處理數(shù)據(jù)包的時間過長，則無論使用查詢或中斷方式，都有可能出現(xiàn)接收緩沖寄存器溢出，造成數(shù)據(jù)丟失。較好的解決方法是以中斷方式接收，在內(nèi)存中開辟一個環(huán)形隊(duì)列緩沖區(qū)，把程序分成兩部分實(shí)現(xiàn)。
　　如圖2所示，當(dāng)接收數(shù)據(jù)中斷時，由中斷服務(wù)程序" title="中斷服務(wù)程序">中斷服務(wù)程序迅速地把數(shù)據(jù)放置到緩沖區(qū)內(nèi)，再重新使接收中斷使能，準(zhǔn)備接收下一個數(shù)據(jù)，而主程序則通過查詢緩沖區(qū)是否為空從中讀取讀據(jù)。這樣做可以盡可能地減少關(guān)閉接收中斷的時間，防止數(shù)據(jù)丟失。緩沖區(qū)的大小與通信速度和處理器的處理速度有關(guān)。通信速度越快，處理速度越慢，緩沖區(qū)應(yīng)開辟得越大。反之亦然。在SH7709S系統(tǒng)中，傳輸速率為38 400bps，處理器運(yùn)行在64MHz時鐘下，緩沖區(qū)設(shè)置為64B。

　　發(fā)送也可以使用中斷加發(fā)送緩沖區(qū)的方式，主程序向緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)的同時打開發(fā)送中斷，發(fā)送中斷服務(wù)程序從緩沖區(qū)取得數(shù)據(jù)并發(fā)送，如果緩沖區(qū)非空，則保持發(fā)送中斷使能。但發(fā)送的情況和接收很不一樣，發(fā)送時可以主動控制發(fā)送字節(jié)的時機(jī)，在高傳輸速率下發(fā)送每一個字符的時間比較短。例如，在38 400bps的傳輸速率下，傳輸一個字符的時間大約26μs。
　　(2)實(shí)現(xiàn)printf()函數(shù)
　　為了便于后續(xù)程序的設(shè)計(jì)，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)自己的格式化輸出函數(shù)printf()，包含字符串輸出、字符輸出、十進(jìn)制數(shù)輸出和十六進(jìn)制數(shù)輸出功能。輸出十六進(jìn)制數(shù)時，要有8位、4位和2位寬度方式，如果數(shù)據(jù)的寬度不夠，則在前面補(bǔ)0，使得數(shù)據(jù)對齊，以便于用戶觀察。printf函數(shù)的實(shí)現(xiàn)思路是，把所有數(shù)據(jù)按不同的格式先轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的ASCII碼，然后將其串成一個有結(jié)束符的字符串，再統(tǒng)一按照字符串輸出。要注意一點(diǎn)：當(dāng)輸出回車符\n時，要同時輸出一個換行符\r，以符合C語言中的編程習(xí)慣。
2 下載程序及在系統(tǒng)Flash燒寫技術(shù)
　　(1)S文件格式
　　上位機(jī)完成編譯、鏈接，生成程序文件后，首先要通過串口把程序裝載到系統(tǒng)中，自開發(fā)軟件必須能夠識別主機(jī)傳送來ASCII碼的含義，即向哪個地址裝載、是否結(jié)束、有無誤碼，這就需要有一個通信協(xié)議。這里以SH7709S使用S格式文件為例說明。它是行結(jié)構(gòu)的ASCII碼文件，包含了所需要的協(xié)議，主要有起始記錄(S0)、正文記錄(S1、S2、S3)和結(jié)束記錄(S7、S8、S9)三種。三種記錄如下：
　　S00E00004D6F6E56657232206D6F74F8
　　S113000000090009000900090009DF0B0002D10BF7
　　S9030000FC
　　圖3是S1類型的記錄格式，以S1開頭；接下來是一個記錄長度的字節(jié)，長度從該字節(jié)后面開始算起，一直到該行結(jié)尾；再下來是程序的裝載地址，S1、S2和S3的裝載地址長度分別是2B、3B、4B，裝載程序的地址范圍分別是0～64KB、64KB～16MB和16MB～4GB；裝載地址后面是ASCII碼表示的十六進(jìn)制機(jī)器碼，最后一個字節(jié)是校驗(yàn)碼，等于該記錄中的所有內(nèi)容之和的反碼。S格式文件一般以S0記錄開始，S0與S1記錄類似，所不同的是機(jī)器碼部分是S格式文件的文件名。S7、S8和S9也與S1記錄類似，但沒有機(jī)器碼部分，裝載地址表示程序的起始地址，分別為3B、2B、1B。

　　通過串口，可以把程序下載到RAM或Flash中。RAM的讀寫速度較快，可以邊從串口下載邊裝載；Flash的操作相對較復(fù)雜，在寫入Flash時，一般是先把程序全部下載到RAM中，再集中燒寫。
　　(2)在系統(tǒng)Flash燒寫技術(shù)
　　Flash存儲器由于容量大、價格低、編程方便等優(yōu)勢在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。出于價格、體積等方面的考慮，多數(shù)系統(tǒng)只配備單片普通的NAND Flash。由于同一片F(xiàn)lash在寫操作時一般不能讀，因而很多采用Flash作為程序存儲器的系統(tǒng)無法直接實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)燒寫(ISP)。通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)在線燒寫Flash，達(dá)到“程序燒寫程序”目的，這簡化了電路設(shè)計(jì)，降低了開發(fā)成本，是目前常用的開發(fā)模式。它把燒寫Flash的程序與其他程序分開，使用時把它拷貝到RAM中執(zhí)行。由于大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)只能執(zhí)行非可重定位的程序，即只能在鏈接時指定的地址執(zhí)行程序，所以這種方法遇到的最大難點(diǎn)就是程序的存儲地址和執(zhí)行地址不一致。這里給出一種非常有效且通行的解決方法。首先，編寫?yīng)毩⒌臒龑慒lash程序，使這部分程序不能調(diào)用其他程序，避免在寫Flash的同時讀取Flash；然后把這部分程序編譯，并鏈接到RAM中的指定地址，生成程序文件(如前文中提到的S格式文件)；最后用一個在用戶主機(jī)上運(yùn)行的小程序把程序文件轉(zhuǎn)換成C語言格式的數(shù)組，再在主程序中拷貝或調(diào)用。數(shù)組定義如下：
　　struct rom_data {
　　unsigned long start_address；
　　unsigned long data_length；
　　unsigned char data[4708]；
　　}；
　　start address是程序在RAM中執(zhí)行的入口地址，data length是機(jī)器碼的字節(jié)數(shù)，在data中存儲程序的機(jī)器碼。以一個轉(zhuǎn)換后的數(shù)組為例：
　　const struct rom_data datastruct={
　　0x0dff0000，
　　0x0000084b，
　　0x2f，0x86，0x2f，0x96，0x2f，0xa6，0x2f，0xb6，0x2f，0xc6，
　　0x2f，0xd6，0x2f，0xe6，0x4f，0x22，
　　……
　　}；
　　程序從地址0xdff0000開始執(zhí)行，由0x84b個字節(jié)組成。燒寫Flash時，由自開發(fā)軟件把這部分程序搬運(yùn)到RAM中的對應(yīng)地址，再跳轉(zhuǎn)到該地址開始執(zhí)行。只要了解程序文件的結(jié)構(gòu)，程序文件到數(shù)組的轉(zhuǎn)換將很容易實(shí)現(xiàn)。Renesas公司提供了S文件格式的程序文件到數(shù)組轉(zhuǎn)換工具motice_cl，把它設(shè)定為IDE的最后一個編譯階段即可方便地生成數(shù)組。
3 實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)
　　在程序中設(shè)置斷點(diǎn)是調(diào)試程序的有效方法。通常，斷點(diǎn)只能在RAM中實(shí)現(xiàn)。SH7709S由于內(nèi)嵌有UBC(用戶斷點(diǎn)控制器)單元，所以也可以在ROM中設(shè)置斷點(diǎn)。
　　(1)在RAM中設(shè)置斷點(diǎn)
　　RAM中設(shè)置斷點(diǎn)的思路是：在斷點(diǎn)處用一條軟中斷指令替換原有指令，當(dāng)軟中斷發(fā)生時，將所有寄存器的值推入堆棧中。只要在軟中斷的服務(wù)程序顯示棧中對應(yīng)CPU有關(guān)寄存器的內(nèi)容，回到主程序，并允許修改寄存器和內(nèi)存，就實(shí)現(xiàn)了在RAM中設(shè)置斷點(diǎn)。
　　用戶設(shè)置完斷點(diǎn)后，在自開發(fā)軟件中不要直接替換對應(yīng)地址的指令，否則觀察寄存器或反匯編" title="反匯編">反匯編時，這段程序就被改變了。應(yīng)該在用戶輸入運(yùn)行程序命令后再去替代指令，在軟中斷服務(wù)程序返回前，還要遍歷每個斷點(diǎn)，將已經(jīng)替換后的指令恢復(fù)，使用戶看不到被替換過的痕跡。
　　(2)使用UBC單元設(shè)置斷點(diǎn)
　　SH7709S內(nèi)置兩個UBC單元，以方便在ROM或RAM設(shè)置斷點(diǎn)，協(xié)助用戶實(shí)現(xiàn)自調(diào)試功能。它實(shí)際上是一個比較中斷發(fā)生器，在程序運(yùn)行時，斷點(diǎn)寄存器中的地址不停地與程序計(jì)數(shù)器PC比較，中斷發(fā)生的條件可以是地址相同，也可以是某一數(shù)據(jù)的讀或?qū)懙取０l(fā)生中斷后在中斷服務(wù)程序中顯示寄存器，同時把這個斷點(diǎn)清除，屏蔽UBC中斷，并返回到主程序，從而實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)功能。
　　實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)功能后就可以輕松地實(shí)現(xiàn)單步調(diào)試功能，實(shí)際上是在下一條指令前設(shè)置斷點(diǎn)。
4 編輯寄存器或內(nèi)存
　　(1)編輯寄存器
　　編輯寄存器包括讀、寫和清零操作。讀寄存器并不需要每次都顯示當(dāng)前寄存器的真實(shí)值(因?yàn)橄到y(tǒng)被自開發(fā)軟件控制時，這種顯示對用戶并無意義)，而只需在用戶程序被打斷后顯示打斷前的真實(shí)寄存器值；寫和清零操作也不需要在用戶改變寄存器后立即改變CPU的寄存器，否則自開發(fā)軟件無法正常運(yùn)行，而只需在用戶程序執(zhí)行前改變。自開發(fā)軟件應(yīng)該在內(nèi)存中建立一個CPU寄存器的映像，用戶對寄存器的操作實(shí)際上是操作內(nèi)存中的映像單元。發(fā)生斷點(diǎn)中斷后，在中斷服務(wù)程序里把入棧的中斷前寄存器值寫入到對應(yīng)的內(nèi)存映像單元，在用戶輸入運(yùn)行程序命令后，先把內(nèi)存映像單元的值寫入到CPU的寄存器中再運(yùn)行程序。
　　(2)編輯內(nèi)存
　　編輯內(nèi)存包括顯示、修改和反匯編操作。一般按單字節(jié)使用十六進(jìn)制顯示內(nèi)存的內(nèi)容，每一行顯示16個內(nèi)存單元，左邊要有該段內(nèi)存的起始地址，在最右邊，將這些數(shù)據(jù)對應(yīng)的ASCII碼顯示出來，數(shù)值小于0x20的ASCII碼控制字符及大于0x7F的非ASCII碼字符用“.”表示，如圖4所示。
　　修改內(nèi)存應(yīng)提供按逐個內(nèi)存單元和按塊填充功能。對于總線寬度為32位的系統(tǒng)，內(nèi)存單元可以是字節(jié)、雙字和長字，修改過一個單元后，提示符應(yīng)指向下一個單元，最好能設(shè)置一個鍵碼，當(dāng)發(fā)現(xiàn)輸入值不當(dāng)時，可以回退一個單元，如果輸入字符不是0～F，則自動退出，此單元無須修改時按回車?yán)^續(xù)下一單元。填充內(nèi)存是把一塊內(nèi)存單元修改為同一個值，在觀察內(nèi)存變化時很有用。

　　反匯編是將內(nèi)存的內(nèi)容以指令形式顯示出來。在RISC和CISC機(jī)上實(shí)現(xiàn)反匯編的難度不同，RISC架構(gòu)的處理器指令是定長的，如SH7709S每條指令占用兩個字節(jié)，而CISC架構(gòu)的處理器上指令占用的字節(jié)數(shù)從一個到四個不等，讀取時還要判斷是否讀到了正確的指令。反匯編功能需占用較多的存儲空間，因?yàn)樗⒁粋€對應(yīng)關(guān)系，在內(nèi)存中存儲一個指令表。一般情況下，指令的設(shè)計(jì)都有一定規(guī)律，設(shè)計(jì)時要仔細(xì)觀察，SH7709S的指令集可以分為n、nm和md等類型，找出規(guī)律可大大簡化程序設(shè)計(jì)。
5 人機(jī)對話界面設(shè)計(jì)
　　用戶主機(jī)上的串口通信軟件，如Hypertrm，只顯示接收的字符。為了在用戶輸入命令的同時把命令字符顯示到屏幕上，自開發(fā)軟件需要把接收到的字符再發(fā)送一遍。有些特殊字符要特別處理，如用戶鍵入backspace后，軟件應(yīng)發(fā)送退格、空格、退格三個字符才能得到backspace鍵效果。
　　圖5是實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的流程圖，當(dāng)用戶輸入回車符后，認(rèn)為一個命令輸入完畢。命令中可能會含有一些多余的空格，要先把這些空格剔除并整定成要求的格式。有些命令需要經(jīng)常執(zhí)行，如單步、查看內(nèi)容等。把這些命令設(shè)定為需要標(biāo)記的命令，輸入一次后，再輸入回車即可重復(fù)執(zhí)行。