Khóa luận Các kỹ thuật gỡ lỗi trong việc phát triển hệ thống nhúng với ngôn ngữ C

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Ngô Thị Nga CÁC KỸ THUẬT GỠ LỖI TRONG VIỆC PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG NHÚNG VỚI NGÔN NGỮ C KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin HÀ NỘI - 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Ngô Thị Nga CÁC KỸ THUẬT GỠ LỖI TRONG VIỆC PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG NHÚNG VỚI NGÔN NGỮ C KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hướng dẫn: TS. Đặng Văn Hưng Cán bộ đồng hướng dẫn: ThS. Vũ Quang Dũng HÀ NỘI - 2010 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Bộ môn Công nghệ phần mềm, Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập, rèn luyện và thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả thầy cô trong trường đã giúp đỡ, dìu dắt em từ những ngày đầu tiên nhập trường. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS. Đặng Văn Hưng, TS. Trần Thị Minh Châu, ThS. Vũ Quang Dũng, những thầy cô đã cho em định hướng, tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình tìm hiểu về hệ thống nhúng, cùng các kiến thức cần thiết khác để em hoàn thành khóa luận. Em xin gửi những lời cảm ơn, những tình cảm thương yêu tới gia đình, và người thân. Những người luôn bên em, động viên em cả về tinh thần và vật chất trong thời gian qua. Trong quá trình thực hiện khóa luận, em cũng đã nhận được nhiều sự chia sẻ, giúp đỡ, động viên của các thành viên lớp Công nghệ phần mềm K51, và của những thành viên trong diễn đàn sinh viên Đại học Công nghệ. Tôi xin gửi tới các bạn sự biết ơn sâu sắc. Đề tài “Các kỹ thuật gỡ lỗi trong việc phát triển hệ thống nhúng với ngôn ngữ C ” là một đề tài khá khó, lại được hoàn thành trong quỹ thời gian hạn hẹp nên khó tránh khỏi những khiếm khuyết. Em mong nhận được những góp ý chân thành từ thầy cô giáo và các bạn để đề tài có thể mở rộng và nghiên cứu kỹ hơn, đưa vào trong thực tiễn ngành công nghệ thông tin hiện nay. Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2010 Sinh viên Ngô Thị Nga i TÓM TẮT KHÓA LUẬN Khóa luận tập trung trình bày tổng quan về hệ thống nhúng, định nghĩa, đặc trưng của hệ thống, những khó khăn trong việc tìm hiểu một hệ thống nhúng. Sau đó, khóa luận đưa ra những kỹ thuật gỡ lỗi thường được áp dụng trên hệ thống nhúng, trong đó bao gồm cả các kỹ thuật gỡ lỗi dựa trên các công cụ phần mềm và công cụ phần cứng. Từ đó, khóa luận lựa chọn trình bày công cụ gỡ lỗi µVision của công ty Keil ARM, đây là một công cụ mạnh về gỡ lỗi theo kỹ thuật mô phỏng – một kỹ thuật được các kỹ sư lập trình áp dụng rất nhiều trong thực tế. Để minh họa cho việc áp dụng kỹ thuật gỡ lỗi và sử dụng công cụ gỡ lỗi, khóa luận xây dựng các chương trình phần mềm ứng dụng nhỏ là Đèn led nhấp nháy và Hello World – truyền các chuỗi ký tự ra cổng nối tiếp. Khóa luận áp dụng kỹ thuật và công cụ gỡ lỗi trên hai chương trình đó. ii MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU.............................................................................................1 1.1. Đặt vấn đề......................................................................................................1 1.2. Đề tài, đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu.............................1 1.3. Mục tiêu của khóa luận..................................................................................2 1.4. Cấu trúc của khóa luận...................................................................................2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN.....................................................................................3 2.1. Hệ thống nhúng..............................................................................................3 2.1.1. Hệ thống nhúng là gì? ............................................................................3 2.1.2. Các thiết bị phần cứng thông thường......................................................3 2.1.3. Đặc trưng của hệ thống nhúng................................................................6 2.1.4. Ví dụ về hệ thống nhúng ........................................................................8 2.2. Sự lựa chọn ngôn ngữ lập trình cho hệ thống nhúng......................................8 CHƯƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT GỠ LỖI ..............................................................10 3.1. Gỡ lỗi...........................................................................................................10 3.1.1. Gỡ lỗi trong quá trình phát triển hệ thống nhúng..................................10 3.1.2. Định nghĩa gỡ lỗi ..................................................................................11 3.1.3. Tầm quan trọng của việc gỡ lỗi.............................................................12 3.1.4. Mục đích của quá trình gỡ lỗi ..............................................................12 3.2. Kiểm thử trên máy chủ ................................................................................13 3.2.1. Kỹ thuật cơ bản ....................................................................................13 3.2.2. Gọi các thường trình ngắt .....................................................................15 3.2.3. Gọi thường trình ngắt định thời ............................................................15 3.2.4. Các tệp kịch bản và tệp kết xuất ...........................................................15 3.2.5. Những phản đối, hạn chế và nhược điểm..............................................16 3.3. Bộ mô phỏng ...............................................................................................17 3.4. Sử dụng macro assert ..................................................................................20 3.5. Sử dụng các công cụ trong phòng thí nghiệm ..............................................21 3.5.1. Máy hiện sóng ......................................................................................22 3.5.2. Bộ phân tích logic (Logic Analyzer) ....................................................24 3.5.2.1. Bộ phân tích logic theo chế độ thời gian .......................................26 3.5.2.2. Bộ phân tích logic theo chế độ trạng thái ......................................26 3.5.3. Bộ mô phỏng trong mạch .....................................................................28 CHƯƠNG 4: CÔNG CỤ GỠ LỖI...........................................................................31 4.1. Lý do chọn họ vi xử lý ARM........................................................................31 4.2. Giới thiệu công cụ µVision...........................................................................32 4.3. Các chức năng chính của công cụ µVision ..................................................33 4.3.1. Các chức năng của µVision IDE...........................................................33 4.3.2. Các chức năng của µVision Debugger..................................................35 4.4. Ưu điểm của µVision ...................................................................................37 4.4.1. Ưu điểm của µVision IDE.....................................................................37 4.4.2. Ưu điểm của µVision Simulator...........................................................38 iii 4.5. Một số hạn chế của µVision phiên bản dùng thử .........................................38 4.6. Cài đặt..........................................................................................................39 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG CÔNG CỤ µVISION VÀO VIỆC GỠ LỖI...............41 5.1. Vi điều khiển LPC2148................................................................................41 5.2. Chương trình “Đèn led nhấp nháy”..............................................................41 5.3. Chương trình Hello world............................................................................43 5.4. Nhận xét.......................................................................................................45 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN.......................................................................................47 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................49 PHỤ LỤC: CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA VI ĐIỀU KHIỂN LPC2148......50 iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hinh 2.1. Hệ thống nhúng thông thường Hình 3.1. Quá trình phát triển phần mềm nhúng Hình 3.2. Hệ thống kiểm thử Hình 3.3. Đồ thị máy hiện sóng Hình 3.4. Máy hiện sóng Hình 3.5. Bộ phân tích logic Hình 3.6. Chế độ thời gian của bộ phân tích logic Hình 3.7. Chế độ trạng thái của bộ phân tích logic Hình 4.1. Mẫu đăng ký sử dụng phần mềm Keil Hình 4.2. Giao diện IDE Hình 4.3. Giao diện của Debugger Hình 5.1. Kết quả chạy chương trình Led Hình 5.2. Kết quả chạy chương trình Hello world DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Họ vi xử lý ARM Bảng 3.1. Hàm NDEBUG Bảng 4.1. Các chức năng của MicroVision IDE Bảng 4.2. Các chức năng của MicroVision Debugger Bảng 5.1. Chương trình Led.c Bảng 5.2. Chương trình Hello.c v DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VÀ KHÁI NIỆM Thuật ngữ Khái niệm AGSI Advanced Simulation Interface – Giao diện mô phỏng nâng cao. ARM Advanced RISC Machine – Máy có bộ lệnh RISC mở rộng. AVR Đây là cấu trúc RISC 8 – bit của công ty Atmel. Big - Endian Bộ nhớ lưu các ký tự quan trọng nhất ở các bit địa chỉ thấp nhất. Cross–compiler Biên dịch chéo. Debugger Bộ gỡ lỗi. DWARF Đây là một định dạng tập tin gỡ lỗi được dùng trong nhiều trình biên dịch. ELF Executable and Linkable Format hay Extensible Linking Format – Tệp tin lưu dưới dạng thực thi và liên kết. Ground Điện áp bằng 0, tình trạng nối đất. ICE In – circuit Emulator – Bộ mô phỏng trong mạch. IDE Intergrated Development Environment – Môi trường phát triển tích hợp. ISS Instruction Set Simulator – Bộ mô phỏng tập lệnh. LED Light Emitting Diode – Đèn hai cực quang phát xạ. Linker/ Locator Bộ liên kết/ Định vị. Little - endian Bộ nhớ lưu các ký tự quan trọng nhất ở các bit địa chỉ cao nhất. MIPS Million Intruction Per Second – Số triệu dòng lệnh thực hiện trong một giây, Overlay memory Bộ nhớ nạp chồng. RAM Random Access Memory – Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên. RE Read Enable signal – Tín hiệu cho phép đọc từ ROM. RISC Reduced Instruction Set Computing – Máy tính dùng tập lệnh rút gọn. ROM Read Only Memory – Bộ nhớ chỉ đọc. vi Thuật ngữ Khái niệm RTOS Real Time Operating System – Hệ điều hành thời gian thực. Symbolic Output Format Định dạng kết xuất ký hiệu. VCC Voltage Connected to Collector – Điệp áp kết nối bộ gom – VCC thường đại diện cho điện áp ở mức cao (High). vii CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Ngày nay, chúng ta có thể nhìn thấy các thiết bị nhúng ở khắp mọi nơi xung quanh ta từ những vật dụng đơn giản như chiếc đồng hồ điện tử, lò vi sóng, tủ lạnh, máy điện thoại di dộng, máy in, máy ảnh kỹ thuật số... đến những hệ thống lớn như các hệ thống điều khiển các dây chuyền sản xuất trong công nghiệp, điều khiển các hoạt động trong lò phản ứng hạt nhân... Chúng ta khó mà có thể tìm được một thiết bị điện tử mà bên trong nó không có một vài vi xử lý, vi điều khiển. Đặc biệt là các họ vi xử lý ARM đã được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị nhúng. Các hệ thống nhúng ngày càng phát triển, các phần mềm để điều khiển cho các thiết bị cũng ngày càng đa dạng. Vì vậy, các nhà sản xuất cần đảm bảo cho các thiết bị của mình đến được tay người dùng với độ ổn định, hiệu quả và ít lỗi nhất có thể. Quá trình gỡ lỗi sẽ đảm bảo cho sản phẩm có chất lượng tốt nhất. Hiện nay, có rất nhiều công cụ gỡ lỗi cho hệ thống nhúng, các kỹ sư lập trình cần phải chọn cho mình được một công cụ gỡ lỗi phù hợp với thiết bị của mình để đạt hiệu quả gỡ lỗi cao nhất. 1.2. Đề tài, đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu Đề tài của khóa luận là “Các kỹ thuật gỡ lỗi trong việc phát triển hệ thống nhúng với ngôn ngữ C”. Khóa luận mong muốn cung cấp cho các kỹ sư lập trình phần mềm nhúng một cái nhìn tổng quát về hệ thống, các kỹ thuật gỡ lỗi, công cụ gỡ lỗi. Đối tượng nghiên cứu chính trong đề tài là vi điều khiển LPC2148 của công ty Philips. Đây là một vi điều khiển được thiết kế dựa trên cấu trúc của vi xử lý ARM đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị, sản phẩm. Khóa luận tập trung tìm hiểu về lý thuyết hệ thống nhúng, các kỹ thuật gỡ lỗi, sau đó áp dụng các kiến thức đó vào thực hiện việc gỡ lỗi cho phần mềm nhúng. Khóa luận tập trung nghiên cứu kỹ thuật gỡ lỗi bằng phương pháp mô phỏng. Phương pháp này có ưu điểm là phổ biến, có nhiều công cụ, dễ sử dụng, được sự hỗ trợ lớn về mặt kiến thức và chuyên môn từ các nhà sản xuất và cộng đồng người sử dụng, có thể áp dụng phương pháp mô phỏng này khi phần cứng còn đang được phát triển, hay phần cứng không có sẵn. 1 1.3. Mục tiêu của khóa luận Để đạt được các vấn đề đã nêu ra, khoá luận sẽ lần lượt trình bày những kiến thức cần thiết để giải quyết yêu cầu trên. Khóa luận sẽ tập trung vào một số các vấn đề sau: • Tìm hiểu khái quát về hệ thống nhúng, các đặc điểm của hệ thống và việc lựa chọn các ngôn ngữ lập trình cho hệ thống. • Tìm hiểu các kỹ thuật gỡ lỗi cơ bản cho hệ thống nhúng. • Tìm hiểu công cụ gỡ lỗi µVision, các chức năng, ưu nhược điểm của chương trình. • Xây dựng chương trình, ứng dụng công cụ gỡ lỗi vào việc gỡ lỗi cho chương trình để thấy được những ưu nhược điểm của công cụ. 1.4. Cấu trúc của khóa luận Khóa luận được trình bày theo cấu trúc như sau: Chương mở đầu: Giới thiệu về đề tài, mục tiêu của khóa luận và cấu trúc khóa luận. Chương hai: Giới thiệu tổng quan về hệ thống nhúng, định nghĩa hệ thống nhúng, các đặc trưng của hệ thống và việc chọn lựa một ngôn ngữ lập trình phù hợp với hệ thống nhúng. Chương ba: Tiếp cận với các kỹ thuật gỡ lỗi thường dùng trong hệ thống nhúng: kiểm thử trên máy chủ, kiểm thử sử dụng bộ mô phỏng, macro assert và gỡ lỗi dùng các thiết bị phần cứng. Chương bốn: Tiếp cận tìm hiểu công cụ gỡ lỗi µVision của công ty Keil ARM, là một công cụ hỗ trợ việc gỡ lỗi rất hiệu quả cho các vi xử lý thuộc họ ARM, giới thiệu các chức năng, ưu nhược điểm của công cụ. Chương năm: Xây dựng ví dụ minh họa và áp dụng công cụ để gỡ lỗi cho các chương trình “Đèn led nhấp nháy” và “Hello world” bằng kỹ thuật mô phỏng để thực hiện mục tiêu của khóa luận. Chương sáu: Đánh giá kết quả khóa luận đã đạt được và nêu ra hướng phát triển trong tương lai của đề tài. 2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN Chương 2 giới thiệu tổng quan về: hệ thống nhúng: định nghĩa hệ thống nhúng, đặc trưng của hệ thống, ví dụ về hệ thống. Và sự lựa chọn ngôn ngữ lập trình cho hệ thống nhúng. 2.1. Hệ thống nhúng 2.1.1. Hệ thống nhúng là gì? Thuật ngữ hệ thống nhúng thường được dùng để chỉ bất kỳ hệ thống máy tính nào ẩn chứa bên trong các thiết bị, hệ thống [4]. Bên cạnh đó còn có nhiều định nghĩa khác cho khái niệm hệ thống nhúng. Dưới đây là một khái niệm được đưa ra trong từ điển Các hệ thống nhúng: “Hệ thống nhúng là một sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm của máy tính và có thể có thêm các thiết bị cơ khí hay các bộ phận khác, nó được thiết kế để thực hiện một chức năng cụ thể”. [2] Trong vài trường hợp, hệ thống nhúng có thể chỉ là một phần nhỏ trong một hệ thống lớn như trong các thiết bị điều khiển xe hơi. Bởi những thiết kế của hệ thống nhúng là để phục vụ cho một vài chức năng cụ thể đã được định trước như là bộ phận hẹn giờ trong lò vi sóng, hệ thống điều khiển đèn giao thông,... nên nó khác với các máy tính cá nhân thông thường – hệ thống có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau do người dùng cài đặt. [1] 2.1.2. Các thiết bị phần cứng thông thường Bất kỳ một hệ thống thông thường nào cũng đều có các thành phần cấu thành nên nó. Một hệ thống nhúng thông thường sẽ gồm có một số thành phần như hình 2.1 sau: Hình 2.1. Hệ thống nhúng thông thường 3 Mỗi hệ thống đều cần có vi xử lý để điều khiển các thông tin và dữ liệu trong hệ thống. Trong các thiết bị gia dụng như lò vi sóng, nồi cơm điện, hay chiếc điện thoại cũng có ít nhất một bộ vi xử lý. Các vi xử lý được chia làm hai loại: bộ vi xử lý chính dùng để điều khiển các thiết bị trung tâm, và các vi xử lý phụ được thêm vào để mở rộng các tập lệnh của vi xử lý chính, quản lý bộ nhớ, các đường truyền, và các thiết bị nhập xuất. Trong các thiết bị nhúng, vi xử lý chính thường là các vi điều khiển, để phù hợp với các phần mềm, các chương trình rất nhỏ ẩn chứa bên trong những thiết bị. Các vi xử lý giống như bộ não của con người, nếu không có nó thì các thiết bị không thể hoạt động được. Chính vì thế, vi xử lý đóng vai trò trung tâm, quan trọng nhất trong thiết bị. Thiết bị nhúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vưc, nó cũng tiêu thụ nhiều nhất số vi xử lý được sản xuất ra hàng năm. Các họ vi xử lý được phát triển và ứng dụng rộng rãi là 8051 của Intel, họ AVR của Atmel, họ ARM của công ty ARM,... trong các họ này thì các thiết bị được xây dựng trên nền tảng thiết kế của ARM là phổ biến nhất. Bảng 2.1 sẽ đưa ra một số vi xử lý của họ ARM và ứng dụng của chúng trong các thiết bị điện tử. 4 Bảng 2.1. Một số họ vi xử lý ARM và ứng dụng của nó [10] Họ Lõi Đặc tính MIPS điển hình/ MHz Ứng dụng ARM7T DMI ARM7TDMI (-S) 3-tầng pipeline 15 MIPS/ 16.8 MHz Game Boy Advance, Nintendo DS, iPod ARM9E ARM946E-S Nintendo DS, Nokia N-Gage, Conexant 802.11 chip ARM966E-S ST Micro STR91xF, gồm cạc Ethernet ARM926EJ- S Jazelle DBX 220 MIPS/ 200 MHz Điện thoại di động: Sony Ericsson (K, W series),Siemens và Benq (đời x65 và đời mới hơn) Cortex Cortex-A8 NEON, Jazelle RCT, Thumb-2 Texas Instruments OMAP3 Cortex-R4 600 DMIPS Broadcom là một hãng sử dụng Cortex-M3 120 DMIPS/ 100MHz Họ vi điều khiển Luminary Micro XScale PXA27x 800 MIPS/ 624 MHz HTC Universal, Zaurus SL-C1000 PXA900 Blackberry 8700 IXP460/IXP 465 Một hệ thống nhúng cần sử dụng bộ nhớ cho hai mục đích: để lưu trữ chương trình và lưu trữ dữ liệu. Không giống như một hệ thống máy tính cá nhân – các chương trình và dữ liệu đuợc lưu trong những phần bộ nhớ giống nhau, hệ thống nhúng dùng các bộ nhớ khác nhau cho các mục đích khác nhau. Bởi vì thông thường một hệ thống nhúng không có ổ đĩa cứng để nạp chương trình, chương trình phải được lưu trong bộ nhớ, thậm chí ngay cả khi tắt nguồn. Bộ nhớ của hệ thống nhúng thường là: bộ nhớ chỉ đọc (ROM), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) và có thể là cả bộ nhớ mở rộng với các hệ thống lớn. [4] 5 Các hệ thống nhúng cũng có thể chứa các thiết bị đầu vào và thiết bị đầu ra. Ví dụ như trong các máy điện thoại di động, thiết bị đầu vào là các nút bấm trên bề mặt điện thoại, và thiết bị đầu ra là màn hình điện thoại và loa. Các thiết bị đầu vào của hệ thống nhúng thường ở dưới dạng các thiết bị cảm biến, đầu dò, tín hiệu, hay các nút bấm. Các thiết bị đầu ra của hệ thống thường là màn hình và các tín hiệu. Hệ thống nhúng không giống các máy vi tính thông thường, có một số thành phần của máy vi tính có thể sẽ không có trong hệ thống nhúng. Các thành phần đó là: • Bàn phím: Một số hệ thống có thể có vài nút bấm để người dùng nhập dữ liệu đầu vào, như là máy in, nhưng cũng có những hệ thống không có bàn phím như là máy điện báo. • Chuột: Đối với những máy tính thông thường thì chuột máy tính sẽ làm cho việc sử dụng máy tính được dễ dàng, thuận lợi hơn. Nhưng trong hầu hết các hệ thống nhúng thì chuột đều không xuất hiện. Các tác vụ mà chúng ta thực hiện với hệ thống thường được kích hoạt qua các nút bấm, các cảm biến điện tử. • Màn hình: Nhiều hệ thống sẽ có một màn hình tinh thể lỏng hiển thị vài chức năng đặc trưng, ví dụ như máy giặt thì có một màn hình hiển thị chế độ đang giặt. Hay một số hệ thống chỉ có điốt phát quang để báo hiệu thiết bị đang ở chế độ nào, ví dụ như máy in có đèn nháy để biết rằng máy đang ở chế độ in hay chế độ chờ. • Ổ đĩa cứng: Do thiết kế nhỏ gọn, nên các hệ thống nhúng thường không có ổ đĩa cứng gắn rời bên ngoài mà các chương trình