第6讲 AVR CPU模拟器
软件模拟器是利用PC的CPU来模拟单片机的运行，在模拟运行的过程中，通过监测程序的运行方向、时间、寄存器及变量值等关键因素来分析程序，找出问题并最终加以解决。Atmel Studio 6.1集成开发环境内部集成了专门针对AVR CPU的软件模拟器，可以模拟其运行过程。使用软件模拟器不需要硬件编程器或实验板的配合，就能以视图的形式直观地呈现出处理器、存储器、通信和模拟接口的状态，还可以对程序进行监测和调试。以下，我们就使用已经写好的流水灯程序为例，示范如何使用Atmel Studio 6.1中的软件模拟器对程序进行仿真调试。
4.2.1
程序的调试
1）将调试器设为软件模拟器。开始调试前，需要对编译器的调试器进行设定。右击“LED2”项目，在弹出的菜单中选择“Properties”项，如图4-7所示。
在“LED2”属性对话框中，选择“Tool”选项卡，在“Selected debugger/programmer”下拉列表中选择“Simulator”项，将调试器设定成“软件模拟器”，如图4-8所示。
2）编译程序。在开始调试前，需要对程序进行一次编译，否则调试不能正确进行。单击编译按钮，编译源程序。
3）使用调试按钮。Atmel Studio 6.1集成开发环境的调试功能可以通过使用按钮来完成，这些按钮如图4-9所示。
上述调试按钮所能完成的功能同样可以在“Debug”菜单下找到。接下来，我们要分别介绍一下这些调试按钮的功能。
4）进入调试模式。点击工具栏上的“开始调试并暂停”按钮（图4-10中箭头1所指位置），可以进入调试模式。
这时软件的界面已经发生了变化，程序指针（黄色箭头）停留在了程序的起始位置，表示接下来程序将会从此处开始运行。用鼠标拖动黄色箭头可以更改程序的执行位置（图4-10中圈2所示位置）。在软件窗口右侧出现了多个选项卡，这里需要特别关注的有两个，一个是“Processor”页（图4-10中箭头3所指位置），里面包含了与处理器相关的频率、周期、寄存器等相关信息。另一个是“IO View”页（图4-10中箭头4所指位置），里面包含了IO寄存器的相关信息。
进入调试模式后，软件窗口的右下方出现的是存储器观察窗口。在这个窗口中，通过点击“Memory”项后面的下拉列表，可以选择不同的存储器观察对象，用于观察Flash、数据寄存器、E2PROM等介质的存储状态。软件窗口的左下方是“Watch1”观察窗口，可以通过“快速建立观察窗口”按钮来为其添加新的观察内容。
5）模拟调试。鼠标单击“IO View”标签，打开“IO View”页（图4-10箭头4所指位置），可以看到软件右侧界面如图4-11所示。
在“IO View”页中，列出了多个IO寄存器的相关信息。如果需要查看PORTC端口的状态，可以用鼠标单击“PORTC”项（图4-11中箭头2所指位置），在“IO View”页下方会出现它的子窗口，子窗口中列出的是与PORTC相关的三个寄存器的信息。
鼠标单击“Step Over”按钮（图4-11中箭头3所指位置），程序单步运行，指针顺序下移，当程序指针移至图中箭头4所指位置时，PORTC相关的三个寄存器的状态会以图示的方式显示在PORTC的子窗口中（图4-11中箭头5位置）。
4.2.2
设立观察窗口
在调试的过程中，也可以使用观察窗口来查看寄存器的状态、时间值、变量值等。设立观察窗口的方法是在菜单栏中，选择“Debug”－“Windows”，打开调试窗口菜单，在此菜单中可以开启多个观察窗口，如图4-12所示。
也可以使用工具栏上的按钮来打开调试窗口菜单。方法是鼠标单击“Breakpoints”按钮旁边的下三角形图标，同样会弹出调试窗口菜单，如图4-13所示。
在调试窗口菜单中选择“Output”项，打开“Output”观察窗口，如图4-14中箭头所指位置所示。
4.2.3
添加断点
为了便于调试，可以在程序运行的过程中设置一个或多个断点（Breakpoints），程序运行至断点处会自动停止。程序再次启动时，会从断点处继续运行。在Atmel Studio 6.1集成开发环境中，设置断点的方法有多种，最简单的是用鼠标右键单击要添加断点的程序行，在弹出的菜单中选择“Breakpoint”－“Insert Breakpoint”，具体方法如图4-15所示。
这时，在程序行的前面会出现红色的“B”形图标，表示断点已经设置完毕，如图4-16所示。
再次在该程序行上右击，在弹出的菜单中选择“Breakpoint”－“Delete Breakpoint”，可以删除断点。在菜单中选择“Breakpoint”－“Disable Breakpoint”，可以禁用断点，具体操作如图4-17所示。
禁用后的断点如图4-18所示。
4.2.4
更改模拟CPU的时钟频率
在图4-19所示的处理器观察窗口中，“Cycle Counter”是周期计数器，指示程序运行消耗的时钟周期；“Frequency”是CPU的工作频率，模拟器默认的时钟频率是1MHz；“Stop Watch”是跑表计时器，用于查看程序运行所需的时间。在对于时间敏感的模拟应用中，需要将CPU的时钟频率调整至与实际工作时的时钟一致，这样才能模拟出正确的时序来。更改模拟CPU时钟的办法是在“Processor”页中，单击“Frequency”项后面的频率值，将其直接更改成我们想要的频率（以MHz为单位），具体方法如图4-19所示。
CPU的频率更改完成后，我们会发现“Stop Watch”的时间值也会随之改变，这一点不难理解，因为CPU的频率改变后，执行相同个数的指令所需要的时间是不同的。在调试过程中，有时为了计时的方便，需将时间值清零，即复位跑表，方法是鼠标右击“Stop Watch”项，在弹出的菜单中选择“Reset Stop Watch”项，即可将时间值清零，具体操作如图4-20箭头位置所示。
4.2.1
程序的调试
1）将调试器设为软件模拟器。开始调试前，需要对编译器的调试器进行设定。右击“LED2”项目，在弹出的菜单中选择“Properties”项，如图4-7所示。
在“LED2”属性对话框中，选择“Tool”选项卡，在“Selected debugger/programmer”下拉列表中选择“Simulator”项，将调试器设定成“软件模拟器”，如图4-8所示。
2）编译程序。在开始调试前，需要对程序进行一次编译，否则调试不能正确进行。单击编译按钮，编译源程序。
3）使用调试按钮。Atmel Studio 6.1集成开发环境的调试功能可以通过使用按钮来完成，这些按钮如图4-9所示。
上述调试按钮所能完成的功能同样可以在“Debug”菜单下找到。接下来，我们要分别介绍一下这些调试按钮的功能。
4）进入调试模式。点击工具栏上的“开始调试并暂停”按钮（图4-10中箭头1所指位置），可以进入调试模式。
这时软件的界面已经发生了变化，程序指针（黄色箭头）停留在了程序的起始位置，表示接下来程序将会从此处开始运行。用鼠标拖动黄色箭头可以更改程序的执行位置（图4-10中圈2所示位置）。在软件窗口右侧出现了多个选项卡，这里需要特别关注的有两个，一个是“Processor”页（图4-10中箭头3所指位置），里面包含了与处理器相关的频率、周期、寄存器等相关信息。另一个是“IO View”页（图4-10中箭头4所指位置），里面包含了IO寄存器的相关信息。
进入调试模式后，软件窗口的右下方出现的是存储器观察窗口。在这个窗口中，通过点击“Memory”项后面的下拉列表，可以选择不同的存储器观察对象，用于观察Flash、数据寄存器、E2PROM等介质的存储状态。软件窗口的左下方是“Watch1”观察窗口，可以通过“快速建立观察窗口”按钮来为其添加新的观察内容。
5）模拟调试。鼠标单击“IO View”标签，打开“IO View”页（图4-10箭头4所指位置），可以看到软件右侧界面如图4-11所示。
在“IO View”页中，列出了多个IO寄存器的相关信息。如果需要查看PORTC端口的状态，可以用鼠标单击“PORTC”项（图4-11中箭头2所指位置），在“IO View”页下方会出现它的子窗口，子窗口中列出的是与PORTC相关的三个寄存器的信息。
鼠标单击“Step Over”按钮（图4-11中箭头3所指位置），程序单步运行，指针顺序下移，当程序指针移至图中箭头4所指位置时，PORTC相关的三个寄存器的状态会以图示的方式显示在PORTC的子窗口中（图4-11中箭头5位置）。
4.2.2
设立观察窗口
在调试的过程中，也可以使用观察窗口来查看寄存器的状态、时间值、变量值等。设立观察窗口的方法是在菜单栏中，选择“Debug”－“Windows”，打开调试窗口菜单，在此菜单中可以开启多个观察窗口，如图4-12所示。
也可以使用工具栏上的按钮来打开调试窗口菜单。方法是鼠标单击“Breakpoints”按钮旁边的下三角形图标，同样会弹出调试窗口菜单，如图4-13所示。
在调试窗口菜单中选择“Output”项，打开“Output”观察窗口，如图4-14中箭头所指位置所示。
4.2.3
添加断点
为了便于调试，可以在程序运行的过程中设置一个或多个断点（Breakpoints），程序运行至断点处会自动停止。程序再次启动时，会从断点处继续运行。在Atmel Studio 6.1集成开发环境中，设置断点的方法有多种，最简单的是用鼠标右键单击要添加断点的程序行，在弹出的菜单中选择“Breakpoint”－“Insert Breakpoint”，具体方法如图4-15所示。
这时，在程序行的前面会出现红色的“B”形图标，表示断点已经设置完毕，如图4-16所示。
再次在该程序行上右击，在弹出的菜单中选择“Breakpoint”－“Delete Breakpoint”，可以删除断点。在菜单中选择“Breakpoint”－“Disable Breakpoint”，可以禁用断点，具体操作如图4-17所示。
禁用后的断点如图4-18所示。
4.2.4
更改模拟CPU的时钟频率
在图4-19所示的处理器观察窗口中，“Cycle Counter”是周期计数器，指示程序运行消耗的时钟周期；“Frequency”是CPU的工作频率，模拟器默认的时钟频率是1MHz；“Stop Watch”是跑表计时器，用于查看程序运行所需的时间。在对于时间敏感的模拟应用中，需要将CPU的时钟频率调整至与实际工作时的时钟一致，这样才能模拟出正确的时序来。更改模拟CPU时钟的办法是在“Processor”页中，单击“Frequency”项后面的频率值，将其直接更改成我们想要的频率（以MHz为单位），具体方法如图4-19所示。
CPU的频率更改完成后，我们会发现“Stop Watch”的时间值也会随之改变，这一点不难理解，因为CPU的频率改变后，执行相同个数的指令所需要的时间是不同的。在调试过程中，有时为了计时的方便，需将时间值清零，即复位跑表，方法是鼠标右击“Stop Watch”项，在弹出的菜单中选择“Reset Stop Watch”项，即可将时间值清零，具体操作如图4-20箭头位置所示。
上一节
第5讲 AVR的仿真
第5讲 AVR的仿真
下一节
第7讲 熔丝位与锁定位
第7讲 熔丝位与锁定位
微信分享
评论评论:
相关文章
《火星救援》里的科学
本文是一篇最全最良心却也最接地气的《火星救援》大科普，文科生也看得懂！
ESP32 Arduino 开发框架
Arduino开发环境下适用于ESP32芯片系列开发板的应用开发框架。
Processing入门指南
Processing是一款免费开源的互动编程软件，它是一种以数字艺术为背景的程序语言，主要面向计算机程序员和数字艺术家。
《基于计算思维的Scratch项目式编程》
本教程主旨是在项目式编程中提升计算思维能力，编程工具选用Scratch，讲解体例是模拟实际的软件项目开发流程，从需求分析到总体设计再到详细设计以及编程实现和代码调试，在学习过程中建立一种整体化、系统化地解决问题的思维方式。
Raspberry Pi Pico TFT LCD 触摸屏使用教程
本教程将向您展示如何使用micropython脚本设置Pico和TFT触摸显示屏。您将学习如何使用触摸屏控制Pico以及如何在屏幕上显示信息。
ESP32 I2C
ESP32有2个硬件I2C总线接口，接口可以配置为主机或从机模式。
Arduino 随机数
要生成随机数，可以使用Arduino随机数函数random()。
46亿年的奇迹 : 地球简史
一套拥有13本书，50个专题，1000+科学条目和知识点，近3000张绝美配图的科普读物。
Arduino Serial 接收数字
在Arduino中，通过串行端口接收数字通常涉及使用Serial.read()、Serial.readString()、Serial.parseInt()等方法。
AVR单片机基础教程
作者：高显生 共18讲AVR系列单片机是8位单片机中第一个真正的RISC结构单片机，它采用了大型快速存取寄存器组、快速的单周期指令系统以及单级流水线等诸多先进技术，使得AVR单片机具备了高达1MIPS/MHz的运行处理能力。
课程
推荐文章
微信分享
