中心議題：
- 邏輯分析儀介紹
- 邏輯分析儀的應用
- 配合調(diào)試工具單步調(diào)試程序
如今，嵌入式系統(tǒng)的功能越來越強，但設(shè)計和驗證問題也變得越來越復雜。善用邏輯分析儀，可以提高查找和解決問題的效率，尤其是最困擾嵌入式系統(tǒng)工程師的時序問題和一些硬件本身固有的問題。
邏輯分析儀介紹
邏輯分析儀(Logic Analyzer)是一種數(shù)字數(shù)據(jù)域測試的常用儀器，它可以把測試通道上的邏輯信號捕捉并存儲下來，供設(shè)計人員分析。與示波器相比，邏輯分析儀具有測量通道數(shù)多(一般有32個通道)；觸發(fā)功能完善；分析功能強大等優(yōu)點。
邏輯分析儀主要的技術(shù)指標有：
* 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，能同時捕獲的信號數(shù)也就越多。
* 存儲深度：存儲深度越大，能夠記錄的數(shù)據(jù)就越多。
* 輸入阻抗：輸入阻抗越高，對被測信號的影響越小。
* 觸發(fā)方式：觸發(fā)方式越多，使用起來越靈活。
其它技術(shù)指標還有：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：傳統(tǒng)邏輯分析儀和虛擬邏輯分析儀。傳統(tǒng)邏輯分析儀功能強大，數(shù)據(jù)采集、分析和波形顯示融于一身，但是價格十分昂貴；虛擬邏輯分析儀是PC技術(shù)和測量技術(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機去完成，因此不會對邏輯分析儀性能造成影響，同時節(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)價廉、方面使用等優(yōu)點。
圖1 液晶時序圖
圖2 驅(qū)動數(shù)碼管的時序圖
圖3 讀寫E2PROM存儲器時序圖
圖4 經(jīng)I2C分析插件解碼后的時序圖[page]
圖5 SD卡CMD0命令時序圖
應用
通常，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計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)動程序的測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)試中的應用可以分為三個層次：
第一層：測試信號的時序和時間，這是邏輯分析儀最基本的應用；
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，調(diào)試驅(qū)動程序。
捕獲毛刺
由于信號間延時不同，多路信號同時變化的瞬間往往會導致邏輯電路輸出中一些不正確的尖峰信號，這些尖峰信號稱為“毛刺”。另外，如果設(shè)備運行的環(huán)境比較惡劣，也會有高頻信號串入電路，造成毛刺。如果讓“毛刺”進入時鐘、清零和置位等對毛刺敏感的輸入端口，將會使電路產(chǎn)生不可預知的結(jié)果。
確定關(guān)鍵信號的建立時間和保持時間
建立時間(setup time)是指在觸發(fā)器的時鐘信號上升沿到來以前，數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的時間，如果建立時間不夠，數(shù)據(jù)將不能在這個時鐘上升沿被打入觸發(fā)器；保持時間(hold time)是指在觸發(fā)器的時鐘信號上升沿到來以后，數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的時間，如果保持時間不夠，數(shù)據(jù)同樣不能被打入觸發(fā)器。
液晶既是一個慢速設(shè)備也是一個對時序很敏感的設(shè)備。如果數(shù)據(jù)的建立時間不夠，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序，并利用測量點來獲取建立時間和保持時間的信息。
驗證電路邏輯
電路設(shè)計好后，通常利用邏輯分析儀對輸入輸出信號進行采集分析，這樣可以比較可靠的驗證電路的邏輯功能。筆者為NiosII處理器設(shè)計了一個用于動態(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)鍵信號路徑上無“毛刺”干擾，且建立時間和保持時間符合器件時序要求后，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I2C總線對兩個外部E2PROM存儲器(器件地址分別是0xA0和0xA2)進行操作的時序圖如所示。
若工程師要根據(jù)邏輯電平的高低進行人工分析，顯然十分困難，更不要說區(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，可以啟動邏輯分析儀的I2C分析插件。
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)來完成軟件的調(diào)試，但隨著嵌入式系統(tǒng)復雜性的提高，單純的軟件調(diào)試已經(jīng)很難適應需求。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。借助邏輯分析儀可以發(fā)現(xiàn)許多隱匿很深的問題。例如，筆者在為NiosII處理器開發(fā)SD卡驅(qū)動的時候，遇到一個很奇怪的情況，SD卡命令已正確發(fā)送，邏輯分析儀也捕捉到了有效應答信號，如圖5所示，但是程序仍然返回應答信號等待超時錯誤。
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答信號，但是由SPI核讀入數(shù)據(jù)卻是0x80，即SD卡忙。最后，問題的原因是，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)動程序就可以正常工作了。
綜上所述，邏輯分析儀在嵌入式系統(tǒng)調(diào)試中的應用可以從基本數(shù)字電路的時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)動軟件。借助在線仿真器+邏輯分析儀這種新的調(diào)試平臺，可以提高查找和解決問題的效率，增加產(chǎn)品的可靠性并能加快產(chǎn)品的上市速度。
