飛思卡爾程序調(diào)試技巧

前言調(diào)試程序，是軟件開發(fā)過程中的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。這篇帖子，匠人試著來整理一下一些調(diào)試的技巧。說到“技巧”，這個(gè)詞自從被所長批臭之后，匠人就嚇得不敢再提，生怕一不小心就暴露了思想的淺薄和眼光的局限，呵呵。所以咱們不叫“技巧”，干脆低調(diào)點(diǎn)，就叫“雕蟲小技”吧。這里所討論的“調(diào)試”技巧，有些是必須結(jié)合開發(fā)工具本身的功能來實(shí)現(xiàn)，而有些可以通過燒錄芯片來驗(yàn)證。各種開發(fā)工具，提供的功能多少強(qiáng)弱也不盡相同，這些方法也未必都能套用。僅供參考吧。最后說明一下，這是沒有草稿的帖子，匠人仍然以不定期連載的方式，邊寫邊發(fā)邊改?？赡芙Y(jié)構(gòu)會(huì)比較混亂。歡迎大家一起參與討論。磨刀不誤砍柴功在調(diào)試之前，需要掌握以下一些基本功：1、熟悉當(dāng)前的開發(fā)（調(diào)試）環(huán)境，比如：設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行、全速運(yùn)行、終止運(yùn)行，查看RAM、查看堆棧、查看IO口狀態(tài)……總之，要熟練掌握基本操作的方法，并深刻了解其中意義。2、 了解芯片本身的資源和特性。3、 了解一點(diǎn)匯編語言的知識(shí)。（本來匠人是準(zhǔn)備寫“精通”的，但考慮到現(xiàn)狀，還是“放低”這方面的要求罷了）。4、 掌握基本的電路知識(shí)和排錯(cuò)能力。（軟件調(diào)試有時(shí)也會(huì)牽涉到硬件原因。總不能連三極管的好壞都不能識(shí)別吧？）5、 萬用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器……這些工具總該會(huì)用吧？6、 搜索、鑒別資料的能力。（內(nèi)事問百度、外事問古狗、有事沒事上21ic網(wǎng)）7、 與人溝通，描述問題的能力。（調(diào)試36計(jì)的最后一計(jì)——就是向他人討教。當(dāng)然，你得把話說明白才行）差不多了，如果上述7把砍柴刀磨好了，就可以開始調(diào)試了。接下來，請(qǐng)調(diào)入你的程序……優(yōu)先調(diào)試人機(jī)界面面對(duì)程序中的一大堆模塊，無從下手是嗎？好吧，匠人告訴你，先調(diào)顯示模塊，然后是鍵盤。為什么要先調(diào)顯示模塊？道理很簡單，我們說“眼睛是心靈的窗戶”，同樣，“顯示是程序的窗戶”。一旦把顯示模塊調(diào)試好了，就可以通過這個(gè)窗口，偷窺（天吶，這兩個(gè)居然是敏感字?。┏绦騼?nèi)部的數(shù)據(jù)和狀態(tài)了。然后緊接著，就是調(diào)試鍵盤模塊。有了這個(gè)按鍵，我們就可以人工干預(yù)程序的運(yùn)行了?！裁矗愕某绦驔]有顯示和按鍵？——這位童鞋，你真不幸，請(qǐng)去檢查一下自己的人品和星座運(yùn)程先。謝謝。實(shí)在是沒顯示？再看看系統(tǒng)有蜂鳴器嗎？如果僥幸有的話，也能湊合著發(fā)發(fā)提示聲音吧？或者，有串口嗎？可以考慮借助PC端的串口調(diào)試軟件來收發(fā)數(shù)據(jù)，這也是一個(gè)間接的人機(jī)交流方法?？偠灾?，要盡快建立人機(jī)交流界面。四、慢鏡頭的威力四、2009年春晚捧紅了魔術(shù)師劉謙（這位老兄名“謙”，其實(shí)一點(diǎn)都不謙虛——長的帥不是錯(cuò)，出來拽就是罪過了?。?，也勾起了大家對(duì)魔術(shù)的濃厚興趣，如何識(shí)破那些快速的眼花繚亂的魔術(shù)手法呢？很簡單，用慢鏡頭回放即可。據(jù)說劉謙那個(gè)橡皮筋魔術(shù)的手法就是被人如此識(shí)破的?；氐轿覀儐纹瑱C(jī)上來。我們知道，單片機(jī)的運(yùn)行速度，一般都是在幾M到幾十M（當(dāng)然，也有為了節(jié)能而采用幾十K的低速）。不管怎么樣，這個(gè)速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們?nèi)搜勰軌蚍直娴乃俣?。眼睛一?也許幾M條指令已經(jīng)執(zhí)行過去了。比如說數(shù)碼管顯示（假設(shè)有4位數(shù)碼管）。平時(shí)我們看到數(shù)碼管同時(shí)點(diǎn)亮著，但是實(shí)際上，這4個(gè)數(shù)碼管是逐個(gè)掃描的。在任意一個(gè)時(shí)刻，只有一位數(shù)碼管被點(diǎn)亮。在微觀上，我們可以進(jìn)一步把每位數(shù)碼管的掃描動(dòng)作細(xì)分為以下幾個(gè)步驟：1、關(guān)閉上一位數(shù)碼管的位選信號(hào)；2、輸出當(dāng)前位數(shù)碼管的段選信號(hào)；3、開啟當(dāng)前位數(shù)碼管的位選信號(hào)；4、 啟動(dòng)1ms延時(shí)；5、 延時(shí)結(jié)束后，指針移動(dòng)到下一位數(shù)碼管，并重復(fù)上述4個(gè)步驟，如此周而復(fù)始。你看，這樣是不是就像用一個(gè)慢鏡頭在分解顯示掃描的動(dòng)作了？那么如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)慢鏡頭呢？方法很多：1、單步運(yùn)行（需要仿真器支持）；2、 在每一步分動(dòng)作之后設(shè)立斷點(diǎn)（需要仿真器支持）；3、 在每一步分動(dòng)作之后插入足夠的延時(shí)，讓我們?nèi)庋劭梢钥辞宄@些分動(dòng)作（不需要仿真器，適合燒片測(cè)試）；通過慢鏡頭的反復(fù)回放，我們就可以發(fā)現(xiàn)，到底是哪一個(gè)分動(dòng)作出現(xiàn)了問題。這個(gè)技巧，不僅僅適用于調(diào)試顯示程序，也適用于按鍵掃描或其它模塊。只要一個(gè)功能可以被細(xì)分為若干的動(dòng)作，那么這一招“慢鏡頭分解法”都是可以使用的。五、 給程序安裝個(gè)黑匣子某年某月的某一天，一架飛機(jī)以優(yōu)美的拋物線形狀，一頭栽到海里去了……幾天后，人們找到了飛機(jī)的黑匣子，里面記錄了飛行員的最后一句話：“天吶，我看到火星人了！……”以上空難情節(jié)我們經(jīng)常會(huì)通過新聞看到吧（當(dāng)然，最后一句是匠人版的科幻情節(jié)）?？纯?，飛機(jī)的黑匣子可以記錄并再現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)，多么神奇！歐耶！我們?cè)谡{(diào)試程序時(shí)，也可以借鑒這個(gè)方法，給程序按裝一個(gè)黑匣子。程序中的黑匣子其實(shí)就是一個(gè)在內(nèi)存中開辟的隊(duì)列。隊(duì)列的原理我們很清楚，先進(jìn)先出，后進(jìn)后出（與飛機(jī)黑匣子的特性相同）。比如說吧，假設(shè)我們的系統(tǒng)在工作中，某個(gè)輸入量的采樣值經(jīng)常受到不明原因的擾動(dòng)。我們要摸清這種擾動(dòng)的規(guī)律，以便對(duì)癥下藥。但是這種擾動(dòng)稍縱即逝。我們的困擾是：程序正常運(yùn)行時(shí)看不出規(guī)律，單步走又難以捕捉擾動(dòng)。怎么辦？有沒有辦法，把擾動(dòng)記錄下來？當(dāng)然可以。我們可以利用系統(tǒng)里剩余的RAM,開辟一塊單元，做成隊(duì)列。并寫段測(cè)試程序，定時(shí)把新采樣值壓入隊(duì)列。然后我們讓程序運(yùn)行，在需要的（任意）時(shí)刻，讓程序停下來。這時(shí)，隊(duì)列里記錄的就是最新一批采樣數(shù)據(jù)。只要隊(duì)列的深度足夠大，我們就可以找出擾動(dòng)的規(guī)律來。——什么，你問我什么叫隊(duì)列？——匠人曰“天吶，我看到火星人了！……”六、 在程序中設(shè)卡伏擊，攔截流竄犯警察抓流竄犯的場(chǎng)面我們都很熟悉了。一般的方法，就是以案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)為中心，在犯罪分子逃竄的必經(jīng)路口，設(shè)卡盤查。有道是天網(wǎng)恢恢疏而不漏，叫你插翅也飛不過去。有時(shí)，程序中也會(huì)出現(xiàn)這樣一個(gè)“流竄犯”，它就是PC指針。對(duì)于一個(gè)未經(jīng)調(diào)試的不成熟的程序來說，導(dǎo)致PC指針跑飛的因素很多，我們逐條列舉并分析之：1、 電磁干擾（如果不是在現(xiàn)場(chǎng)，那么這一條可以暫時(shí)不考慮。因?yàn)樵谡{(diào)試環(huán)境下一般不會(huì)有干擾）；2、 程序結(jié)構(gòu)錯(cuò)亂（喜歡用jmp或goto類指令的尤其要注意這點(diǎn)）；3、 堆棧溢出或錯(cuò)亂，導(dǎo)致PC指針出錯(cuò)；4、 PC指針被錯(cuò)誤改寫（有些芯片PC指針存儲(chǔ)單元和其它RAM單元的訪問方法是一樣的，很容易被誤寫）；

5、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，導(dǎo)致程序沒有按照預(yù)期路徑運(yùn)行；6、看門狗溢出（原因一般是因?yàn)榭撮T狗設(shè)置不當(dāng)、喂狗不及時(shí)、程序堵塞或者程序死循環(huán)）；7、中斷被意外觸發(fā)；8、外部電路問題，比如電源不穩(wěn)等等；9、其它……當(dāng)我們開始懷疑PC指針時(shí)，我們首先要做的是確認(rèn)PC指針是否跑飛了，其次要找到PC指針跑飛的證據(jù)。我們可以在不同的分支路口，或者在我們懷疑的地方，設(shè)立斷點(diǎn)，看程序是否走了不該經(jīng)過的路徑。舉個(gè)例子，比如我們懷疑程序運(yùn)行中看門狗發(fā)生了溢出復(fù)位，那么很簡單，我們只需要在初始化入口設(shè)立一個(gè)斷點(diǎn)，讓程序運(yùn)行。正常情況下，程序只會(huì)經(jīng)過一次該斷點(diǎn)。如果再次經(jīng)過該斷點(diǎn)被攔截，那么我們就可以初步確診“看門狗發(fā)生了溢出復(fù)位”。再舉個(gè)例子，比如程序中某個(gè)環(huán)節(jié)有A、B兩個(gè)分支，正常時(shí)只走A分支，不正常時(shí)才走B分支。那么我們可以在B分支設(shè)立斷點(diǎn)，程序一旦異常，走入B分支，就可以被攔截下來。程序被攔截下來后，我們可以勘察現(xiàn)場(chǎng)，查看RAM區(qū)內(nèi)容和程序剛走過的路徑，從中分析導(dǎo)致程序PC指針錯(cuò)亂的原因。當(dāng)然，并不是每一次伏擊守候都能一舉擒獲流竄犯（敵人是“狡猾”的，呵呵）。這就需要我們多一份耐心和技巧。通過不斷調(diào)整斷點(diǎn)位置來改變攔截地點(diǎn)。逐漸逼近并找到根源（流竄犯的老巢），然后一舉拿下。七、 向獵人學(xué)習(xí)挖坑設(shè)陷阱的技術(shù)上一回說到，在程序中設(shè)卡（斷點(diǎn)），可以攔截流竄犯（程序流程錯(cuò)誤）。實(shí)際上，斷點(diǎn)的功能可強(qiáng)大了，不但可以攔截程序流程錯(cuò)誤，也可以攔截?cái)?shù)據(jù)錯(cuò)誤。當(dāng)然，這需要一些輔助手段。還是以前面提到的一個(gè)例子來說。比如某個(gè)采樣值（當(dāng)然，也不一定是采樣值，在這里也可以是RAM中任意單元中的值）受到未明因素影響，經(jīng)?！皝y跳”。這種數(shù)據(jù)出錯(cuò)的原因，可能如下：1、 計(jì)算錯(cuò)誤（比如溢出），導(dǎo)致結(jié)果出錯(cuò)；2、 被其它程序段誤改寫；3、 其它原因……當(dāng)數(shù)據(jù)出錯(cuò)后，我們希望能夠在最快時(shí)間內(nèi)，讓程序停下來，這樣才能有效查出是哪一段程序出了問題。有些調(diào)試環(huán)境本身可以捕捉數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，并產(chǎn)生斷點(diǎn)中斷。這當(dāng)然最好不過。但是如果調(diào)試環(huán)境本身不提供這種捕捉功能，那么就需要我們自己來制造機(jī)關(guān)了?？纯传C人是是如何做的：他們會(huì)在獵物經(jīng)過的地方，挖個(gè)坑，上面蓋上浮土。當(dāng)小型動(dòng)物經(jīng)過時(shí)，浮土不會(huì)塌陷。而當(dāng)體重較大的動(dòng)物經(jīng)過時(shí)，它們的體重就會(huì)壓垮浮土，掉進(jìn)獵人的陷阱。獵人的這個(gè)陷阱機(jī)關(guān)，妙就妙在是它“智能”的，會(huì)根據(jù)動(dòng)物的體重進(jìn)行篩選。輕巧的小白兔來了——放過，笨重的大狗熊來了——捕獲！歐耶！好了，回到程序中來，假設(shè)我們要監(jiān)控的那個(gè)RAM單元，正常值域?yàn)?~9；那么我們可以寫一段測(cè)試代碼，判斷數(shù)值是否＞9，根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行兩個(gè)分支，并在那條錯(cuò)誤的分支路徑上設(shè)置斷點(diǎn)。如果數(shù)據(jù)沒有出錯(cuò)，程序會(huì)一直運(yùn)行（小白兔請(qǐng)放心過去）；直到數(shù)據(jù)錯(cuò)誤發(fā)生，斷點(diǎn)會(huì)自動(dòng)停下來（大狗熊給我拿下）。我們可以把這段測(cè)試程序，插入在“狗熊出沒”的地方，“守株待兔”（其實(shí)“守坑待熊”）。接下來的事情，就跟上回說的抓流竄犯原理差不多了。——什么，你喜歡吃兔肉？不喜歡吃熊掌？——你也太沒有愛心了，唉。。。。。八、在程序中設(shè)置竊聽器八、1、你的定時(shí)中斷頻率是否等于設(shè)想的那個(gè)值？2、你的主程序循環(huán)一次花了多少時(shí)間？3、你的程序中某一次復(fù)雜計(jì)算需要耗費(fèi)多少時(shí)間？4、你的程序里某個(gè)動(dòng)作發(fā)生的具體時(shí)刻是什么時(shí)候？5、……——也許你不關(guān)心這些時(shí)間，那么你就不必看這一回了。但是——1、當(dāng)我們的計(jì)時(shí)時(shí)鐘發(fā)生偏差時(shí)，我們希望知道定時(shí)中斷是否正常發(fā)生了；2、當(dāng)我們的程序任務(wù)較多，并已經(jīng)導(dǎo)致任務(wù)堵塞時(shí)，我們需要知道主程序運(yùn)行一圈的時(shí)間是多少，以便我們合理分割任務(wù)，避免堵塞；3、同樣，為了避免任務(wù)堵塞，我們要了解那些復(fù)雜計(jì)算所消耗的時(shí)間，并采取必要的措施（優(yōu)化算法、分時(shí)間片執(zhí)行、調(diào)整執(zhí)行頻率）來保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；4、當(dāng)程序中某些動(dòng)作與其它動(dòng)作或狀態(tài)存在時(shí)間上的關(guān)聯(lián)時(shí)，我們必須嚴(yán)格控制它的執(zhí)行時(shí)機(jī)，確保它在正確的時(shí)刻被執(zhí)行到；5、……我們?nèi)绾尾拍軓耐獠?，?duì)這些這些發(fā)生在程序內(nèi)部的時(shí)間（時(shí)刻）進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量？我們當(dāng)然不能鉆到芯片里面去監(jiān)視每一條指令的運(yùn)行情況。但是，我們可以學(xué)習(xí)一下克格勃，給程序安裝個(gè)竊聽器。具體方法：1、首先，你需要一臺(tái)示波器。沒有的話，可以去偷、去搶、去騙?？傊?，最終你搞定了這臺(tái)示波器，歐耶。2、其次，你的芯片上要有一個(gè)空余的輸出口用作測(cè)試口。沒有的話，就拆東墻補(bǔ)西墻吧，先把不相關(guān)功能的10口挪用一下啦?？傊?，最終你搞定了這個(gè)測(cè)試□，歐耶。3、 接下來，你可以在你要“監(jiān)聽”的程序段中，寫一小段程序，對(duì)那個(gè)測(cè)試口取反（或者輸出一個(gè)脈沖）。4、 最后讓程序全速運(yùn)行起來，你就可以用示波器來監(jiān)聽程序的運(yùn)行狀況了。以本回開始舉的幾個(gè)例子來分析：1、 如果要測(cè)試定時(shí)中斷頻率，只要在中斷中對(duì)這個(gè)測(cè)試口取反，即可通過示波器觀測(cè)中斷頻率；2、 如果要測(cè)試主程序運(yùn)行周期，只要把取反指令放在主程序循環(huán)圈中，即可；3、 如果要測(cè)試一次復(fù)雜計(jì)算（或其它動(dòng)作）需要消耗多少時(shí)間，我們只需在計(jì)算之前把測(cè)試口變?yōu)楦唠娖?，等到?jì)算結(jié)束后立即把輸出口恢復(fù)到低電平，這段高電平的時(shí)間長度，即為計(jì)算消耗時(shí)間；4、 如果想知道兩個(gè)動(dòng)作之間的延時(shí)時(shí)間，我們也可以按照上一條方法一樣，在兩個(gè)動(dòng)作發(fā)生前把測(cè)試口分別取一次反。就可以通過示波器輕松測(cè)試出來。5、 根據(jù)實(shí)際案例的具體情況，我們可以把這種竊聽技術(shù)變換出更多花樣。比如我們可以用兩個(gè)10口做測(cè)試□，同步檢測(cè)兩個(gè)事件的發(fā)生時(shí)刻，并測(cè)量其相互時(shí)間關(guān)系。等等……6、 引申開去，這個(gè)測(cè)試口不僅僅可以檢測(cè)時(shí)間，也可以用來檢測(cè)內(nèi)部數(shù)據(jù)的變化。比如當(dāng)某個(gè)數(shù)據(jù)的值發(fā)生“越界”時(shí)，輸出一個(gè)高電平（平時(shí)為低電平）。等到我們?nèi)〉梦覀兿胍臏y(cè)試數(shù)據(jù)，我們可以把這個(gè)臨時(shí)的測(cè)試口功能撤銷。同時(shí)，那些測(cè)試代碼也可一并刪除或屏蔽?？偨Y(jié)：把程序內(nèi)在的、不直觀的、快速的一些狀態(tài)變化，通過io口傳遞出來，以便我們觀測(cè)。一一這就是我們這一回所講的“竊聽器”調(diào)試技巧的精髓。——警告，請(qǐng)勿把“竊聽器”安裝在女生宿舍哦！——那樣的話，匠人豈不就成為教唆犯了。罪過，罪過。。。。。九、九、快鏡頭加速前面已經(jīng)講過慢鏡頭，這回再講快鏡頭。慢鏡頭的作用的把程序的運(yùn)行節(jié)奏降低，以便我們能夠“一幀一幀”地觀測(cè)程序的運(yùn)行狀態(tài)。而快鏡頭的作用，則相反，就是讓程序的運(yùn)行節(jié)奏變快，讓我們驗(yàn)證一些原本需要消耗較多等待時(shí)間的功能。比如說，一個(gè)定時(shí)功能，定時(shí)范圍是可調(diào)的，為1~24小時(shí)。如果我們要去驗(yàn)證，總不能傻等1~24小時(shí)吧？怎么辦呢？快鏡頭來了。我們知道程序中的時(shí)間，是靠一級(jí)一級(jí)的計(jì)時(shí)器累計(jì)上來的。比如一個(gè)程序中分別有“時(shí)、分、秒”三個(gè)計(jì)時(shí)器單元。依次計(jì)數(shù)，逢60進(jìn)一。“秒”計(jì)滿60次了，則“分”+；1“分”計(jì)滿60次了，則“時(shí)”+；1“時(shí)”計(jì)數(shù)超過設(shè)定值了，我們就可以判定定時(shí)結(jié)束。那么我們只要修改一下“分”到“時(shí)”的進(jìn)位關(guān)系。比如改成：“分”+；1“分”計(jì)滿1次（原本是60次）了，則“時(shí)”+。1這樣一來，整個(gè)定時(shí)系統(tǒng)速度就比原來提高60倍。測(cè)試起來就很省時(shí)間了。當(dāng)然，測(cè)試完成后，記得要把剛才做的測(cè)試代碼改回原樣哦。舉一反三，“快鏡頭”技巧，不僅僅用在定時(shí)方面，也可以用在計(jì)數(shù)方面。通過對(duì)數(shù)據(jù)的變化“加速”，來加快我們的測(cè)試速度?！裁?，你喜歡磨洋工，愿意花24小時(shí)去測(cè)試那個(gè)定時(shí)功能？——哈哈，放心，我不會(huì)告訴你的老板的——除非他使出美人計(jì)來對(duì)付我。歐耶！十、拉閘睡覺！統(tǒng)一管理調(diào)試代碼前面介紹的幾種方法，需要在程序中增加一些臨時(shí)性的調(diào)試代碼。有些調(diào)試代碼是無害的，比如只是一些延時(shí)指令，或者是在不使用的10口上有一些輸出而已。但另一些調(diào)試代碼，與正式要求的程序功能是相沖突的。那么這些代碼在完成調(diào)試之后就應(yīng)該被刪除或屏蔽掉。那么會(huì)不會(huì)出現(xiàn)意外，把本該被刪除的代碼漏刪了？結(jié)果埋下禍害？——如果調(diào)試代碼少，出錯(cuò)的概率比較低，只要認(rèn)真仔細(xì)點(diǎn)還好辦；但是如果程序中的調(diào)試代碼寫得比較多，那么確實(shí)很擔(dān)心會(huì)發(fā)生這種問題?；蛘吡硪环N情況，就是前腳把調(diào)試代碼刪除或屏蔽掉，后腳發(fā)現(xiàn)還需要再調(diào)試，又要重新輸入或打開那些代碼？如何管理這些代碼呢？這個(gè)我們要向宿舍管理員學(xué)習(xí)了。他們是這么做的，給所有房間安裝一個(gè)總電閘。到了晩上11點(diǎn)就把總閘一拉，看書的、打牌的、喝酒的、胡侃的、泡妞的、夜游的、Y們都給我老老實(shí)實(shí)睡覺去吧！程序中，這樣的總閘也是可以通過條件編譯的方式來實(shí)現(xiàn)的。就像這樣：//#defineTEST_MD//調(diào)試狀態(tài)標(biāo)志（在調(diào)試時(shí)打開，正式燒錄芯片時(shí)屏蔽）//在編寫調(diào)試代碼時(shí),采用下面的形式:#ifdefTEST_MD//如果是調(diào)試狀態(tài),則編譯這段代碼#else//如果不是調(diào)試狀態(tài),則編譯這段代碼#endif一個(gè)總閘，把管理簡單化了。歐耶！一、十一、刪繁就簡，從最