HW debuggausta

Aiemmin mainitsin, että projektissa käyttämäni mikrokontrolleri ATmega8 ei tue rautatason debuggausta. Sulautetuissa projekteissa pelkkä simulaattoridebuggaus ei yleensä riitä, vaan softaa pitää pystyä ajamaan todellisessa ympäristössä ja testauksessa pitää pystyä asettamaan lähdekoodiin pysäytyskohtia (break points) esimerkiksi keskeytyskäsittelijöihin, jolloin niiden toiminta saadaan varmistettua. Koska HW debuggaus on siis oleellinen osa tuotekehitystä, käsittelen sitä tässä erikseen toisella prossulla, mutta sovellus pysyy kuitenkin samana.

HW debuggauksessa tarvitaan kohdeprossun ja softakehitystyökalun (tässä siis Atmel Studio 7) välille tähän tarkoitukseen suunniteltu elektroniikka. Normaalisti liitäntänä käytetään teollisuudessa de facto standardiksi muodostunutta JTAG-liitäntää, mutta harrastehommiin aidogt JTAG-purkit ovat usein hankintahinnaltaan turhan arvokkaita. Atmelin AVR-tuoteperheen prossuissa voidaan käyttää elektroniikaltaan edullisemmin toteutettua debugWIRE (dWire) -tekniikkaa, jota tässäkin tulen käyttämään.

Debuggauksen voisi tehdä sijoittamalla kohdeprosessori AVR Dragonin prototype arealle juotettuun kantaan, mutta teen homman tässä vähän toisella tavalla käyttäen prossulle erillistä halpisalustaa. Alustan etu on lähinnä siinä, että I/O-johdotus on hieman helpompaa kuin Dragonin 2-riviseltä liittimeltä ja toisaalta samaa alustaa voidaan käyttää itsenäisesti protoilussa ja testauksessa ilman Dragonia ja PC:tä. Yksinkertainen kehitysalusta näyttää esimerkiksi tältä:

Alusta AVR-mikrokontrollerille

Alustassa ei käytännössä ole muuta kuin helppokäyttöinen zif-kanta prosessorille, piikkirimat prosessorin pinneille, 10-napainen urosliitin ISP-kaapelille, reset-logiikka ja -painike, kide ja pari lediä. Kuvassa näkyvä USB-A-liitin on ilmeisesti tarkoitettu käyttöjännitteen syöttöön, vaikka se tähän tarkoitukseen onkin väärän mallinen. Tai sitten se on tarkoitettu jännitteen ulosottoon. USB:n datapinnejä ei luonnollisesti ole kytketty, koska alustassa ei ole USB-kontrolleria. Ainakin tuosta kuvan alustasta kannattaa ottaa huomioon se, että sillä voi käyttää prossun sisäistä AD-muunninta vain rajoitetusti, koska sekä Vref että Avcc tulot on yhdistetty suoraan käyttöjännitteeseen.

 AVR ISP on Atmelin ohjelmointiliitäntä ja sen fyysinen liitin on joko 10- tai 6-napainen. Koska Dragonissa tämä liitin on 6-napainen ja yhdistämisessä on helpointa käyttää 10p-nauhakaapelia, niin tarvitaan vielä kuvassa näkyvä sovitin. Näitä parin euron alustoja löytyy mm. Aliexpressistä, samoin sovittimia. Sovittimetkaan eivät ole hinnalla pilattuja, pari kappaletta maksoi muistaakseni postikuluineen alle euron.

Jos alustaa käytetään ohjelmoinnin (flässäyksen) lisäksi debuggaukseen, siihen pitää tehdä pieni muutos. debugWIRE -liitäntä käyttää prosessorin /RESET-linjaa, joten linjassa ei saa olla mitään ylimääräistä elektroniikkaa. Alustassa on toteutettu PoR (Power on Reset) kuvaan merkityillä ylösvetovastuksella ja kondensaattorilla. Alusta maksaa pari euroa kappale, joten niitä kannattaa hankkia samalla kertaa ainakin kaksi kappaletta. Toisesta poistetaan debuggausta varten PoR-elektroniikka eli vastus ja kondesaattori ja toiseen ne jätetään paikalleen, jolloin jälkimmäistä voi käyttää itsenäisesti. Piirilevyltä voi myös katkaista /RESET-pinniin menevän folion, mutta pitää huolehtia siitä, että yhteys ISP-liittimelle kuitenkin säilyy ehjänä.

Testauksessa käytän nyt tähän alustaan sijoitettua ATmega328P -prosessoria, joka on 28-napaisessa DIL-kotelossa pinniyhteensopiva ATmega8:n kanssa. Aiemmin tekemääni ohjelmaa voi käyttää lähes sellaisenaan, ainoastaan keskeytysrekistereiden tunnukset ovat erilaiset. Molemmat määritykset voi koodata samaan lähdekoodiin ja ympäröidä määritykset sopivilla #ifdef #else #endif direktiiveillä. Kohdeprosessori on tietenkin Atmel Studiossa ennen buildausta vaihdettava kohteen mukaiseksi. Liitännät tehdään vastaavalla tavalla kuin aiemmin kuvaamassani testausjärjestelyssä. Liitäntänä softakehitysympäristön (Atmel Studio 7) ja raudan välillä käytän edelleenkin AVR Dragonia.

Testaus ja debuggaus erillisellä prosessorialustalla

Dragon ja prosessorialusta liitetään 10p-ISP-nauhakaapelilla, jonka Dragonin päässä on Dragonin 6p-urosliittimeen sopiva sovitinadaperi. Dragonista vedetään lisäksi hyppylangalla prosessorin +5V käyttöjännite, maa yhdistyy ISP-kaapelin kautta. Prosessorialustan liitinrimoilta vedetään hyppylangat DPS-ohjainkortin ST62T15:n kantaan vastaaviin pinneihin.

Ohjelman flässäys Atmel Studiosta hoituu täsmälleen samalla tavalla kuin jos prosessori olisi Dragonissa prototype arean kannassa, tästä löytyy tarinaa aiemmasta blogikirjoituksestani. Edellyttäen tietenkin, että ISP-kaapeli on kytketty Dragonin 6p-urosliittimeen oikein päin: nauhakaapelissa pinni 1 on merkitty punaisella, sen pitää olla siis levylle merkityn ykköspinnin puolella (kts. kuva). Nauhakaapeli menee urosliittimiin vain yhdessä asennossa liittimissä olevan ohjausloven ansiosta. Ennen ohjelman ajamista raudassa käännetty ohjelmabinääri on siis ladattava normaaliin tapaan prosessorin flash-muistiin.

Varsinainen debuggaus raudassa käynnistetään Atmel Studiossa debuggaustyökalun valinnalla, joka tapahtuu helpoiten klikkaamalla työkalurivin kuvaketta kuvan mukaisesti ja valitsemalla sitten lomakkeelta työkaluksi AVR Dragon:

Debuggaustyökalun valinta

Tämä jälkeen valitaan interfaceksi debugWIRE. Jos debugWIRE -valintaa ei ole näkyvissä, se tarkoittaa yleensä sitä, että projektiin valittu prosessori (esim ATmega8) ei tue rautatason debuggausta.

Liitäntäprotokollan valinta

Lähdekoodiin kannattaa heti kättelyssä asettaa sopiviin kohtiin pysäytyskohtia (break point) F9:llä tai Debug-valikon valinnoilla. Ohjelma käynnistetään esim. F5:lla tai muilla Debug-valikon valinnoilla. Watch-ikkunaan voi laittaa seurattavien muuttujien tai rekistereiden arvoja, I/O-rekisterit ja pinnit saa näkyviin omaan ikkunaansa. Debuggauksen aluksi tulee ilmoitus, koska Dragonin ja kohdeprosessorin välisessä kommunikoinnissa voidaan käyttää kerrallaan vain yhtä protokollaa. Protokollan vaihto voidaan tehdä vain muuttamalla yhtä prosessorin sisäisistä asetuksista (DWEN fuse):

Kohdeprosessori pitää vielä käynnistää uudestaan, jotta uusi toimitila tulee voimaan. Tämä kerrotaan seuraavalla ilmoituksella: 

Tämän jälkeen debuggaus uudestaan käyntiin esim. F5:lla, jonka jälkeen ohjelma suoritetaan raudassa kunnes suoritus etenee pysäytyskohtaan (tässä tapauksessa keskeytyskäsittelyfunktioon). Seuraavaksi suoritettava rivi näkyy keltaisella pohjalla, pysäytyskohdat punaisella:

 

 Ohjelman suoritusta voidaan nyt jatkaa tai tarkastella sen hetkisiä muuttujien arvoja tai askeltaa lähdekoodia koodia rivi kerrallaan. Eli suoritetaan normaaleita ohjelman toiminnan selvittämiseen  ja/tai virheen etsimiseen liittyviä toimia. Huomattavaa on, että ohjelmaa suoritetaan koko ajan raudassa, Atmel Studioon tulee debugWIRE-liitännän kautta ainoastaan tietoa suorituksesta ja muuttujien arvoista ja toisaalta suoritusta ohjataan Studiosta käsin.

Lopuksi pitää vielä degugWIRE -toimitila lopettaa valitsemalla Debug -valikosta Disable debugWIRE and Close. Ellei tätä tee, niin uutta binääriä ei pysty flässäämään. Tietenkin jos haluaa debugata koodia uudestaan, kannattaa pysyä debugWIRE-toimitilassa.

 

 Tässä siis lyhyet ohjeet miten rautatason debuggaus hoidetaan AVR mikrokontrollereilla AVR Dragonin kautta. HW debuggaus on jokaisen sulautettuja softia tekevän ehdottomasti hallittava, ilman näitä työkaluja softan tekeminen ja ennen kaikkea sen toimivaksi saattaminen on usein lähes mahdotonta!

 

Softakehitystä

Atmelin AVR-tuoteperheen 8-bittiset RISC-prosessorit (tai oikeammin mikrokontrollerit) ovat suosittuja ennen kaikkea harrastajien piirissä, ammattikäyttäjille on tarjolla saman perheen jopa 32-bittisiä prossuja. Suosion syynä on mm. on hyvä saatavuus, edulliset hinnat ja laaja valikoima. Harrastajille on tarjolla suuri joukko 10-30 euron kehitysalustoja, joilla pääsee liikkeelle helposti. Arduino-tuoteperheen alustat lienevät harrastuspiireissä tunnetuimpia, niillä aloittelijakin pääsee helposti tekemään käytännön toteutuksia. Oheislaitteita ja lisäkortteja Arduinoihin on saatavana enemmän kuin tarpeeksi.

Arduino Uno -kehitysalusta

 Softan kehitystyökaluja AVR:lle on tarjolla runsaasti yleisimpiin markkinoilla oleviin käyttöjärjestelmiin. Ammattikäyttöön maksullinen kehitysympäristö löytyy mm. IAR:lta,  samoin sulautettuja käyttöjärjestelmiä on tarjolla enemmän kuin tarpeeksi usealta eri toimittajalta. Microchipilta on ladattavissa myös ilmainen Microsoft Visual Studioon perustuva helppokäyttöinen Windows-pohjainen kehitysympäristö Atmel Studio, jota tulen myös tässä projektissa käyttämään. Atmel Studiossa on mukana assembler-kääntäjän lisäksi sekä C- että C++ -kääntäjä ja se tukee useita HW-alustoja ja kaikkia AVR-tuoteperheen prossuja. Studiosta löytyy myös ehkä enemmänkin aloittelijoille suunnattu yksinkertainen koodigeneraattori (Advanced Software Framework, ASF), jolla eri toimintojen toteuttamista on yksinkertaistettu. Valmiita kirjastoja ja ohjelmapalikoita löytyy netistä googlettamalla lähes joka tarkoitukseen mieletön määrä.

Atmel Studio 7

Tämä projektin softan toteutan perusC:llä ja ilman mitään frameworkia tai realiaikakäyttöjärjestelmää, koska tarvittava ohjelma tulee olemaan hyvinkin yksinkertainen. Pääohjelman rakenne on ns. ikiluuppi eli päätasolla on vain yksi päättymätön silmukka, jonka sisällä eri ohjaukset suoritetaan. Softan perusrakenteen olen esittänyt jo aiemmin, tosin siihen tulee varmasti tarkennuksia matkan varrella.

Tässä vaiheessa en käsittele vielä varsinaista ohjelma toteutusta tai sisältöä sen tarkemmin vaan keskityn esittelemään käyttämäni työkalut ja alustat sekä dokumentoimaan niin rauta- kuin softapuolenkin asiat siten, että joku toinenkin niistä mahdollisesti hyötyy sulautettuja projekteja tehdessään. Näistä kaikista kyllä löytyy taas kerran tietoa netistä lukemattomista eri paikoista, mutta teen tämän dokumentin myös itselleni muistiinpanoksi. Nykyään tuntuu, että uusia asioita tulee niin paljon eteen, että jos jossakin ympäristössä on vaikkapa puoli vuotta tekemättä mitään, niin yksityiskohdat tahtovat unohtua...

Atmel Studio 7 käyttöliittymä

Sulautetun järjestelmän softakehitystä ei tehdä tyypillisesti lopputuotteessa vaan käytetään valmista yleiskäyttöistä kehitysympäristöä. Softaa aletaan yleensä tekemään ennen kuin lopullinen rauta on valmis, niin tapahtuu tässäkin projektissa. Kehitysympäristöllä tarkoitetaan softan kirjoitus- ja käännöstyökalujen lisäksi HW-alustaa, jolla projektissa käytettävä prosessori saadaan henkiin ja jolla toisaalta saadaan käännetty ohjelma ladattua muistiin sekä suoritettua se. Rautapuolella tarvitaan siis prosessorin ympärille komponentteja, mahdollisesti toinen prosessori hoitamaan PC:n ja kohdeprosessorin välistä liikennöintiä (yleensä USB-liitännän kautta) sekä liitännät IO-porteille ja debuggaukselle.

Tässä projektissa käytän rautapuolen alustana yhtä monista halpisalustoista nimeltään AVR Dragon. Dragonia käytetään myös debuggaukseen liittämällä se esim. JTAG-liitännän kautta kohdeprosessoriin, mutta Dragonin levyllä on myös ns. Onboard Prototype Area:lla paikka, johon voidaan sijoittaa mikä tahansa AVR-tuoteperheen prosessori eli tässä tapauksessa siis ATmega8. Dragon osaa keskustella suoraan Atmel Studion (tai sieltä käynnistettävän työkaluohjelman) kanssa ja hoitaa tietojen tallentamisen ATmega8:n flash-muistiin ("flässätä") sekä keskustella kohdeprossun (pl. Atmega8) kanssa ohjelmaa debugtaessa. Ulospäin kommunikointi ja käyttöjännitteen syöttö niin alustalle kuin kohdeprosessorillekin hoituu USB-liitännällä.

AVR Dragonissa on oletuksena vain juotospaikka (ei siis kantaa) kohdeprossulle, joten levylle on juotettava kanta ja liitinrima ennen kuin Dragonin käyttö tässä projektissa onnistuu. Kantana kannattaisi käyttää ns. ZIF-kantaa (Zero Insertion Force socket, nollavoimakanta), jolla prosessorin sijoittaminen ja irroittaminen on helppoa. Tätä projektia varten vapaana minulla sattui olemaan vain tavallisella DIP-28-kannalla varustettu versio, mutta se toimii yhtä hyvin kun vaan prosessorin asentaa ja irroittaa varovaisesti.

 AVR Dragon kehitysalusta

AVR Dragon varustettuna ZIF-kannalla ja liitinrimalla

Dragonissa kohdeprosessorin kannalta tulevat signaalit on piirilevyllä kytketty vain liitinrimaan (juotettava levylle erikseen), joten kytkennät prossun ja Dragonin välille on tehtävä hyppylangoilla. ATmega8:n tapauksessa kytkentä menee seuraavan kuvan mukaisesti:

AVR Dragon/ATmega8 SPI- ja debugWIRE-kytkennät

Tässä kuvassa on oma alustani sekä siinä ATmega8 odottamassa ohjelmointia. Kytkentä on tehty hyppylangoilla edellisen kuvan mukaisesti. AVR Dragon vaatii normaalin USB-laitteen tavoin ensin ajureiden asentamisen, jonka jälkeen Atmel Studio tunnistaa laitteen, kun se on kytkettynä.

AVR Dragon ja ATmega8 prototype arealla

Atmel Studiossa lähdekoodin onnistuneen kääntämisen ja linkityksen eli buildauksen jälkeen syntyy prosessoriin ladattava ja siellä suoritettava binäärinen ohjelmakoodi ns. elf-tiedostoksi projektin kohdehakemistoon:

Debug-moodissa buildatun projektin .elf-tiedosto

.elf-tiedoston lataaminen eli flässäys kohdeprosessoriin tapahtuu Atmel Studiossa seuraavasti: 

  1. Valitse Tools | Device Programming ja sitten AVR Dragon ja laitteeksi ATmega8

2. Valitse Interfaceksi ISP ja lue Device Signature

 3. Valitse projektihakemistosta projektin .elf -tiedosto. Tarkista valinnat ja paina Program -painiketta.

4. Onnistuneen flässäyksen jälkeen näkyy flässätyn binäärin koko ja tilarivillä verifioinnin tila

ATmega8:n tapauksessa muuta oikeastaan Atmel Studiossa ei pysty rautaan päin tekemäänkään, koska ATmega8 ei tue rautatason debuggausta. Tämä näkyy mm. siten, että kuvissa esitetyn lomakkeen Interface-pudostuslistalta ei löydy dWire (debug wire) valintaa, joka on Atmelin protokolla prosessorin ja kehitysympristön väliseen kommunikointiin (Atmelin yhteydessä puhutaan myös OCD:stä eli On-Chip Debugging:sta, jota ATmega8 ei siis tue). Rautatason debuggausta ei siis tässä projektissa tulla käyttämään. Ei sitä varmaankaan tarvitakaan, koska ohjelma on kuitenkin erittäin yksinkertainen. Perustoiminnot saan varmistettua ajamalla ohjelmaa Atmel Studion simulaattorissa ja ajastukset ja muut testaamalla lopputulosta testipenkissä ja tarvittaessa skooppaamalla tai tutkimalla signaalit logiikka-analysaattorilla.

Ensimmäinen versio softasta on nyt flässätty ATmega8:aan ja seuraavaksi kokeillaan onnistunko ohjaamaan sillä DSP-ohjainkortin rautaa. Kokeilu tulee tapahtumaan siten, että yhdistän tarvittavat ohjauspinnit AVR Dragonin liitinrimalta DSP-ohjainkortille siltä irroitetun ST62T15:n kantaan. Kortin liitän aiemmin tekemääni DSP-ohjainkortin testipenkkiin, jolla saan perustoiminnot testattua. Tällä tavoin saan toivottavasti koko softan testattua melko valmiiksi siihen mennessä, kun tilatut piirilevyt tulevan Kiinasta. 

DPS-ohjainkortin testipenkki
(testissä näyttäisi olevan viallinen kortti, koska 2-vaihteella vain toinen lamppu palaa...)