可視化的微控制器分析平臺設計*

李瑞娟

(柳州職業技術學院，廣西 柳州 545006 )

0 引言

微處理器內核運行過程一直是學生在學習微控制器原理相關知識過程中的難點。通過開發微控制器的相關實驗，讓學生直接能夠觀測到微控制器內部的運行過程和運行機制，能夠極大提高學生對微控制器的學習興趣和動力，同時能夠讓學生理解微控制器內部的結構和運行機制[1-2]。然而由于微控制器內部的運行過程一般難以直接進行觀測，而且也沒有很好的工具或者環境能夠時時地觀測微控制器內部的結構和運行過程。目前采用的一般方式是通過模擬仿真軟件來模擬微控制器的運行過程。通過模擬仿真軟件為用戶提供的微控制器內部計算器，內存和IO端口等數據交換窗口讓用戶能夠觀測到微控制器內部的運行過程。然而基于模擬軟件的微控制器過程及實驗環境只能夠為用戶提供微控制器內部觀測的機會，無法為用戶提供更多功能更全面的微控制器內部運行機制的相關實驗環境，也不支持用戶在此基礎上進一步開發針對微控制器內部運行機制的相關實驗[3-4]。為了提高其組織機構和工作機制的問題深入學習和研究，除了需要能為學生提高微控制器內部可視化環境，更為學生提供在此基礎上進行二次開發和更加復雜和深入的微控制器相關實驗的平臺[5-6]。

因此，本文對微控制器運行之后，提出了一種可視化的微控制器運行過程和分析實驗平臺。該實驗平臺能夠為用戶提供微控制器內部執行過程的相關信息的輸出。而且該實驗平臺通過對微控制器運行過程的模擬，及輸入輸出接口的映射。還能夠為用戶在此基礎上在對實驗平臺進行二次開發，設計一些針對微控制器內部運行機制的相關實驗，有助于學生對微控制器內部進行機制深入地學習和理解。

1 可視化分析平臺的設計

本文設計的可視化微控制器分析設計平臺（如圖1所示），主要需要實現兩個功能：①能夠對微控制器的運行過程進行展示，并將微控制器各主要計算器以及內存IO端口等信息進行輸出，給用戶以直觀的展示；②可視化微控制器實驗平臺能夠為微控制器內部執行過程管理的相關實驗提供環境和支撐。因此，可視化分析實驗平臺在設計上首先能夠完全模擬微控制器的運行過程，能夠準確將微控制器運行過程的各個狀態進行記錄，通過一定軟硬件模塊將信息進行輸出，同時也能夠對外圍輸入的相關的微控制器運行過程相關控制信息進行接收和處理，并對微控制器的相關信息進行正確響應[7-8]。由于可視化實驗平臺的相關控制實驗是在可視化運行平臺的基礎上進行擴展，整個實驗最基礎的部分是對分析實驗平臺的設計。本文設計的可視化微控制器運行平臺如圖1所示，從圖中可以看出，微控制器運行過程實驗平臺的核心是基于微處理器的嵌入式平臺。在該平臺上運行虛擬化的模擬軟件，實現該控制器的詳細模擬[9-10]。當用戶需要監測微控制器上的執行某一段程序的詳細過程時，則將該程序段送入虛擬化的模擬環境中進入模擬運行。虛擬環境能夠模擬微控制器的運行過程，將目標程序的運行結果進行輸出，同時還能夠模擬目標程序在運行模擬階段對微控制器的影響。

圖1 基于虛擬化技術的可視化實驗平臺

通過虛擬化的運行環境，對目標程序的運行過程進行模擬之后，能夠得到目標程序在在運行過程中微控制器各個部件的狀態和運行結果。之后在基于微處理器的嵌入式平臺開發相應的可視化分析程序，對虛擬化運行環境得到的各個狀態信息及運行結果進行輸出，在本文設計可視化分析平臺中，主要對微控制器的各種IO信息，內存信息以及計算器信息進行輸出，采用不同的數據映射模塊實現虛擬化運行環境中得到的運行數據和狀態信息往外輸出[11-12]。在可視化分析平臺的外圍，設計一定的可視化顯示終端，主要包括LED指示燈，LED，以及LCD顯示屏等顯示終端。而且每一種顯示終端都對應不同類型的信息的顯示，通過這種基于虛擬化技術的可視化實驗平臺，可以實現將目標程序運行的全過程的相關信息可以輸出，用戶可以通過觀測可視化實驗平臺輸出的各種目標程序的詳細運行過程，實現對微控制器執行過程的理解。

2 微控制器運行過程可視化研究

微控制器運行過程的可視化研究主要研究如何將運行過程的信息進行采集。并將采集到的信息加以輸出。由于目前微控制器在設計上并不支持用戶直觀的觀測到微控制器的運行過程，也沒有相應的接口供用戶進行二次開發。因此微控制器運行過程，對用戶來講是一個黑盒。為了觀測和研究微控制器的運行過程，首先要建立虛擬的仿真平臺，在仿真環境下將微控制器的各種硬件結構進行模擬。然后當微控制器加載了目標程序之后，對目標程序的運行過程進行動態模擬和跟蹤，并對全過程實行信息的采集，以實現對微控制器運行過程的原始信息的獲取。

微控制器在運行過程中，所有的狀態信息主要表現在計算器，IO端口，內存等三個部分。因此對微控制器進行模擬的時候需要分別模擬微控制器內部的計算器，IO端口和內存信息變化過程。在建立虛擬環境微控制器執行過程的時候，虛擬環境一般會模擬微控制器內部的所有硬件結構，包括計算機,IO端口和內存。因此，在虛擬環境當中，能夠準確得到微控制器運行過程中這三類信息的變化過程。能夠通過直觀的可視化界面進行認識，因此在獲取了微控制器在虛擬環境中運行的各類信息之后，需要設計相應的可視化顯示程序，將采集到的各種信息輸出來，即所有的信息需要從虛擬環境中映射到外部處于控制功能的平臺，即處于圖一中間位置的微處理器嵌入式平臺，在該平臺中要開辟一段存儲區域對虛擬化運行環境中目標微處理器的相關計算器，IO端口，和內存信息進行存儲。然后根據所存儲的內容和種類不同，由可視化實驗平臺的相關顯示設備進行輸出示。

3 可視化模塊的設計

3.1 寄存器的可視化設計

可視化實驗平臺的實現過程主要包括三個不同信息內容的可視化實現。即寄存器的可視化信息實現，IO端口的可視化信息顯示和內存的可視化實現。其中寄存器的可視化顯示和 IO端口的顯示都可以通過LED燈的形式顯示。但是由于計算器的數量相對少少，信息比較固定。因此，LED的顯示一般都采用LED燈進行顯示，在利用LED顯示計算器的運行狀態時，每個LED代表一個計算器后位，通過LED的亮或滅代表寄存器的01比特數值。由于LED燈可以直接通過微控制器控制，也可以由微控制器經過三極管進行驅動控制，整個實現較為簡單，因此對LED的顯示模塊不詳細介紹。

3.2 內存的可視化設計

內存的可視化顯示采用LCD屏的形式顯示，由于內存區域較大，即使使用可視面積較大的LCD 屏幕，仍然難以把整個內存區域進行顯示。因此對內存信息進行顯示的時候，必須選擇某一特定的地址區塊進行顯示。對信息顯示的格式也分地址區和數據區兩個部分。如圖二所示，每次LCD屏幕上的信息只涉及到內存信息當中的一段數據的內容，圖中給出的是基于LCD的內存可視化實現原理圖，通過將內存的數據映射到LCD屏幕的顯示區域，直接讀取內存數據中的相關內容進行格式轉換之后顯示在LCD屏幕的可視區域當中。為了提高 LCD屏幕的觀測范圍，可以將LCD屏幕設定不同的區域顯示不同的區塊，以便實現在一個LCD屏幕上對多個內存區域的數據進行監視(如圖2所示)。

圖2 基于LCD的內存可視化實現原理圖

3.3 堆棧的可視化設計

在對微控制器運行過程進行可視化設計時，微控制器運行過程中還有一類信息往往需要進行監測，即微控制器運行過程中的堆棧變化情況。而且在目前絕大多數嵌入式系統中都使用了堆棧對數據進行管理，堆棧是使用最為頻繁的數據結構。而且隨著結構的運行時刻發生改變，因此對堆棧的運行過程和堆棧信息內容的理解一直是學生在學習嵌入式平臺中的難點，因此在開發可視化的微控制器運行過程實驗平臺時，需要專門設計堆棧的可視化實現模塊。

本文設計的堆棧可視化實現模塊，采用的是基于數碼管陣列的形式拼接顯示。由于每一個數碼管陣列所能夠顯示的行和列數目是有限的。為了能夠對堆棧中的數據進行完整的表示，構建了一個數碼管陣列，數碼管陣列當中的每一行代表堆棧當中一行的數據。在數碼管的顯示區域內，處于有效數據的最頂端代表的是堆棧的棧頂，數碼管對底端的數據代表的是堆棧棧底的數據。基于數碼管陣列的可視化示意圖如圖3所示，當微控制器內部程序處于運行狀態時，在執行程序調用或者中斷等過程時，都會涉及到堆棧的壓棧和出棧等操作。通過基于數碼管陣列的可視化實現，可以讓用戶清楚地看到微控制器內部堆棧增長和退去的和過程，也能夠看到當前堆棧當中所存儲的所有數據，而且助于用戶理解微控制器中程序的運行過程。

圖3 基于數碼管陣列的堆棧的可視化示意圖

4 結語

微控制器的執行過程一直是一個非常抽象的知識點，學生在學習微控制器相關內容的時候一直缺乏很好的環境和工具對微控制器過程進行深入的理解和研究。這極大地阻礙了學生對微控制器相關知識的學習興趣和動力，更缺乏相應的實驗環境和平臺，讓學生能夠對微控制器的執行過程開展更為深入的實驗和分析工作[13]。本文設計的可視化的微控制器執行平臺能夠為學生提供一個功能強大的可視化環境，使得用戶能夠對微控制器內部結構以及程序的執行過程做到實時的準確的監控，為用戶理解微控制器的執行過程分析平臺。在此基礎在上，用戶可以通過此平臺進行二次開發和功能擴展，以實現對微控制器執行過程的相關控制和管理，為用戶開設更加復雜的相關微控制器執行處理機制的實驗提供硬件支撐。

[1] 林云,劉嘉南,吳啟迪.遠程分布式虛擬實驗室關鍵技術研究[J].中國遠程教育,2008(11):69-72.

[2] 易克非,胡慶鋒.基于 DSP的實時多任務調度內核設計[J].通信技術,2011,44（06）:135-137.

[3] 鄭丹.網上虛擬實驗教學模式的研究與探討[J].高校實驗室工作研究,2008,97(03):60-62.

[4] 楊華,楊松岸,黃修超.以TMS320C6205為核心的MPEG-4編碼器的設計與實現[J].通信技術,2003(11):1-2,5.

[5] 韓萍,康健.基于LabVIEW的信號處理技術應用演示及實驗系統設計[J].實驗技術與管理,2010,27(07):99-103.

[6] 趙月飛,馮長江,余建華.電工電子網上虛擬實驗室的建設與應用[J].實驗室研究與探索,2003,22(02):95-97.

[7] 文軍,王加懂.DSP程序在線編程的研究與實現[J].信息安全與通信保密,2007(08):192-195,198.

[8] 燕德麗,夏巖.嵌入式系統開發平臺化淺析[J].科技信息(學術研究),2007(21):194-195.

[9] 裴金剛,熊棟棟.基于ARM的嵌入式系統平臺的構建[J].黑龍江科技信息,2010(17):64-64.

[10] 原亮,丁國良,李浩,等.嵌入式系統的綜合教學實驗環境建立[J].實驗室研究與探索,2008,27(01):92-95.

[11] 聞紹飛,張石,鮑喜榮,等.淺談ARM7嵌入式系統的實驗教學[J].實驗室科學,2009(05):53-55.

[12] 盧寧寧.ARM在嵌入式Linux網絡通信平臺中的應用[J].科技風,2010(01):250-250.

[13] 姜沫岐.陳月云.基于DSP構建綜合仿真平臺的OFDM系統實現[J].信息安全與通信保密,2006(03):86-88.