代码收藏家技术教程 2023-10-04

毕设教学：STM32-Keil软件仿真和硬件仿真的在线实践指南

软件仿真和硬件仿真什么区别？软件仿真就是没有硬件参与的仿真，完全是模拟实现的。硬件仿真是将程序下载到控制芯片的FLASH或RAM中，直接在硬件上实现仿真。【有什么问题欢迎联系讨论，一起解决问题】

仿真这种东西，因为涉及到信任问题，用的好觉得好用，用不好可能会徒增麻烦——“还不如直接在硬件上调试靠谱”。但是总体上，仿真还是比较有用的，比如在排查软件问题（寄存器配置等）的时候，使用软件仿真是非常靠谱的。而如果涉及到硬件的问题（比如你的板子代码需要读取外部信号，或者输出信号等），可能需要用到硬件仿真，或者说在线仿真。关于仿真，网上的资料说的还是挺全的，这里只做总结。

一、软件仿真

1.1 仿真配置

1.2 操作方法

逻辑分析窗口

Watch窗口

堆栈局部变量窗口

Peripherals窗口

二、硬件/在线仿真

2.1 仿真器通信协议/接口

JTAG协议/接口

SWD协议/接口

RDI协议/接口

2.2 常见仿真器

Jlink

STlink

ULINK

2.3 Jlink的Keil5仿真配置

2.4 硬件仿真操作方法

一、软件仿真

1.1 仿真配置

首先确定仿真的硬件环境。点击魔术棒，，在Target项确认一下仿真的芯片型号无误，然后选择外部时钟源频率（因为STM32一般使用外部时钟)，一般是8MHz。

然后按照如下勾选，这里使用软件仿真就勾选Use Simulator。勾选Run to main()，表示仿真时跳过汇编代码，直接跳转到 main
函数开始仿真。然后Dialog DLL和Parameter分别按照自己的型号进行修改，比如如果你是用的是STM32F103ZE××，就把-
pSTM32F103VB改为-pSTM32F103ZE便可，这里是设置支持所选型号的芯片的软硬件仿真，设置好后仿真的时候就可以通过 Peripherals
选择对应外设的对话框观察仿真结果（非常实用，后边详述）。

1.2 操作方法

点击开始仿真。

这里的DEBUG工具条是比较常用，其中作为一般的使用者或者说入门的使用者来说，最常使用的还是下面加黑的几个。

复位：其功能等同于硬件上按复位按钮。相当于实现了一次硬复位。按下该按钮之后，代码会重新从头开始执行。

执行到断点处 ：该按钮用来快速执行到断点处，有时候你并不需要观看每步是怎么执行的，而是想快速的执行到程序的某个地方看结果，这个按钮就可以实现这样的功能，前提是你在查看的地方设置了断点。

挂起：此按钮在程序一直执行的时候会变为有效，通过按该按钮，就可以使程序停止下来，进入到单步调试状态。

执行进去 ：该按钮用来实现执行到某个函数里面去的功能，在没有函数的情况下，是等同于执行过去按钮的。

执行过去 ：在碰到有函数的地方，通过该按钮就可以单步执行过这个函数，而不进入这个函数单步执行。

执行出去 ：该按钮是在进入了函数单步调试的时候，有时候你可能不必再执行该函数的剩余部分了，通过该按钮就直接一步执行完函数余下的部分，并跳出函数，回到函数被调用的位置。

执行到光标处 ：该按钮可以迅速的使程序运行到光标处，其实是挺像执行到断点处按钮功能，但是两者是有区别的，断点可以有多个，但是光标所在处只有一个。

汇编窗口：通过该按钮，就可以查看汇编代码，这对分析程序很有用。

堆栈局部变量窗口 ：该按钮按下，会弹出一个显示变量的窗口， 在里面可以查看各种你想要看的变量值 ，也是很常用的一个调试窗口。

Watch窗口 ：可以用来查看全局变量。

串口打印窗口：该按钮按下，会弹出一个类似串口调试助手界面的窗口，用来显示从串口打印出来的内容。 需要注意的是在硬件调试时无法使用，只能从硬件上获取串口信息。

内存查看窗口：该按钮按下，会弹出一个内存查看窗口，可以在里面输入你要查看的内存地址，然后观察这一片内存的变化情况。是很常用的一个调试窗口。

性能分析窗口（没标的那个）：按下该按钮，会弹出一个观看各个函数执行时间和所占百分比的窗口，用来分析函数的性能是比较有用的。

逻辑分析窗口 ：按下该按钮会弹出一个逻辑分析窗口， 通过 SETUP 按钮新建一些 IO 口，就可以观察这些 IO 口的电平变化情况 ，以多种形式显示出来，比较直观。

关于执行到某处以及设置/清除断点等这些常规操作不在赘述。

逻辑分析窗口

点击选择逻辑分析仪（Logic Analyzer），

点击左上角SETUP

然后输入要查看的引脚，选择显示类型为Bit,最后Close（另外显示颜色可以自由选择）。这里的引脚名有一定的格式，比如这个是表示GPIOC13引脚，PORTC这里可以理解为GPIOC引脚状态寄存器，（PORTC
& 0x00002000）表示取其GPIOC13的状态（bit），然后右移13位是把该值移到最低位（可以简记为pin号是几就右移几位）。

如果不知道怎么确定“&”的数应该是多少，可以参考下面各pin号的值：

#define GPIO_Pin_0 ((uint16_t)0x0001) /*!< Pin 0 selected /
#define GPIO_Pin_1 ((uint16_t)0x0002) /!< Pin 1 selected /
#define GPIO_Pin_2 ((uint16_t)0x0004) /!< Pin 2 selected /
#define GPIO_Pin_3 ((uint16_t)0x0008) /!< Pin 3 selected /
#define GPIO_Pin_4 ((uint16_t)0x0010) /!< Pin 4 selected /
#define GPIO_Pin_5 ((uint16_t)0x0020) /!< Pin 5 selected /
#define GPIO_Pin_6 ((uint16_t)0x0040) /!< Pin 6 selected /
#define GPIO_Pin_7 ((uint16_t)0x0080) /!< Pin 7 selected /
#define GPIO_Pin_8 ((uint16_t)0x0100) /!< Pin 8 selected /
#define GPIO_Pin_9 ((uint16_t)0x0200) /!< Pin 9 selected /
#define GPIO_Pin_10 ((uint16_t)0x0400) /!< Pin 10 selected /
#define GPIO_Pin_11 ((uint16_t)0x0800) /!< Pin 11 selected /
#define GPIO_Pin_12 ((uint16_t)0x1000) /!< Pin 12 selected /
#define GPIO_Pin_13 ((uint16_t)0x2000) /!< Pin 13 selected /
#define GPIO_Pin_14 ((uint16_t)0x4000) /!< Pin 14 selected /
#define GPIO_Pin_15 ((uint16_t)0x8000) /!< Pin 15 selected */

比如，如果你需要查看PA11的引脚，就写为（PORTA & 0x00000800）>>
11(0x00000800可以写为0x0800)。因为为PA11，所以写PORTA，从上宏定义可知，因为11脚对应的是0x0800，所以就&0x0800，因为是11脚就右移11位。

设置好引脚之后，在View下勾选上更新窗口，这样的话仿真时各种数据会实时更新，逻辑分析仪也就可以看到实时波形。

设置好之后点击运行，就可以在逻辑分析仪窗口看到该引脚的状态实时波形。

Watch窗口

Watch创口可以用来观察全局变量，只要将需要观察的全局变量复制到下面的窗口中，运行之后就可以看到数据的变化。

比如这里是观察一个结构体数组变量的情况，那个数据的值是多少、是什么类型一目了然。

当然，这里没法看局部变量，要看局部变量的话还是要用 堆栈局部变量窗口。

堆栈局部变量窗口

你可能会问，什么是堆、栈？

什么是堆栈？

内存分配方式有三种：

[1]从静态存储区域分配。内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量，static变量。

[2]在栈上创建。在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。

[3]从堆上分配，亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意多少的内存，程序
员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生存期由程序
员决定，使用非常灵活，但如果在堆上分配了空间，就有责任回收它，否则运行的程序
会出现内存泄漏，频繁地分配和释放不同大小的堆空间将会产生堆内碎块。

简言之，我们可以通过这个串口观察申请在堆栈区的变量，另外实测发现静态变量也是可以看的。总之，通过Watch窗口和堆栈窗口我们可以查看几乎所有的变量。

Peripherals窗口

它是用来仿真时 观察和修改 芯片的在外设寄存器用的，第一个System Viewer可以通过箭头所指的地方直接查看。

但是!
这是一个通用的选项，即涵盖了所有的外设，这上边可以查看的外设在我们的芯片型号上不一定有。比如我选用的是STM32VBT6只有3个串口，而这里可以看5个串口！而SyetemViwer下边的是外设是根据前文配置仿真时配置的Dialog
DLL和Parameter决定的，所以要使用这个功能，必须要把Dialog DLL和Parameter配置为你要仿真的芯片型号。

另外两者的界面也有一些差别，看一哈

左图是System Viwer的界面，直接显示了改外设的所有寄存器极其每个位的值。右图是另一个界面，可以相对前者比较直观一些。

二、硬件/在线仿真

2.1 仿真器通信协议/接口

目前主流的协议是JTAG协议和SWD协议，一般常用的仿真器也是同时支持这两种协议/接口的。

JTAG协议/接口

JTAG（Joint Test Action Group，联合测试行动小组）是一种国际标准测试协议（IEEE
1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持JTAG协议，如ARM、DSP、FPGA器件等。JTAG的工作原理可以归结为：在器件内部定义一个TAP(Test
Access Port，测试访问口)，通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试和调试。一个含有JTAG
Debug接口模块的CPU，只要时钟正常，就可以通过JTAG接口访问CPU的内部寄存器、挂在CPU总线上的设备以及内置模块的寄存器。

JTAG有5根线与目标CPU相连，TMS、TCK、TDI、TDO、NTRST：

TMS：测试模式选择，TMS用来设置JTAG接口处于某种特定的测试模式；

TCK：测试时钟输入；

TDI：测试数据输入，数据通过TDI引脚输入JTAG接口；

TDO：测试数据输出，数据通过TDO引脚从JTAG接口输出；

NTRST：JTAG模块复位

其中在引脚紧缺的时候NTRST复位引脚可以不用。

SWD协议/接口

SWD全称Serial Wire Debug，是ARM为嵌入式设备推出的一种简单的调试接口，这种接口通过一条双向数据线和一条时钟线实现对于ARM核心的调试。

SWD需要3根线与目标MCU相连，SWDIO,SWDCLK和GND。

SWDIO 为双向Data口，主机到目标的数据传送。

SWDCLK 为时钟口，主机驱动。

GND GND脚。

关于SWD的协议的具体内容，可以参考这位篇文章。还不满足的话可以参考这篇硕士论《WD协议的研究及ARM程序下载器的设计》。

RDI协议/接口

远程调试接口（Remote Debug
Interface），是ARM公司提出的标准调试接口，主要用于ARM芯片的仿真，由于各个IDE厂商使用的调试接口各自独立，硬件无法进行跨平台的调试。现在众多的IDE厂家都逐步采用标准RDI作为ARM仿真器的调试接口，因此使跨平台的硬件调试成为可能。EasyJTAG由于使用标准RDI调试接

2.2 常见仿真器

Jlink

J-Link是德国SEGGER公司推出基于JTAG的仿真器。简单地说，是一个JTAG协议转换盒，即一个小型USB到JTAG的转换盒，其连接到计算机用的是USB接口，而到目标板内部用的还是jtag协议。它完成了USB接口和JTAG接口的转换工作。JLINK是一个通用的开发工具，可以用于KEIL、IAR、ADS
等平台。速度，效率，功能都很好，据说是众多仿真器里最强悍的。