基于ARM嵌入式系统QT软件模拟调试技术
2019-08-23吕兴朝王泽同
文/吕兴朝 王泽同
1 引言
ARM公司于1991年成立于英国剑桥，主要设计了基于精简指令集的ARM核微处理器，它只参与IP核的设计，而不从事芯片的生产。世界其他半导体厂商Philips、Samsung、Atmel、 Analog Devices、Sharp、ST、TI、瑞芯微、全志等通过向ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，加入自己的ARM外围电路，形成了自己的ARM处理器芯片。如美国TI公司的335X系列、中国的全志A35系列、中国的瑞芯微RK3288系列等。微处理器厂商通过和授权主板厂商或公司合作，开发基于ARM处理器的开发板，用于各种工业控制、嵌入式应用等。如飞凌嵌入式FET1012A系列核心板、周立功ARM9系列开发板。ARM处理器体积小、低功耗、低成本、高性能，基于ARM的嵌入式系统被广泛应用于医疗器械、工业控制、机械制造、机器人、人工智能、航空航天等诸多领域。基于ARM嵌入式系统通常运行的是linux系统，主流可视化的应用程序的开发一般基于QT进行开发。
2 QT开发环境搭建
QT开发需要准备的工具：
（1）ubuntu或debian系统安装镜像。
（2）VmwarePlayer.工具
（3）QT IDE源码。
（4）交叉编译工具。
如果开发PC是windows系统，则首先要在windows上安装虚拟机软件VmwarePlayer，用于运行linux。如果开发PC操作系统是ubuntu或者debian系统，则不需用工具1和2。在VmwarePlayer中新建虚拟机，安装ubuntu或debian系统。
通过交叉编译工具编译QT IDE源码得到可以在嵌入式系统中编译的qmake。使用linux系统自带的g++编译器编译QT IDE源码，可以得到在linux桌面系统中编译的qmake。需要注意的是这两个编译是不同的，一个是可以在ARM中编译运行的，一个是可以在linux桌面系统中编译运行的。两者不可以混用，即用交叉编译工具编译的qmake编译出来的QT应用程序不能在linux桌面系统中运行，用linux桌面系统编译出来的QT应用程序不能在嵌入式系统中运行。
3 QT应用软件开发调试
本文以操作ARM嵌入式系统开发板的GPIO以及RS232串口为例。
假定系统需求为：
（1）ARM嵌入式系统可以通过GPIO1控制一个电平输出。
（2）ARM嵌入式系统可以通过GPIO2采集一个电平输入。
图1：主程序界面
图2：模拟程序界面
（3）ARM嵌入式系统可以通过RS232串口读取温度传感器模块的实时温度，温度传感器返回给ARM嵌入式系统ADC值，QT软件通过温度与ADC值的Map关系可以得知温度。
ARM嵌入式系统开发板的GPIO口通常分为两种：一种是输入GPIO，一种是输出GPIO。输入GPIO就是采集输入口的电平，linux系统内核通过驱动解析硬件输入，将输入口的电平信号转换为1或0，上层QT系统软件通过读取驱动接口获取到1或者0。输出GPIO是上层QT系统软件通过内核驱动将1或0输出到硬件上，硬件接口将输出高电平或低电平。RS232串口可以输入或输出串口帧数据。通过自定义数据帧格式实现ARM嵌入式系统与温度传感器模块的通信。当需要读取温度时，ARM嵌入式系统向温度传感器模块发送读取温度命令帧格式数据，温度传感器模块收到读取指令后返回温度值的帧格式数据，然后QT软件根据帧格式提取温度值的ADC值，通过ADC值与温度值的Map关系进行转换。
虚拟机中并不存在gpio口或者指定串口，主工程需要验证输入输出的gpio口数据或串口数据是否正确。只通过单机上打断点查看寄存器的值的调试方法，只能查看输出是否正确，输入则无法验证，并且操作可视性差，不方便查看。可以通过模拟硬件的虚拟程序辅助主工程进行调试，主工程和模拟硬件程序对指定文件进行共同读写，模拟程序写入的值则可以触发主程序通过断点调试输入信息，模拟程序也可以显示主程序的输出。
下面通过实际工程示例来说明整个操作过程。
首先新建QT主工程，通过预编译定义来区分是在linux系统中运行还是在ARM嵌入式系统中运行。当主程序运行在linux系统模式时，可以使用gdb进行打断点调试。当需要运行在ARM嵌入式系统时，只需要修改预编译定义，使用交叉编译的qmake进行编译即可。
下面为主工程程序伪码：
//gpio输出操作
#ifdef arm //运行在arm系统模式
system(“echo 1 ＞ /sys/class/gpio/gpio1/value”);//向gpio1输出1
#else //运行在linux系统模式
FILE* fp=fopen(“/sys/class/simulation/gpio1”，”w”);
char cTemp[1]={1};
fwrite(cTemp，1，sizeof(cTemp)，fp); //模拟向文件/sys/class/simulation/gpio1输出1
fclose(fp);
#endif
//gpio输入操作
#ifdef arm //运行在arm系统模式
system(“cat /sys/class/gpio/gpio1/value”);//读取gpio1的值
#else //运行在linux系统模式
FILE* fp=fopen(“/sys/class/simulation/gpio2”，”r”);
char cTemp[1]={1};
fread(cTemp，1，sizeof(cTemp)，fp); //读取模拟文件/sys/class/simulation/gpio2
fclose(fp);
#endif
//串口读取操作
#ifdef arm //运行在arm系统模式
//写入读取指令
//读取温度ADC
#else //运行在linux系统模式
FILE* fp=fopen(“/sys/class/simulation/serial”，”rb+”);
char cTemp[1]={1};
fwrite(cTemp，1，sizeof(cTemp)，fp); //向模拟串口文件/sys/class/simulation/serial输出读指令(假定输出1为读指令)
fread(cTemp，1，sizeof(cTemp)，fp); //读取模拟串口文件/sys/class/simulation/serial (假定读到的为1个byte的ADC数据)
fclose(fp);
//根据Map解析ADC温度值
#endif
图1为主工程界面。
新建QT模拟工程，模拟工程中可以对指定文件的进行读写操作，方便主工程调试。
下面为模拟工程程序伪码：
//输出gpio2操作
FILE* fp=fopen(“/sys/class/simulation/gpio2”，”w”);
char cTemp[1]={1};
fwrite(cTemp，1，sizeof(cTemp)，fp); //向文件/sys/class/simulation/gpio2输出1
fclose(fp);
//读取gpio1操作
FILE* fp=fopen(“/sys/class/simulation/gpio1”，”r”);
char cTemp[1]={1};
fread(cTemp，1，sizeof(cTemp)，fp); //读取文件/sys/class/simulation/gpio1
fclose(fp);
//串口写入操作
FILE* fp=fopen(“/sys/class/simulation/serial”，”rb+”);
char cTemp[1]={0x55};
fwrite(cTemp，1，sizeof(cTemp)，fp); //写入模拟串口ADC温度/sys/class/simulation/serial fclose(fp);
图2为模拟程序界面，可以通过读写刷新按钮，根据设定值对文件进行读写，从而触发主工程调试。
4 结论
本文提供了一种通过可视化的模拟程序读写文件，方便ARM嵌入式系统QT软件在linux环境下调试。特别当系统逻辑比较复杂时，可视化的调试工具，可以大大的节省程序开发人员发现问题的时间，有非常良好的实用价值。该方法曾被笔者广泛的应用在复杂状态机的控制调试中，极大地降低了系统调试的复杂度。
