摘要：叙述嵌入式计算系统在开发阶段、生产环境和现场环境三种情况下的调测技术
和方法，以及如何在硬件和软件设计中进行可观测性和可测试性设计。
关键词：在线测试 可观测性 可测试性 BDM JTAG
引言
对于含有微处理器的装置来说，调测总是软件和硬件结合的。在产品开发的阶段以排错为
主，在产品开发后期以及生产和现场运行阶段，则是以测试为主。不同的阶段，调测的内
容、手段和使用的工具不尽相同。
测试接口并不是系统功能的一部分，测试接口设计本身也需要成本。对于小型简单系统来
说，没有必要也不允许（成本考虑）设计测试接口；对于复杂系统来说，设计测试接口的
花费是值得的。良好的测试接口设计可经缩短产品的开发周期，给产品维护、维修带来便
利。
对于嵌入式计算系统来说，测试往往是软件和硬件相结合的，既有借助于“正确”的软件
来测试硬件，也有借助于“正确”的硬件来测试软件。由于软件设计人员和硬件设计人员
的技术隔膜，二者常常在出现问题后相互指责，难以界定是软件还是硬件问题。对于嵌入
式系统的软件设计人员
来说，必须对硬件有足够的了解。这一点，和通用计算平台上的软件设计是不同的；反之
，硬件人员也必须能够编写一些测试软件，以证明其设计的正确性。
1 开发阶段的调制方法
1.1 RAM版本的目标系统调试
通过ICE（In-Circuit-Emulate）来调试目标板是开发人员最常用的手段。在产品开发初
期，由于各种软件和硬件问题很多，通过仿真器并结合逻辑分析仪、示波器等硬件信号测
试工具能够很好地发现问题。
在仿真器环境下，通过仿真器的监控软件来控制用户软件的运行，使用断点、单步跟踪和
查看变量、CPU寄存器、存储器的数值等手段来查找问题。由于仿真器的软件和硬件需要
一定的CPU资源，用户软件在仿真器环境下运行和脱离仿真器后独立运行是有区别的。好
的仿真器能够尽量减小这
种区别。常见的仿真器从技术上区分有：单CPU仿真器、双CPU仿真器和ROM仿真器。
在仿真器环境下，程序一般是在仿真器的RAM存储器中运行的，所以这种阶段也称为“RA
M版本的目标系统调试”。
1.2 ROM版本的目标系统调试
在仿真器环境下，目标板运行调试正确后，一般的做法是将应用程序写入目标板的非易失
性存储器中，让目标板单独运行。在很多情况下，目标板系统往往不能运行或者运行结果
和仿真器环境下不一致。而没有连接仿真器，无法观察各种软件状态，给分析问题造成一
定困难。在目标板上设
计指示电路有助于发现问题；在电路板上增加1个LED是最简单也是很有效的方法。对于复
杂系统，可以设计1个数码管显示输出接口，或者设计1个调试用串口，将调试信息发送到
PC机上显示。
在使用PC机作为显示输出设备时，一般的做法是使用Winodws自带的超级终端软件，无需
另外编制程序。和前二种方法相比，该方法的接口信号是双向的，调试者可以通过PC机输
入信息到目标板中，设定显示信息的类别。这一点，对于复杂系统的调试是很有价值的，
CISCO公司的很多路由器
产品就使用这种方法来维护和调试。
2 生产阶段的测试方法
生产阶段的测试只是对硬件电路或者系统进行测试。测试目的是为了对产品或者部件进行
分检，找出有缺陷的产品。测试内容包括：
*裸板测试——检查未安装元器件的电路板上的开路和短路缺陷；
*成品生产缺陷分析——检查已安装元器件的电路板上焊点的短路和开路缺陷；
*成品电气性能测试——认证每个单元器件的上电运作；
*产品功能测试——认证电路模块的功能。
生产测试和开发阶段的硬件测试不同，需要测试方法快速、能成批测试，易于在制造生产
线上安装。在生产的不同阶段使用的测试工具和技术也不相同。目前常用的测试工具和技
术有：人工视觉检查（MVI）、在线测试（ICT）、自动光学测试（AOI）、自动X射线测试
（AXI）。其中人工视
醪馐裕∕VI）只能用于小批量试制产品。
在线测试（ICT）是最常用的一种线路板测试方法：使用专门的针床与已焊接好的线路板
上的元器件接触，通过针床在线路板上施加微小电压来测试线路通断、元件是否正确安装
。由于需要为特定电路板设计专用夹具，适合于单一品种民用型家电线路板极大规模生产
的测试；缺点是在高密
鹊腟MT线路板测试困难。目前的替代解决办法是使用光学方法测试（如AOI，AXI），或者
使用边界扫描技术（即基于IEEE1394标准的JTAG测试接口）测试。后者需要IC或者线路板
支持此技术。
功能测试是生产过程的最后阶段使用，测试线路板或者系统的功能指标，一般的功能测试
需要设计专用测试设备和测试软件。
3 现场测试技术
现场测试分为三种情况：一种是在线测试，测试设备不停止运行；一种是停机测试，被测
试设备停止运行；第三种为脱机测试，将被测部件从运行现场取出，放到专用的测试装备
上进行测试。从测试技术角度上说，后二者更容易进行各种测试；对于复杂系统来说，往
往故障和问题需要在设
备运行时才能发现和定位，必须进行在线测试。究竟采取哪种方式进行现场测试，取决于
故障状况和实际应用是否允许立即停机。
开发阶段产品和成熟产品的现场测试要求也不同：前者测试目的主要是发现设计中的问题
，由产品开发人员进行；后者侧重于发现使用中的问题和失效的部件，目的是更换部件，
由产品使用人员进行。（但测试方法和步骤也有可能是设计人员制定的。）
现场测试和试验室测试的最大区别就是测试设备难以安装和连接：线路板封闭在机箱中，
测试信号线很难引入，即使设备外壳上留有测试插座，测试信号线也需要很长，传统的在
线仿真器在现场测试中无法使用。另一方面，现场往往没有实验室里的各种测试仪器和设
备，因此，必须有更好
的方法和手段来完成测试。
嵌入式处理器中目前有很多芯片具有类似Motorola公司683XX系列处理器的BDM调试接
口（详见第5部分）。这种接口是串行的，处理器内部固化了调试微码，为现场测试
带来了方便。对于不具备这种接口的嵌入式计算系统，在系统设计时将关键信号点引出到
一个测试接口插座上，通过该插座可输入测试激励信号和观察输出信号；对于软件测试，
可使用前文中所述的ROM板测试方法，外接显示部件来观察程序运行情况。
软件现场调试的另外一个要求是程序应能够现场下载，以便在发现问题后能够修改软件。
现场在线下载程序的方法有两种：一种是使用具有ISP功能的处理（如Philips公司的P89
C51RD系列MCU等），另一种方案是将软件设计成两部分，一部分是应用功能软件，另一部
分是完成前者下载到系
持械南略赝ㄐ湃砑?Ｎ蘼勰闹址椒ǎ?略氐闹骰??荘C机。如果需要达到远程调试和下
载的目的，则要使用后一种方案。例如，在Echelon公司的Lonwork现场总线产品中，每个
节点中的程序均可以通过网络下载，这种功能为多节点网络系统的现场调试带来了极大方
便。
4 可测试性设计
在产品开发初期，产品测试的目的是验证产品设计的正确性，而可测试性部件的存在则能
加快测试速度，缩短产品开发周期；在生产阶段，通过测试来剔除有缺陷的产品和部件；
在使用阶段，测试则用于故障定位，找出失效的部件并更换或者维修。可见，产品的测试
在产品生命周期各阶段
均有十分重要的作用。可测试性设计应该在产品设计初期就加以考虑，结合测试在不同阶
段的作用来设计测试模块和接口。
产品的可测试性设计要考虑的问题有：测试的目的、测试部件的位置、测试部件的基本要
素、内置测试部件与外部测试设备仪器之间的电气和机械连接，添加测试部件对被测模块
功能和性能的影响、测试部件的成本以及何时使用测试功能等。
如前所述，测试在产品不同阶段是有差别的。在产品开发阶段，很多参数需要定量和详细
地进行测试，以验证产品在各种不同情况下是否能正常工作；测试参数，测试点较多，可
以方便地连接各种外部测试仪器，也不需要考虑添加测试部件所带来的附加成本。在产品
生产和使用阶段，测试
的节点和参数数量也相对减少，测试一般是定性的，无需借助于外部设备的自测试，成本
因素也必须考虑。
测试部件一般位于被测部件的接口和边界位置上，如图上所示，用于产品控制被测部件的
激励信号和采样被测部件的输出信号。测试部件一般由测试信号源、信号传输通道、测试
观察装置等组成。测试部件可以完全包含在被测部件中，也可部分位于外部（如外接信号
源和示波器等）。对于
自动测试，测试部件还包括被测部件的预期输出存储部件比较部分。
在一个系统中，如何划分模块，确定测试位置（即模块的边界）是关系到可测试性设计是
否合理的首要问题。模块间最小相关原则和模块内最小相似原则是两个重要依据：前者保
证测试可以独立进行，不需要很多其它模块的配合；后者可以使测试能正确反映被测模块
的大部分工况，不至于
漏测很多工作状态。
很多情况下，从被测模块的边界直接引出信号有困难，测试信号需要经过其它模块引入到
被测模块上。如果作为信号路径的模块对信号特征没有改变，则称这种测试路径是透明的
，路径模块必须能在旁路模式和正常工作模式之间切换，实现起来有局限性。对于硬件来
说，最简单的透明路径
是使用跳线。
对于简单嵌入式系统来说，测试一般包括上电自测试和人为测试。后者在故障出现时进行
。对于复杂系统来说，还包括定时自动测试，比如在大型程控交换机和飞机机载电子设备
的运行过程中，均定时进行自检。
可测试性设计还应考虑测试功能所使用对象的不同。产品设计人员、产品使用人员和产品
维护人员对测试内容的要求是同的，需要进行分层次的可测试性设计。
对于硬件和系统的可测试性设计已有IEEE1149.1/4/5等标准可以借鉴，对于单纯的软件测
试，目前尚无具体和统一的标准，只有诸如代码格式分析、白盒测试、黑盒测试、覆盖测
试等测试方法。软件测试的途径有两个。一是在源代码中增加大量测试代码，使用条件编
译指令来控制形成调试
、测试和最终发布等不同版本。调测版本的代码规模要比最终的发布版本大很多，在问题
解决后，一般将临时性测试代码通过编译开关屏蔽。另外一个软件测试途径是使用专用的
测试软件（如法国Telelogic公司的LOGISCOPE测试工具），这些测试软件能完成诸如覆盖
测试、代码格式分析等
功能，但均是针对特定的语言和操作系统环境，使用上一些限制。
还需要说明的就是“可观测”设计的概念。可观测性和可测试性不同，不需要加入激励信
号，只观察系统运行中某些内部状态，比如软件中某个重要变量的数值变化，硬件电路中
某个IC引脚的信号电平等。在设计中，应该保留这些观察接口，以便需要时用它来判断和
分析系统的问题。一个
可测试的系统，一定是可观测的，反之则不然。设计可测试性系统的目的是为了以后修改
和改进设计，而使系统具有可观测性则是为了维护系统，判断哪个是出故障的部件，以便
更换。可测试性设计一般用于新产品，而可观测性设计用于成熟产品。当然，在结构、安
装条件和成本允许的情
况下，成熟产品也应具有可测试性。实际上，由于处理器技术和芯片的日新月异，已经不
存在真正意义上的成熟产品了。
在一类产品中的可测试性设计应该具有一致性，例如，用红色LED表示电源状态，所有电
路板均应采用红色LED，点亮的频率也应该一致。作为企业，应制定相关的测试接口标准
，并且这些标准应符合行业习惯或者行业标准。
5 测试和调试接口标准
测试和调试接口标准：JTAG和BDM。
5.1 背景调试模式
在使用传统的ICE来调试时，使用ICE中的CPU来取代目标板中的CPU，目标板和ICE之间使
用多芯扁平电缆来连接，而ICE在使用时一般还需要缩主机（一般来PC）来连接。
在一些高端微处理器内部已经包含了用于调试的微码，调试时仿真器软件和目标板上的C
PU的调试微码通信，目标板
上的CPU无需取出。由于软件调试指令无需经过一段扁平电缆来控制目标板，避免了高频
操作限制、交流和直流的不匹配以及调试线缆的电阻影响等问题。这种调试模式在Motor
ola公司产品68300系列中被称为背景调试模式BDM（Background Debug
Mode）。在仿真器和目标之间使用8芯（或者10芯）的BDM接口来连接，其他公司的嵌入式
处理器也有类似功能，不过叫法不同，例如AMD公司在其X86微处理器上提供“AMDebug”
的调试接口。
实际上，BDM相当于将ICE仿真器软件和硬件内置在处理器，这使得我们直接使用PC机的并
口来调试软件，不再需要ICE硬件，大大节约了汽油发成本。一些调试器供应商也提供这
种软件产品（如XRAY）。对于用户来说，为了调试一些特定问题，可以直接使用BDM命令
来调试目标系统，以弥补
商业调试软件的不足。
BDM接口有8根信号线，也有为10根信号线的，如图2所示。调试软件通过4脚使CPU进入背
景调试模式，调试命令的串行信号则8通过脚输入,同时4脚输入信号步时钟，而CPU中的微
码在执行命令后会在10脚输出调试结果指示信号。可见，BDM接口引线由并口和PC机相连
，调试命令则是通过串行
方式输入的。
目前在CPU内置的调试接口和微码方面，各厂家尚无统一标准。处理器厂家、工具开发公
司和仪器制造商曾于1998年组成了Nexus 5001 Forum(Nexus 5001论坛)，成员包括Motor
ola、Infineon
Technologies、日立、ETAS和惠普公司等，正致力于制定一个统一的片上通用调试接口。
这方面的进一步情况可查阅http://www.nexus-standard.org/网站。
5.2 边界扫描测试技术和JTAG接口
边界扫描测试技术（Boundary-Scan Test Architecture）属于一种可测试性设计。其基本思想是在芯片引脚和芯片内部逻辑之间（即芯片边界位置）增加串行连接的边界扫描测试单元，实现对芯片引脚状态的设定和读取 ，使芯片引脚状态具有可控性和可观测性。
边界扫描测试技术最初由各大半导体公司（Philips、IBM、Intel等）成立的联全测试行
动小组JTAG（Join Test Action Group）于1988年提出，1990年被IEEE规定为电子产品可测试性设计的标准（IEEE1149.1/2/3）。目前，该标准已被一些大规模集成电路所采用（如DSP、CPU、FPGA等），而访问 边界扫描测试电路的接口信号定义标准被称为JTAG接口，很多嵌入式处理器内置了这种测 试接口。在Cygnal公司腃8051F000系列单片机中和一些FPGA芯片中，JTAG接口不仅能用于测试，也是器件的编程
接口。
IEEE1149.1标准支持以下3种测试功能：
*内部测试——IC内部的逻辑测试；
*外部测试——IC间相互连接的测试；
*取样测试——IC正常运行时的数据取样测试。
图3给出了具有2个芯片的系统的边界扫描测试原理。
图3中，TCK为测试同步时钟输入，TMS为测试模式选中输入，TDI为测试数据输入，TDO为
测试数据输出，由测试移位寄存器产品。图3中的小方框表示位于芯片外围的边界扫描测
试逻辑单元，芯片每个引脚信号经过边界扫描单元和内部的功能单元相连接。
目前，边界扫描技术的应用主要在数字IC的测试上，这种设计思想也可用于模拟系统、板
级测试甚至系统测试上。IEEE也制定了和IEEE1149.1相类似的标准IEEE P1149.4（数模混
合信号测试总线标准）、IEEE 1149.5（电路板测试和维护总线标准）。
