中心議題：
- 什么時候應(yīng)使用邏輯分析儀
- 定時分析儀基礎(chǔ)
- 選擇正確的采樣方法
- 觸發(fā)定時分析儀
- 狀態(tài)分析儀基礎(chǔ)
- 觸發(fā)狀態(tài)分析儀
在選擇是使用示波器，還是使用邏輯分析儀時，多數(shù)工程師會選擇示波器。為什么? 因?yàn)榇蠖鄶?shù)用戶更熟悉示波器。但示波器的測量能力不能適應(yīng)有些應(yīng)用的需要，而邏輯分析儀卻可能提供更有用的信息。由于示波器和邏輯分析儀在測量能力上有所重疊，因此在某些情況下兩種儀器都可以使用。如何確定哪種儀器更適合您的應(yīng)用呢?
什么時候應(yīng)使用示波器
- 當(dāng)您需要看到信號上小的電壓變化
- 當(dāng)您需要很高的時間間隔精度
一般來說，在需要高垂直或電壓分辨率時應(yīng)使用示波器。即如果您需要看到如圖1 所示的每一微小電壓變化，就應(yīng)使用示波器。許多示波器，包括新一代數(shù)字示波器，還能夠提供非常高的時間間隔分辨率。也就是能以很高的精度測量兩個事件間的時間間隔。總之，當(dāng)您需要參數(shù)信息時，就應(yīng)使用示波器。
圖1. 示波器波形
什么時候應(yīng)使用邏輯分析儀當(dāng)您需要同時看到許多信號當(dāng)您需要以與硬件相同的工作方式觀察系統(tǒng)中的信號當(dāng)您需要在若干信號線的高或低電平上進(jìn)行碼型觸發(fā)，并觀察結(jié)果邏輯分析儀源出于示波器。它們用和示波器相同的方式展現(xiàn)數(shù)據(jù)，水平軸代表時間，垂直軸代表電壓幅度。但與示波器提供很高的電壓分辨率及時間間隔精度不同，邏輯分析儀能同時捕獲和顯示數(shù)百個信號，這是示波器達(dá)不到的。當(dāng)系統(tǒng)中的信號穿越閾值電平時，邏輯分析儀的反應(yīng)與您的邏輯電路相同。它能識別信號是低電平還是高電平。它也能在這些信號的高和低電平的碼型上觸發(fā)。
一般來說，當(dāng)您需要觀察多于示波器通道數(shù)的信號線，并且不需要精密的時間間隔信息時，就應(yīng)使用邏輯分析儀。如果您需要得到像上升和下降時間這類參數(shù)信息時，邏輯分析儀并非好的選擇(見圖2)。而在觀察總線— 例如微處理器地址、數(shù)據(jù)或控制總線上的時間關(guān)或數(shù)據(jù)時，邏輯分析儀是特別有用的。邏輯分析儀還能解碼微處理器總線信息，并以有意義的形式呈現(xiàn)。總之，當(dāng)您完成了參數(shù)設(shè)計階段，開始關(guān)注許多信號間的定時關(guān)系和需要在邏輯高和低電平碼型上觸發(fā)時，邏輯分析儀就是正確的工具。
圖2. 示波器和定時波形
什么是邏輯分析儀?
到目前為止，“邏輯分析儀”這一術(shù)語的使用并不十分嚴(yán)格。實(shí)際上大多數(shù)邏輯分析儀是定時分析儀和狀態(tài)分析儀的綜合體。我們下面將講述這兩種分析儀各自的特殊功能。
定時分析儀基礎(chǔ)
定時分析儀是邏輯分析儀中類似示波器的部分。我們可以將它們看成是親密的堂兄堂弟。定時分析儀用與示波器相同的通用形式顯示信息，水平軸代表時間，垂直軸代表電壓幅度。由于這兩種儀器上的波形與時間相關(guān)，因此稱為“時域”中的顯示。
選擇正確的采樣方法
定時分析儀通過采樣輸入波形確定信號是高還是低。定時分析儀只關(guān)心用戶定義的電壓閾值。如果采樣時信號高于該閾值，就以高或1顯示; 低于閾值的用0或低顯示。從這些采樣點(diǎn)得到一張由 1 和0 組成，代表輸入波形1 bit 圖的列表。分析儀只確定波形是高還是低— 而不認(rèn)可中間電平。這張表格保存在存儲器中，并可用它重建輸入波形的1bit 圖，如圖3所示。
圖3. 定時分析儀采樣點(diǎn)
現(xiàn)在我們觀察圖4上的顯示，這里數(shù)字示波器和定時分析儀顯示實(shí)際相同的信號(正弦波)。定時分析儀趨向于把各種信號拉成方波，這似乎會影響到它的可用性，但我們應(yīng)記住定時分析儀并非是用作參數(shù)測量的儀器。如果您要檢驗(yàn)信號的上升時間，就不應(yīng)使用分析儀，而應(yīng)使用示波器。但如果您需要通過同時觀察幾條甚至幾百條信號線驗(yàn)證信號間的定時關(guān)系，那么定時分析儀就是正確選擇。[page]
例如，假定我們必須每2 ms 刷新一次系統(tǒng)中的動態(tài)RAM。為保證存儲器內(nèi)的所有內(nèi)容均在這2 ms內(nèi)刷新，我們用計數(shù)器對RAM的所有行順序計數(shù)并進(jìn)行刷新。如果要確認(rèn)在再次開始前計數(shù)器已完成對所有行的計數(shù)，就可把定時分析儀設(shè)置為在計數(shù)器開始和顯示所有計數(shù)時觸發(fā)。這里并不關(guān)心參數(shù)— 我們僅僅要檢查計數(shù)器從1 到N 的計數(shù)，然后再次開始。
圖4. 示波器和定時分析儀顯示相同的信號
當(dāng)定時分析儀對輸入線進(jìn)行采樣時，得到的是狀態(tài)高或低。如果信號線在某次采樣時為一種狀態(tài)(高或低)，在下一次采樣時為相反的狀態(tài)，分析儀就“知道”輸入信號在兩次采樣間的某個時刻產(chǎn)生跳變。它并不知道跳變究竟發(fā)生在何時，因此把跳變點(diǎn)放在下一次采樣上，如圖3所示。這就造成分析儀對跳變實(shí)際產(chǎn)生時刻和顯示時刻的不確定性。這種不確定性的最壞情況是一個采樣周期，即在上一采樣點(diǎn)后跳變立即產(chǎn)生的情況。在采用這項(xiàng)技術(shù)時，需要對分辨率和總采集時間作適當(dāng)權(quán)衡。應(yīng)記住每個采樣點(diǎn)都要使用一個存儲器位置。分辨率越高(采樣率越快)，采集窗就越短。
圖5. 定時分析儀采樣輸入線
跳變采樣
當(dāng)我們捕獲如圖6所示帶有數(shù)據(jù)突發(fā)的輸入線上的數(shù)據(jù)時，我們必須把采樣率調(diào)到高分辨率(例如4 ns)，以捕獲開始處的快脈沖。這意味著具有4K (4096樣本)存儲器的定時分析儀在16.4 μs后將停止采集數(shù)據(jù)，使您不能捕獲到第二個數(shù)據(jù)突發(fā)。應(yīng)注意在通常的調(diào)試工作中，我們采樣和捕獲了長時間沒有活動的數(shù)據(jù)。它們使用了邏輯分析儀存儲器，卻不能提供更多的信息。如果我們知道跳變何時產(chǎn)生，是正跳變還是負(fù)跳變，就能夠解決這一問題。只存儲跳變發(fā)生時刻的基本信息，可以更有效地使用存儲器。為實(shí)現(xiàn)跳變定時，我們可在定時分析儀和計數(shù)器的輸入處使用“跳變探測器”。現(xiàn)在定時分析儀只保存跳變前的那些樣本，以及至上一跳變的流逝時間。采用這種方法，每一跳變就只需使用兩個存儲器位置，輸入無活動時就完全無需存儲器。
這里我們談到了“有效存儲器深度”，它等于捕獲的總時間數(shù)據(jù)除以采樣周期(4 ns)。
毛刺捕獲
數(shù)字系統(tǒng)中一個令人頭痛的問題是“毛刺”。毛刺因?yàn)闀谧畈磺‘?dāng)?shù)臅r間造成災(zāi)難性的后果而聲名狼藉。如何捕獲36小時才產(chǎn)生一次，并會導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的毛刺呢? 定時分析儀在此可大顯身手。毛刺可由電路板走線間的電容性耦合、電源紋波、某些器件要求的高瞬時電流，或其它事件造成。定時分析儀可采樣輸入數(shù)據(jù)，保持對采樣間所產(chǎn)生任何跳變的跟蹤，從而容易地識別毛刺。在分析儀中，把毛刺定義為相鄰兩次采樣間穿越邏輯閾值一次以上的任何跳變(圖5)。正如我們在前面所討論的，分析儀保持對采樣間所有跳變的跟蹤。為了識別毛刺，我們要“教”分析儀保持對所有多個跳變的跟蹤，并將它們作為毛刺顯示。顯示毛刺是一種很有用的功能，它也有助于提供毛刺觸發(fā)和顯示產(chǎn)生于毛刺前數(shù)據(jù)的能力，從而幫助我們確定毛刺產(chǎn)生的原因。這種能力也能使分析儀只捕獲毛刺產(chǎn)生時我們所要的數(shù)據(jù)。
回顧本節(jié)開始時提到的例子。我們有一個系統(tǒng)因毛刺出現(xiàn)在一條信號線上周期性的崩潰。由于周期很長，即使能保存所有數(shù)據(jù)(假定我們有足夠的存儲能力)，也必須對如此不可思議的巨大信息量分類。另一種方法是使用沒有毛刺觸發(fā)能力的分析儀，按儀器前面板的run 按鈕，直到您看到毛刺。可惜這兩種方法都不實(shí)際。如果我們能告訴分析儀在毛刺上觸發(fā)，它就能在找到毛刺后停止，捕獲毛刺出現(xiàn)前的所有數(shù)據(jù)。我們先讓分析儀工作，在系統(tǒng)崩潰時就得到導(dǎo)致錯誤的數(shù)據(jù)記錄。
圖8. 毛刺
觸發(fā)定時分析儀
用戶非常熟悉的另一個示波器術(shù)語是“觸發(fā)”。它也在邏輯分析儀中使用，但常稱為“跟蹤點(diǎn)”。與示波器的跡線總是在觸發(fā)后開始不同，邏輯分析儀連續(xù)捕獲數(shù)據(jù)，并在找到跟蹤點(diǎn)后停止采集。這樣，邏輯分析儀就能顯示出被稱為負(fù)時間的跟蹤點(diǎn)前的信息，以及跟蹤點(diǎn)后的信息。[page]
碼型觸發(fā)
設(shè)置定時分析儀的跟蹤特性與設(shè)置示波器的觸發(fā)電平和斜率稍有一點(diǎn)區(qū)別。許多分析儀是在跨多條輸入線的高和低碼型上觸發(fā)。注意圖6中的菜單。我們已告訴分析儀當(dāng)“INT4”的通道0, 2 , 4 , 6為高(邏輯1)，1 , 3 , 5 , 7 通道為低(邏輯0)時開始捕獲數(shù)據(jù)。圖7顯示得到的結(jié)果，中間的垂直線示出了跟蹤點(diǎn)。在跟蹤點(diǎn)，通道0 , 2 , 4 , 6均為高，而通道1 , 3, 5, 7 均為低。為使某些用戶更感方便，絕大多數(shù)分析儀的觸發(fā)點(diǎn)不僅可用二進(jìn)制(1 和0)，而且可用十六進(jìn)制，八進(jìn)制，ASCII或十進(jìn)制設(shè)置。例如在前面的例子若采用十六進(jìn)制設(shè)置，觸發(fā)特性即可用55代替0101 0101。在查看4, 8, 16, 24, 32 bit 寬的總線時，使用十六進(jìn)制的觸發(fā)點(diǎn)會更加方便。想想如果用二進(jìn)制設(shè)置24 bit
總線會多麻煩啊!
圖9. INT4 設(shè)置在高低碼型上觸發(fā)
邊沿觸發(fā)
邊沿觸發(fā)對習(xí)慣使用示波器的用戶是一種很熟悉的概念。在調(diào)節(jié)示波器的“觸發(fā)電平”旋鈕時，您知道是在設(shè)置電壓比較器的電平，它告訴示波器在輸入電壓穿越該電平時觸發(fā)。定時分析儀的邊沿觸發(fā)與其基本相似，只是觸發(fā)電平已預(yù)設(shè)置到邏輯閾值。為什么在定時分析儀中也包含邊沿觸發(fā)? 許多邏輯器件都與電平相關(guān)，這些器件的時鐘和控制信號都對邊沿敏感。邊沿觸發(fā)使您能與器件時鐘同步地捕獲數(shù)據(jù)。例如，考慮一個不能正確移位數(shù)據(jù)的邊沿觸發(fā)移位寄存器。這是數(shù)據(jù)問題還是時鐘沿問題呢? 為了檢查這一器件，我們需要驗(yàn)證時鐘邊沿記錄的數(shù)據(jù)(圖11)。
您能告訴分析儀在時鐘邊沿(上升或下降)捕獲數(shù)據(jù)，并獲取移位寄存器的所有輸出。當(dāng)然在這種情況下，我們必須延遲跟蹤點(diǎn)，以顧及通過移位寄存器的傳播延遲。
圖10. 帶有跟蹤點(diǎn)的波形
圖11. 邊沿觸發(fā)移位寄存器
狀態(tài)分析儀基礎(chǔ)
在本應(yīng)用指南的第一部分，我們講述了作為邏輯分析儀兩個主要部分之一的定時分析儀。下面我們介紹邏輯分析儀的另一主要部分—狀態(tài)分析儀。如果您從未使用過狀態(tài)分析儀，您可能認(rèn)為這是一種極為復(fù)雜的儀器，需要花很多時間才能掌握使用方法。您還會問自己: “我為什么要用狀態(tài)分析儀呢? 我設(shè)計的是硬件。”事實(shí)上，許多硬件設(shè)計師發(fā)現(xiàn)狀態(tài)分析儀是很有價值的工具，特別是跟蹤軟件或硬件中的一些小錯誤時。它可避免產(chǎn)生問題時硬件研制組與軟件研制組間的相互指責(zé)。且掌握狀態(tài)分析儀也并不比定時分析儀困難。
什么時候應(yīng)使用狀態(tài)分析儀如果要了解什么時候應(yīng)使用狀態(tài)分析儀，我們首先要知道什么是“狀態(tài)”。一個邏輯電路的“狀態(tài)”是數(shù)據(jù)有效時對總線或信號線的采樣樣本。例如，取一個如圖12 所示的簡單“D”觸發(fā)器。“D”輸入端的數(shù)據(jù)直到時鐘上升沿到來時才有效。這樣，觸發(fā)器的狀態(tài)就是時鐘上升沿產(chǎn)生時的狀態(tài)。現(xiàn)在，假定我們有8個這樣的觸發(fā)器并聯(lián)。所有8個觸發(fā)器都連到同樣的時鐘信號上(圖13)。當(dāng)時鐘線上產(chǎn)生正跳變時，所有8個觸發(fā)器都要捕獲各自“D”輸入端的數(shù)據(jù)。這樣，每當(dāng)時鐘線上正跳變時就產(chǎn)生一個狀態(tài)，這8條線類似于微處理器總線。如果我們把狀態(tài)分析儀接到這8條線上，并告訴它在時鐘線正跳變時收集數(shù)據(jù)，狀態(tài)分析儀將照此執(zhí)行。除非時鐘跳到高電平，否則輸入的任何活動將不被狀態(tài)分析儀捕獲。
這說明了定時分析儀和狀態(tài)分析儀的主要區(qū)別。定時分析儀有內(nèi)部時鐘控制采樣，因此它是對被測系統(tǒng)作異步采樣。而狀態(tài)分析儀從系統(tǒng)得到采樣時鐘，因此它是對系統(tǒng)同步采樣。作為經(jīng)驗(yàn)法則，您應(yīng)記住要用狀態(tài)分析儀檢查總線上發(fā)生了“什么”，而用定時分析儀查看“什么時候”發(fā)生。因此，狀態(tài)分析儀通常用列表方式顯示數(shù)據(jù)，而定時分析儀用波形圖顯示數(shù)據(jù)。在邏輯分析儀用波形圖顯示狀態(tài)數(shù)據(jù)，或以列表顯示定時數(shù)據(jù)時，我們應(yīng)非常小心，以避免錯誤地解釋數(shù)據(jù)。
理解時鐘
在定時分析儀中，采樣是沿著單一內(nèi)部時鐘的方向進(jìn)行，從而使事情非常簡單。但微處理器系統(tǒng)中往往會有若干個“時鐘”，讓我們來看一個簡單的例子。假定某個時刻我們要在RAM中的一個特定地址上觸發(fā)，并查看所保存的數(shù)據(jù)。再假定使用的微處理器是Zilog 80。為了用狀態(tài)分析儀從Z80 捕獲地址，我們要在MREQ線為低電平時進(jìn)行捕獲。而為捕獲數(shù)據(jù)，需要在WR線為低(寫周期)或RD線為低(讀周期)時讓分析儀采樣。某些微處理器可在同一條線上對數(shù)據(jù)和地址進(jìn)行多路轉(zhuǎn)換。分析儀必須能得到來自相同信號線不同時鐘的時鐘脈沖輸入信息。在讀寫周期期間，Z80首先把一個地址放在地址總線上。接著設(shè)置MREQ，表示該地址對存儲器的讀或?qū)懹行АＷ詈蟾鶕?jù)現(xiàn)在是讀還是寫設(shè)置RD或WR狀態(tài)。WR線只有在總線數(shù)據(jù)有效后才能進(jìn)行設(shè)置。這樣，定時分析儀就作為多路分配器在適當(dāng)?shù)臅r間捕獲地址，然后在同一信號線上捕獲產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。
圖14. RAM 定時波形[page]
觸發(fā)狀態(tài)分析儀
像定時分析儀一樣，狀態(tài)分析儀也提供限定所要保存數(shù)據(jù)的能力。如果我們要尋找地址總線上由高低電平構(gòu)成的特定碼型，可告訴分析儀在找到該模式時開始保存，直到分析儀的存儲器完全裝滿。在下面的例子中，我們把觸發(fā)點(diǎn)設(shè)置為FFF03187(十六進(jìn)制)(圖15)。在這種情況下我們要找出FFF03187 位置中的內(nèi)容，因此把數(shù)據(jù)觸發(fā)設(shè)置為不予關(guān)注(XXXX)態(tài)。這就告訴分析儀對地址FFF03187觸發(fā)，而不管該點(diǎn)是什么數(shù)據(jù)。分析儀捕獲地址FFF03187 和所有其后的狀態(tài)。應(yīng)注意地址FFF03187的數(shù)據(jù)是554103E7(圖16)，并且所有信息均以十六進(jìn)制格式顯示。當(dāng)然也可使用二進(jìn)制格式。但在解碼至匯編碼時，十六進(jìn)制可能更為方便。如果您規(guī)定所有總線信息都用十六進(jìn)制顯示，就得到如(圖16)這樣的顯示。
圖15. 狀態(tài)分析儀的觸發(fā)設(shè)置
這些十六進(jìn)制代碼是什么意思?
在使用處理器時，特定的十六進(jìn)制字符包含一個處理器指令。如果您很熟悉十六進(jìn)制代碼，就能查看這些類似圖13 所示的十六進(jìn)制代碼表，并知道它們代表的指令。但我們大部分人做不到這一點(diǎn)。因此，絕大多數(shù)分析儀制造商設(shè)計了稱為反匯編器的軟件包。這些軟件包把十六進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成易于閱讀的匯編碼。例如圖13中有0000 41B0 和0000 41B1。我們可以從MotorolaPowerQUICC 手冊中查到它們代表存儲器寫0x00 指令。反匯編器可以為我們做這些事情，使我們不需要查找這些代碼。請查看圖17 并注意它們之間的差別。
圖16. 狀態(tài)分析儀捕獲的數(shù)據(jù)
圖17. 把十六進(jìn)制碼翻譯成匯編碼
理解序列級
狀態(tài)分析儀具有幫助觸發(fā)和存儲的“序列級”。序列級使您能比單一觸發(fā)點(diǎn)更精確地限定要保存的數(shù)據(jù)。也就是說可使用更精確的數(shù)據(jù)窗，而不必存儲不需要的信息。序列級的一般形式為:
1 find xxxx
else on xxxx go to level x 2
then find xxxx
else on xxxx go to level x 3
trigger on xxxx
在從程序中的特定點(diǎn)進(jìn)入子程序時，序列級是特別有用的。節(jié)省存儲器和時間的選擇性保存序列級使我們有可能調(diào)用經(jīng)選擇的保存。選擇性的保存意味著可只保存較大整體中的一部分。例如，假定我們有一個計算給定數(shù)平方的匯編例程。如果該例程不能正確計算平方，我們就告訴狀態(tài)分析儀捕獲這一例程。具體做法是先讓狀態(tài)分析儀尋找該例程的起始地址。當(dāng)它找到起始地址時，我們再告訴它尋找終止地址，并保存兩者之間的所有信息。當(dāng)發(fā)現(xiàn)例程結(jié)束時，我們告訴分析儀停止保存(不保存任何狀態(tài))。圖18示出選擇性保存的工作情況。使用觸發(fā)功能與定義每一序列級相比，更好的方法是使用預(yù)定義的觸發(fā)功能。常用的觸發(fā)功能庫，如“尋找產(chǎn)生的第N 個沿”和“尋找事件N 次”提供把分析儀設(shè)置在常見事件和條件上觸發(fā)的簡便方法。狀態(tài)和定時采集這兩種工作模式均可使用這些功能。
您也可把預(yù)定義的觸發(fā)功能作為建立自定義功能的開始點(diǎn)。當(dāng)您拆分一個功能時，就能使用所有的資源分配字段和分支選項(xiàng)。您也能通過改變這些字段改變觸發(fā)結(jié)構(gòu)。您也許需要通過這些工作建立自定義的觸發(fā)規(guī)范，或在您的觸發(fā)序列中建立循環(huán)和跳轉(zhuǎn)。
第1 步: 搜索該例程的第1 行，搜索中不存儲任何信息
第2 步: 在找到第1 行后，開始存儲。連續(xù)存儲，直到找到最后一行
第3 步: 當(dāng)遇到最后一行時，停止存儲
圖18. 選擇性的保存
使用觸發(fā)功能
與定義每一序列級相比，更好的方法是使用預(yù)定義的觸發(fā)功能。常用的觸發(fā)功能庫，如“尋找產(chǎn)生的第N 個沿”和“尋找事件N 次”提供把分析儀設(shè)置在常見事件和條件上觸發(fā)的簡便方法。狀態(tài)和定時采集這兩種工作模式均可使用這些功能。您也可把預(yù)定義的觸發(fā)功能作為建立自定義功能的開始點(diǎn)。當(dāng)您拆分一個功能時，就能使用所有的資源分配字段和分支選項(xiàng)。您也能通過改變這些字段改變觸發(fā)結(jié)構(gòu)。您也許需要通過這些工作建立自定義的觸發(fā)規(guī)范，或在您的觸發(fā)序列中建立循環(huán)和跳轉(zhuǎn)。
