程序调试（除错）过程中的一些雕虫小技

程序调试（除错）过程中的一些雕虫小技（一、前言）
调试程序，是软件开发过程中的一个必不可少的环节。这篇帖子，匠人试着来整理一下一些调试的技巧。
说到“技巧”，这个词自从被所长批臭之后，匠人就吓得不敢再提，生怕一不小心就暴露了思想的浅薄和眼光的局限，呵呵。所以咱们不叫“技巧”，干脆低调点，就叫“雕虫小技”吧。
这里所讨论的“调试”技巧，有些是必须结合开发工具本身的功能来实现，而有些可以通过烧录芯片来验证。
各种开发工具，提供的功能多少强弱也不尽相同，这些方法也未必都能套用。仅供参考吧。
最后说明一下，这是没有草稿的帖子，匠人仍然以不定期连载的方式，边写边发边改。可能结构会比较混乱。欢迎大家一起参与讨论。

程序调试（除错）过程中的一些雕虫小技（二、磨刀不误砍柴功）
在调试之前，需要掌握以下一些基本功：
1、熟悉当前的开发（调试）环境，比如：设置断点、单步运行、全速运行、终止运行，查看RAM、查看堆栈、查看IO口状态……总之，要熟练掌握基本操作的方法，并深刻了解其中意义。
2、了解芯片本身的资源和特性。
3、了解一点汇编语言的知识。（本来匠人是准备写“精通”的，但考虑到现状，还是“放低”这方面的要求罢了）。
4、掌握基本的电路知识和排错能力。（软件调试有时也会牵涉到硬件原因。总不能连三极管的好坏都不能识别吧？）
5、万用表、示波器、信号发生器……这些工具总该会用吧？
6、搜索、鉴别资料的能力。（内事问百度、外事问古狗、有事没事上21ic网）
7、与人沟通，描述问题的能力。（调试36计的最后一计——就是向他人讨教。当然，你得把话说明白才行）
差不多了，如果上述7把砍柴刀磨好了，就可以开始调试了。接下来，请调入你的程序……
——什么？你说你程序还没写？
——匠人倒塌……
程序调试（除错）过程中的一些雕虫小技（三、优先调试人机界面）
面对程序中的一大堆模块，无从下手是吗？好吧，匠人告诉你，先调显示模块，然后是键盘。
为什么要先调显示模块？道理很简单，我们说“眼睛是心灵的窗户”，同样，“显示是程序的窗户”。一旦把显示模块调试好了，就可以通过这个窗口，偷 窥 （天呐，这两个居然是敏感字！） 程序内部的数据和状态了。
然后紧接着，就是调试键盘模块。有了这个按键，我们就可以人工干预程序的运行了。
——什么，你的程序没有显示和按键？
——这位童鞋，你真不幸，请去检查一下自己的人品和星座运程先。谢谢。
实在是没显示？再看看系统有蜂鸣器吗？如果侥幸有的话，也能凑合着发发提示声音吧？
或者，有串口吗？可以考虑借助PC 端的串口调试软件来收发数据，这也是一个间接的人机交流方法。
总而言之，要尽快建立人机交流界面。
程序调试（除错）过程中的一些雕虫小技（四、慢镜头的威力）
2009年春晚捧红了魔术师刘谦（这位老兄名“谦”，其实一点都不谦虚——长的帅不是错，出来拽就是罪过了！），也勾起了大家对魔术的浓厚兴趣，如何识破那些快速的眼花缭乱的魔术手法呢？很简单，用慢镜头回放即可。据说刘谦那个橡皮筋魔术的手法就是被人如此识破的。
回到我们单片机上来。我们知道，单片机的运行速度，一般都是在几M到几十M（当然，也有为了节能而采用几十K的低速）。不管怎么样，这个速度都远远超出了我们人眼能够分辨的速度。眼睛一眨，也许几M条指令已经执行过去了。
比如说数码管显示（假设有4位数码管）。平时我们看到数码管同时点亮着，但是实际上，这4个数码管是逐个扫描的。在任意一个时刻，只有一位数码管被点亮。在微观上，我们可以进一步把每位数码管的扫描动作细分为以下几个步骤：
1、关闭上一位数码管的位选信号；
2、输出当前位数码管的段选信号；
3、开启当前位数码管的位选信号；
4、启动1ms延时；
5、延时结束后，指针移动到下一位数码管，并重复上述4个步骤，如此周而复始。
你看，这样是不是就像用一个慢镜头在分解显示扫描的动作了？
那么如何实现这个慢镜头呢？方法很多：
1、单步运行（需要仿真器支持）；
2、在每一步分动作之后设立断点（需要仿真器支持）；
3、在每一步分动作之后插入足够的延时，让我们肉眼可以看清楚这些分动作（不需要仿真器，适合烧片测试）；
通过慢镜头的反复回放，我们就可以发现，到底是哪一个分动作出现了问题。
这个技巧，不仅仅适用于调试显示程序，也适用于按键扫描或其它模块。只要一个功能可以被细分为若干的动作，那么这一招“慢镜头分解法”都是可以使用的。
程序调试（除错）过程中的一些雕虫小技（五、给程序安装个黑匣子）
某年某月的某一天，一架飞机以优美的抛物线形状，一头栽到海里去了……几天后，人们找到了飞机的黑匣子，里面记录了飞行员的最后一句话：“天呐，我看到火星人了！……”
以上空难情节我们经常会通过新闻看到吧（当然，最后一句是匠人版的科幻情节）。看看，飞机的黑匣子可以记录并再现现场，多么神奇！欧耶！
我们在调试程序时，也可以借鉴这个方法，给程序按装一个黑匣子。程序中的黑匣子其实就是一个在内存中开辟的队列。队列的原理我们很清楚，先进先出，后进后出（与飞机黑匣子的特性相同）。
比如说吧，假设我们的系统在工作中，某个输入量的采样值经常受到不明原因的扰动。我们要摸清这种扰动的规律，以便对症下药。但是这种扰动稍纵即逝。
我们的困扰是：程序正常运行时看不出规律，单步走又难以捕捉扰动。怎么办？
有没有办法，把扰动记录下来？
当然可以。
我们可以利用系统里剩余的RAM，开辟一块单元，做成队列。并写段测试程序，定时把新采样值压入队列。
然后我们让程序运行，在需要的（任意）时刻，让程序停下来。这时，队列里记录的就是最新一批采样数据。
只要队列的深度足够大，我们就可以找出扰动的规律来。
——什么，你问我什么叫队列？
——匠人曰“天呐，我看到火星人了！……”
程序调试（除错）过程中的一些雕虫小技（六、在程序中设卡伏击，拦截流窜犯）
警察抓流窜犯的场面我们都很熟悉了。一般的方法，就是以案发现场为中心，在犯罪分子逃窜的必经路口，设卡盘查。有道是天网恢恢疏而不漏，叫你插翅也飞不过去。
有时，程序中也会出现这样一个“流窜犯”，它就是PC指针。
对于一个未经调试的不成熟的程序来说，导致PC指针跑飞的因素很多，我们逐条列举并分析之：
1、电磁干扰（如果不是在现场，那么这一条可以暂时不考虑。因为在调试环境下一般不会有干扰）；
2、程序结构错乱（喜欢用jmp或goto类指令的尤其要注意这点）；
3、堆栈溢出或错乱，导致PC指针出错；
4、PC指针被错误改写（有些芯片PC指针存储单元和其它RAM单元的访问方法是一样的，很容易被误写）；
5、数据错误，导致程序没有按照预期路径运行；
6、看门狗溢出（原因一般是因为看门狗设置不当、喂狗不及时、程序堵塞或者程序死循环）；
7、中断被意外触发；
8、外部电路问题，比如电源不稳等等；
9、其它……
当我们开始怀疑PC指针时，我们首先要做的是确认PC指针是否跑飞了，其次要找到PC指针跑飞的证据。
我们可以在不同的分支路口，或者在我们怀疑的地方，设立断点，看程序是否走了不该经过的路径。
举个例子，比如我们怀疑程序运行中看门狗发生了溢出复位，那么很简单，我们只需要在初始化入口设立一个断点，让程序运行。正常情况下，程序只会经过一次该断点。如果再次经过该断点被拦截，那么我们就可以初步确诊“看门狗发生了溢出复位”。
再举个例子，比如程序中某个环节有A、B两个分支，正常时只走A分支，不正常时才走B分支。那么我们可以在B分支设立断点，程序一旦异常，走入B分支，就可以被拦截下来。
程序被拦截下来后，我们可以勘察现场，查看RAM区内容和程序刚走过的路径，从中分析导致程序PC指针错乱的原因。
当然，并不是每一次伏击守候都能一举擒获流窜犯（敌人是“狡猾”的，呵呵）。这就需要我们多一份耐心和技巧。通过不断调整断点位置来改变拦截地点。逐渐逼近并找到根源（流窜犯的老巢），然后一举拿下。

程序调试（除错）过程中的一些雕虫小技（七、向猎人学习挖坑设陷阱的技术）
上一回说到，在程序中设卡（断点），可以拦截流窜犯（程序流程错误）。实际上，断点的功能可强大了，不但可以拦截程序流程错误，也可以拦截数据错误。当然，这需要一些辅助手段。
还是以前面提到的一个例子来说。比如某个采样值（当然，也不一定是采样值，在这里也可以是RAM中任意单元中的值）受到未明因素影响，经常“乱跳”。这种数据出错的原因，可能如下：
1、计算错误（比如溢出），导致结果出错；
2、被其它程序段误改写；
3、其它原因……
当数据出错后，我们希望能够在最快时间内，让程序停下来，这样才能有效查出是哪一段程序出了问题。
有些调试环境本身可以捕捉数据错误，并产生断点中断。这当然最好不过。但是如果调试环境本身不提供这种捕捉功能，那么就需要我们自己来制造机关了。
看看猎人是是如何做的：他们会在猎物经过的地方，挖个坑，上面盖上浮土。当小型动物经过时，浮土不会塌陷。而当体重较大的动物经过时，它们的体重就会压垮浮土，掉进猎人的陷阱。
猎人的这个陷阱机关，妙就妙在是它“智能”的，会根据动物的体重进行筛选。
轻巧的小白兔来了——放过，笨重的大狗熊来了——捕获！欧耶！
好了，回到程序中来，假设我们要监控的那个RAM单元，正常值域为0~9；那么我们可以写一段测试代码，判断数值是否>9，根据判断结果执行两个分支，并在那条错误的分支路径上设置断点。
如果数据没有出错，程序会一直运行（小白兔请放心过去）；直到数据错误发生，断点会自动停下来（大狗熊给我拿下）。
我们可以把这段测试程序，插入在“狗熊出没”的地方，“守株待兔”（其实“守坑待熊”）。
接下来的事情，就跟上回说的抓流窜犯原理差不多了。
——什么，你喜欢吃兔肉？不喜欢吃熊掌？
——你也太没有爱心了，唉。。。。。
程序调试（除错）过程中的一些雕虫小技（八、在程序中设置窃听器）
1、你的定时中断频率是否等于设想的那个值？
2、你的主程序循环一次花了多少时间？
3、你的程序中某一次复杂计算需要耗费多少时间？
4、你的程序里某个动作发生的具体时刻是什么时候？
5、……
——也许你不关心这些时间，那么你就不必看这一回了。
但是——
1、当我们的计时时钟发生偏差时，我们希望知道定时中断是否正常发生了；
2、当我们的程序任务较多，并已经导致任务堵塞时，我们需要知道主程序运行一圈的时间是多少，以便我们合理分割任务，避免堵塞；
3、同样，为了避免任务堵塞，我们要了解那些复杂计算所消耗的时间，并采取必要的措施（优化算法、分时间片执行、调整执行频率）来保证系统的实时性；
4、当程序中某些动作与其它动作或状态存在时间上的关联时，我们必须严格控制它的执行时机，确保它在正确的时刻被执行到；
5、……
我们如何才能从外部，对这些这些发生在程序内部的时间（时刻）进行精准的测量？
我们当然不能钻到芯片里面去监视每一条指令的运行情况。但是，我们可以学习一下克格勃，给程序安装个窃听器。
具体方法：
1、首先，你需要一台示波器。没有的话，可以去偷、去抢、去骗。总之，最终你搞定了这台示波器，欧耶。
2、其次，你的芯片上要有一个空余的输出口用作测试口。没有的话，就拆东墙补西墙吧，先把不相关功能的IO口挪用一下啦。总之，最终你搞定了这个测试口，欧耶。
3、接下来，你可以在你要“监听”的程序段中，写一小段程序，对那个测试口取反（或者输出一个脉冲）。
4、最后让程序全速运行起来，你就可以用示波器来监听程序的运行状况了。
以本回开始举的几个例子来分析：
1、如果要测试定时中断频率，只要在中断中对这个测试口取反，即可通过示波器观测中断频率；
2、如果要测试主程序运行周期，只要把取反指令放在主程序循环圈中，即可；
3、如果要测试一次复杂计算（或其它动作）需要消耗多少时间，我们只需在计算之前把测试口变为高电平，等到计算结束后立即把输出口恢复到低电平，这段高电平的时间长度，即为计算消耗时间；
4、如果想知道两个动作之间的延时时间，我们也可以按照上一条方法一样，在两个动作发生前把测试口分别取一次反。就可以通过示波器轻松测试出来。
5、根据实际案例的具体情况，我们可以把这种窃听技术变换出更多花样。比如我们可以用两个IO口做测试口，同步检测两个事件的发生时刻，并测量其相互时间关系。等等……
6、引申开去，这个测试口不仅仅可以检测时间，也可以用来检测内部数据的变化。比如当某个数据的值发生“越界”时，输出一个高电平（平时为低电平）。
等到我们取得我们想要的测试数据，我们可以把这个临时的测试口功能撤销。同时，那些测试代码也可一并删除或屏蔽。
总结：把程序内在的、不直观的、快速的一些状态变化，通过IO口传递出来，以便我们观测。——这就是我们这一回所讲的“窃听器”调试技巧的精髓。
——警告，请勿把“窃听器”安装在女生宿舍哦！
——那样的话，匠人岂不就成为教唆犯了。罪过，罪过。。。。。
程序调试（除错）过程中的一些雕虫小技（九、快镜头加速）
前面已经讲过慢镜头，这回再讲快镜头。
慢镜头的作用的把程序的运行节奏降低，以便我们能够“一帧一帧”地观测程序的运行状态。而快镜头的作用，则相反，就是让程序的运行节奏变快，让我们验证一些原本需要消耗较多等待时间的功能。
比如说，一个定时功能，定时范围是可调的，为1~24小时。如果我们要去验证，总不能傻等1~24小时吧？
怎么办呢？快镜头来了。
我们知道程序中的时间，是靠一级一级的计时器累计上来的。比如一个程序中分别有“时、分、秒”三个计时器单元。依次计数，逢60进一。“秒”计满60次了，则“分”+1；“分”计满60次了，则“时”+1；“时”计数超过设定值了，我们就可以判定定时结束。
那么我们只要修改一下“分”到“时”的进位关系。比如改成：“分”+1；“分”计满1次（原本是60次）了，则“时”+1。这样一来，整个定时系统速度就比原来提高60倍。测试起来就很省时间了。
当然，测试完成后，记得要把刚才做的测试代码改回原样哦。
举一反三，“快镜头”技巧，不仅仅用在定时方面，也可以用在计数方面。通过对数据的变化“加速”，来加快我们的测试速度。
——什么，你喜欢磨洋工，愿意花24小时去测试那个定时功能？
——哈哈，放心，我不会告诉你的老板的——除非他使出美人计来对付我。欧耶！
程序调试（除错）过程中的一些雕虫小技（十、拉闸睡觉！统一管理调试代码）
前面介绍的几种方法，需要在程序中增加一些临时性的调试代码。

有些调试代码是无害的，比如只是一些延时指令，或者是在不使用的IO口上有一些输出而已。

但另一些调试代码，与正式要求的程序功能是相冲突的。那么这些代码在完成调试之后就应该被删除或屏蔽掉。

那么会不会出现意外，把本该被删除的代码漏删了？结果埋下祸害？——如果调试代码少，出错的概率比较低，只要认真仔细点还好办；但是如果程序中的调试代码写得比较多，那么确实很担心会发生这种问题。

或者另一种情况，就是前脚把调试代码删除或屏蔽掉，后脚发现还需要再调试，又要重新输入或打开那些代码？

如何管理这些代码呢？这个我们要向宿舍管理员学习了。他们是这么做的，给所有房间安装一个总电闸。到了晚上11点就把总闸一拉，看书的、打牌的、喝酒的、胡侃的、泡妞的、夜游的、Y们都给我老老实实睡觉去吧！

程序中，这样的总闸也是可以通过条件编译的方式来实现的。就像这样：

//#define TEST_MD        //调试状态标志(在调试时打开，正式烧录芯片时屏蔽)

//在编写调试代码时,采用下面的形式:
#ifdef TEST_MD                //如果是调试状态,则编译这段代码
        ……
        ……
#else                        //如果不是调试状态,则编译这段代码
        ……
        ……
#endif

一个总闸，把管理简单化了。欧耶！

十一、删繁就简，从最小系统开始！

这篇手记写到上一节，原本已经结束了，直到今天看到网友问的一个问题：“我的程序调试都通过啦，为什么烧片后没有反应？”

匠人突然发现，这篇手记的一个缺陷，就是过于集中讨论了调试中的软件技巧，却疏忽了硬件方面的问题。所以特意补充这个小节的内容：

当你辛辛苦苦在仿真上完成了所有调试工作，却发现烧片后系统不工作，该怎么办？

到百脑汇去看看电脑修理工是怎么干活的：面对一台故障不明的电脑，修理工会把先不相关的部件拆掉，只留下电源、主板、CPU三样基本核心部件，看能否启动；如果这一步通过了，他们会继续加上内存、显卡、显示器，看能否点亮；如果点亮了，接下来再加上：硬盘、键盘；最后才是鼠标、光驱、网卡、打印机、摄像头之类。

从最小系统开始，有条不紊地排查。这就是有经验的修理工们惯用的“最小系统法”！

所谓的最小系统法，是指构建一个可运行的系统，必不可少的、最基本的硬件和软件环境。而在这里，我们特指硬件方面。

如果要让一个单片机系统正常工作起来，需要哪些硬件条件，我们罗列一下：

1、电源

2、复位信号

3、晶振信号

Ok！无需多说了，这就是我们要优先排查的目标（也许你需要一个示波器！）。暂时忽视那些不相关的硬件。等单片机能够正常运行了，再去检查其它外围功能电路吧。

如果上述3个方面都排查无误，系统还不能工作，那就是人品问题啦。赶紧找个牧师去忏悔，或者到百脑汇去帮老板干几天活。完了再回来继续查自己的板子上有没有短路、开路等弱智问题。

最后再引申一下：在软件调试时，最小系统法也同样可以使用。先写一个只有最少的代码的系统，让程序跑起来，然后把模块一个个加入调试，不失为一种明智的方法。