嵌入式硬件測試平臺及其硬件識別系統的設計與實現

楊慧敏 雷源春

摘要：本文分析了嵌入式測試系統的技術特點和國內外研究的現狀，總結對比各類文獻關于計算機硬件測試的技術方法后，指出了目前嵌入式測試平臺所存在的測試自動化程度不足、硬件測試兼容性較低的問題，并針對問題給出了建立硬件識別系統、硬件測試系統以及上位機控制系統的解決方法。同時研究了一種使用獨立控制器的硬件識別系統，探討了測試平臺對硬件識別的要求和實現硬件自動識別的關鍵技術，提出了一種嵌入式硬件識別系統，并對其技術方案并進行了研究，包括電路框架、掃描及反饋策略、識別邏輯流程、識別控制指令、硬件ID編碼。并以識別控制器為核心，構建了硬件識別系統的電路，并為電路進行了邏輯仿真，驗證了硬件識別系統的有效性。

關鍵詞：嵌入式系統；測試平臺；硬件識別；識別控制器；ID編碼

1引言

在電子技術領導的科學技術高速發展的今天，嵌入式技術在消費市場、工業控制、科學研究、軍工等領域上有著重要的地位。這些嵌入式電子產品也在性能、功耗控制和智能化等方面不斷地追求提升和創新。因此，產品研發企業也對產品的研發過程提出了更快、更精密和更大規模等要求。為了滿足這些研發要求，一方要求研發人員有更高的知識和經驗水平，另一方面要求研發時所采用的調試系統平臺具有更多的輔助功能來提高研發的效率。

目前，應用于嵌入式調試系統平臺上的一些擴展技術，確實有助于研發人員減少一定的工作量，提高研發的效率。比如：模塊化的硬件結構可用于硬件選型及定位問題所在的硬件[1]，集成存儲單元的處理器核心板結構可實現從調試系統到工程樣本系統間的快速轉換[2]，動態電壓頻率調整技術有助于系統的功耗的優化[3]，硬件測試技術的應用，幫助了研發人員確認硬件的問題以作維修或更換[4]。

上述對嵌入式調試系統平臺的擴展，在較大程度上提升了調試系統的效率，但仍然存在一些不足。由于在產品研發過程中，硬件選型會使硬件模塊的更換比較頻繁，而且在軟件調試階段由于驅動或功能程序存在較多的BUG，而部分BUG會影響到硬件的正常運行，甚至損壞硬件。若硬件出現的問題未能及時發現，研發人員可能會把硬件問題當作軟件問題來分析，這將較大程度地拖慢了研發的進度。雖然，目前已有幾種應用于嵌入式系統的測試技術與方法，但這些方法都是發現問題后再進行的測試[5]，不能預先發現問題所在，也不能對硬件實施自動的測試。若能在調試系統啟動時，對系統硬件做出自動測試，迅速發現并準確定位硬件故障，這些不足將能獲得有效的解決。

為此，本文提出了一種具有硬件自動化識別能力的嵌入式硬件測試平臺，并重點對識別系統做研究和設計，致力于解決硬件模塊的自動化識別問題。本文提出的硬件自動測試系統是嵌入式調試系統的一種測試技術應用，其現實意義是：通過建立硬件自動化識別系統，為測試過程和調試過程提供必要的硬件識別信息，上位機可根據識別信息自動調取合適的測試腳本，聯調EDA工具，最終實現自動測試。

為克服國內外文獻的研究對嵌入式調試系統平臺對硬件不能實施自動化測試的問題，本文研究分析了計算機硬件的測試與識別技術，提出了一種基于嵌入式調試系統的硬件自測試系統，系統的主要部分是硬件自動化測試平臺和上位機軟件系統，出于研究的側重，本課題重點對硬件自動化測試平臺中，對實現自動化測試起到關鍵作用的硬件識別系統做深入的研究和設計。

（1）硬件自動化測試平臺

對實現硬件自動識別及測試的平臺作研究和設計，為后續的協處理器識別系統研究與設計給出初步的設想和平臺支撐。

（2）硬件識別系統

首先，硬件識別系統的建立，主要是解決測試自動化的問題。自動生成的識別報告，可在文獻的支持下，利用數據庫和EDA軟件聯調技術，實現自動的腳本生成、程序編譯以及機器碼下載。

其次，識別系統應解決測試平臺對多指令集處理器的支持問題。由于傳統計算機系統的硬件識別與測試過程都使用同一個處理器實現，因此處理器無法對本身進行識別，也無法對多指令架構處理器實現測試。為解決上述問題，論文提出了一種基于FPGA識別控制器的識別系統，系統參考了PCI并行總線識別技術、USB串行總線識別技術以及基于位置信息的識別技術等識別技術，實現了對包括嵌入式處理器在內的各種嵌入式硬件模塊的識別。

2動化測試系統的總體設計

2.1自動化測試系統框架設計

為滿足測試平臺自動識別及測試的要求，現對測試系統、以及其主要部分的硬件自動化測試平臺展開設計。系統總體設計的完成，可為后續的識別與測試子系統的設計給予支持和指導。

2.1.1自動化測試系統結構總覽

嵌入式硬件自動化測試系統是一套整合硬件識別與測試技術，對嵌入式調試系統的模塊化硬件進行自動化識別和測試的系統。系統由三大子系統組成，它們分別是硬件識別系統、硬件測試系統和上位機軟件系統，見圖2-1。

圖2-1嵌入式硬件自動測試系統組成

嵌入式硬件自動化測試系統在硬件的組成上，可劃分為三個部分，它們是上位機平臺、嵌入式自測試平臺和被測硬件端。

2.1.2自動化測試系統的運作流程

自動化測試系統的運作流程見圖2-2系統主要分為四項工作流程，即主控流程、識別子流程、測試子流程以及分析與報告子流程，其中主控流程負責測試系統的全局控制，其工作過程中會調用其他三個子流程。

圖2-2測試系統運行流程框圖

（1）主控流程

主控流程是測試平臺運行的主要邏輯，它決定了當前的測試系統的工作狀態。當測試開始時，它首先判斷系統是否識別完成。若識別未完成，則啟動識別流程；若完成則再判斷測試是否完成；若測試未完成，則啟動測試流程；若測試完成，則啟動分析報告流程。另外它還提供了用戶控制UI，用戶可以手動配置系統的控制流程。

（2）識別子流程

識別子流程是驅動被測硬件發送識別信號并解析報告的流程，主要是通過識別控制器和上位機協同完成，上位機首先發出識別指令，然后識別控制器開始對硬件進行逐一掃描，并收集硬件的識別信息，后上傳到上位機，上位機端的識別控制軟件將根據識別信息查找硬件識別數據庫，得到具體的識別結果，識別結果也將顯示在識別控制軟件的用戶UI上。

（3）測試子流程

測試子流程是驅動嵌入式處理器產生測試激勵對硬件測試的流程。上位機首先根據識別報告生成測試腳本并聯調EDA工具下載到嵌入式核心板上，然后嵌入式處理器執行測試腳本開始對硬件執行測試，最后由測試控制器收集測試結果并反饋到上位機。

（4）分析與報告子流程

流程分為三步。首先根據測試結果分析各個硬件是否存在故障；然后根據目前接入系統的硬件類型，判斷嵌入式系統的完整程度；最后生成包括獨立硬件和整體系統的完整測試報告。

嵌入式測試系測試系統是一個較為龐大的系統，涉及到測試平臺的硬件設計、嵌入式測試腳本設計、上位機端的軟件設計、聯調系統設計、數據庫結構設計、聯網服務器架設等，論文中無法一一闡述，因此接下來只對嵌入式測試平臺的硬件識別系統作研究和說明。

3硬件識別系統設計

3.1識別系統的需求分析

要設計應用于嵌入式測試平臺的硬件識別系統，首先要從需求出發，制定識別系統需要實現的功能。下面將用PCI并行總線識別技術和USB串行總線識別技術為藍本進行討論，針對何種技術更適用于測試平臺的問題，從以下幾個方面進行分析與討論。

（1）識別的對象

硬件識別系統針對接入到嵌入式測試平臺的符合調試系統規范標準的嵌入式硬件進行測試，相對于傳統的識別系統，本系統不但要求對接入系統的外設硬件進行識別，同時也要對接入系統的處理器核心板進行識別，要求對核心板上配置的不同指令架構和型號的嵌入式處理器實施識別。

USB串行總線識別技術的識別對象可是原生的USB接口的外設硬件、橋接USB接口的外設硬件以及板卡硬件、可被調試的嵌入式設備，這些硬件的內部一般都集成了管理內部單元的主控電路。通過訪問主控電路，可對硬件設備中的各個組成單元包括主控電路本身實施識別。比如Andorid手機的調試模式，可以使計算機識別出手機的型號以及硬件參數，并對手機的系統實施調試。

（2）識別的效率

識別的效率即要求用更短的時間來完成識別過程。首先要求硬件本身的數據讀取、傳輸、處理的速度較高，其次要求傳輸線路有良好的通信協議，再次要求在滿足識別的情況下降低數據包的大小。

PCI并行總線識別技術要求在識別時讀取硬件模塊中的寄存器信息，寄存器的容量由硬件的驅動復雜度而定（一般為64byte-1Mbyte）。讀取速度受限于ROM芯片允許的最大傳輸速度（約1Mb/s），這些數據若上傳到上位機也將受到傳輸線路的限制而影響了識別的效率。

USB串行總線識別技術由于在硬件端僅配置4byte的ID寄存器，數據量極小，ID獲取及上傳到上位機的過程耗時極短。而上位機讀取硬件識別和驅動信息的時間由數據庫所在的硬盤而定（約100Mb/s）。

（3）電路規模和成本

電路的規模和成本即要求方案在實現時占用更小的PCB面積和使用集成度較高的元件。

PCI并行總線識別技術要求在每個硬件上都設置識別ROM，對ROM數據的傳輸也增加了對總線寬度的要求，從而增加了接口體積和元件成本。

USB串行總線識別技術要求設備的主控芯片中集成ID信息，比采用獨立的ROM芯片集成度更高，數據傳輸使用的是占用較少接口資源的串行通信，能有效降低電路規模和成本。

（4）系統的可擴展性

系統的可擴展性要求系統能獲取后續更新和修正。

USB串行總線識別技術保存在數據庫中的識別信息可使用批處理程序手動或自動更新，更可以通過檢查軟件的更新來增加識別項目。

綜上分析，在識別數據庫完整的環境下，USB串行總線識別技術的識別效率比PCI并行總線識別技術有較大提升，同時擁有更小的電路規模和更低的硬件成本。

通過仿真驗證整個識別系統的邏輯有效性，通過對識別控制電路的可靠性進行了仿真試驗，證明了識別系統及其電路可良好運行，試驗證實識別系統運作良好。

3.2識別技術分析

3.2.1識別控制器

目前對微型計算機和嵌入式系統的內部硬件識別的相關技術，但這些技術在識別系統本身的處理器時，都遇到了一定的問題。

對于嵌入式產品的硬件識別，目前較為有效的辦法是使用基于獨立控制器的識別系統，即使用一個與被識別系統無關的計算機系統作為識別的控制系統。這種識別系統面臨的最大問題是如何讓兩個互不相關的系統進行匹配，并搭建起交換數據的通路。主流的解決方法是，為控制系統與被識別系統間建立上位機與下位機的控制關系，上位機承擔主要的控制與運算工作，并使用通用的接口與下位機連接，下位機設置必要的接口電路來匹配上位機的控制接口，并設置獨立于主體功能電路的識別控制器來實施具體的識別操作。這種識別技術的好處是，可以忽略下位機系統當前的工作狀態，隨時對下位機系統實施包括處理器在內的硬件的識別，也能對故障的硬件實施識別。

基于上述分析，采用基于獨立于硬件測試系統的識別控制系統作為自動化測試平臺的識別系統是最為合適的。因此在識別系統的設計中，主要的工作是，為識別系統設置與上位機交換數據的接口電路、并設置一個獨立于調試/測試系統的識別控制器，以及在硬件模塊端設置響應識別控制器操作的電路。

3.2.2識別總線

識別總線是硬件識別控制器對硬件進行識別操作與硬件響應的數據通路。其中對硬件的識別操作將采用對硬件逐個掃描的方式，對硬件響應數據的傳輸采用三態門的串行傳輸方式，

同時只識別一個硬件，一個硬件識別完成后，才跳轉到下一個硬件進行識別。

硬件識別的掃描采用存儲器讀寫技術常見的地址/數據總線模式，被識別的處理器和硬件在接入系統后都被指派了固定的地址值，硬件識別控制器在識別時按照處理器、硬件1、硬件2、硬件3、硬件4的先后順序生成地址信號，經過譯碼電路轉換成獨熱碼，作為使能信號對硬件進行掃描識別。

4總結與展望

4.1總結

本文主要研究和設計了一種可自動識別及測試的模塊化嵌入式測試平臺，主要實現對硬件自動識別和自動測試的功能。著重研究了識別系統中的硬件識別系統。下面對這些工作進行小結：

（1）對嵌入式系統測試平臺進行了方案及架構的設計，包括平臺的系統框架、內部模塊、系統運作流程、硬件結構等內容。

（2）對嵌入式硬件自動化測試系統的硬件識別系統進行了研究與設計。其中對識別電路的框架、控制流程、控制指令及ID編碼等內容做出研究和設計。而對識別系統的設計包括了識別控制器選型、識別電路模塊設計、電路整體設計等，并在最后對電路系統的有效性進行了驗證。

4.2展望

本課題設計的嵌入式系統測試平臺已能很好地實現了硬件完整性檢查和實時功率測量的既定設計目標，但本測試平臺還是有繼續優化和改進的空間，后續的工作將從以下幾方面開展：

（1）硬件識別控制方面，目前只設計了數個簡單的硬件模塊用于識別和檢查試驗。當制作為系列化的產品后，硬件模塊和數據庫應提供對市面主流的嵌入式硬件支持，并設計一套簡單易用的硬件數據編輯軟件，讓開發者在設計定制的硬件時可自行設置硬件識別數據庫。

（2）硬件測試方面，目前的測試系統是針對硬件是否存在故障而進行測試的，并沒有對硬件的性能進程測試。接下來對測試系統的擴展設計，將從性能方面入手，使系統能幫助研發人員摸清同類但不同品牌和型號、同型號但不同批次硬件的性能差距，分析系統的整體性能。

參考文獻

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作者簡介：楊慧敏（1974.02.21）男湖南人學歷：中山大學電子與通信工程碩士應用電子教研室主任研究房修昂：自動化控制應用。

雷源春（1983.08.26）男湖南人學歷：長春工業大學測控技術與儀器廣州科技職業技術學院汽車工程系副主任研究方向：汽車電控。