Микроконтроллеры для начинающих. И не только

Курсовая работа

"Микроконтроллеры для начинающих. И не только"

Введение

Микроконтро́ллер (англ. MicroControllerUnit, MCU) тАУ микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Большая часть выпускаемых в современном мире процессоров тАУ микроконтроллеры.

Об однокристальных микро-ЭВМ или микроконтроллерах в журнале ВлРадиоВ» писалось не раз. Это тАУ и цикл статей об однокристальных микро-ЭВМ 8048, 8051, 8052, и отдельные обзорные статьи о микроконтроллерах новых семейств MCS-96, MCS
-151, MCS-152, PIC16CХХ, Z8 и т.д.,
и описания программно-аппаратных средств отладки микроконтроллерных устройств. Видимо, пришла пора систематизировать сведения об этих интереснейших и всемогущих изделиях эл
ектронных фирм, познакомить читателей с микроконтроллерами, выпускаемыми в мире сегодня, рассказать о том, что они могут и как это реализуется на практике, о современных средствах программирования и отладки устройств на основе микроконтроллеров, в частности, о том, что можно сделать, не имея средств отладки или пользуясь программным симулятором-отладчиком,
который предполагается разместить на сайте
журнала ВлРадиоВ» в Интернете,
и т.д. Данный цикл статей адресован в первую очередь читателям, ранее не имевшим дел
а с микроконтроллерами, но, несомненно, будет полезен и тем, кто уже применял их в своих конструкциях.

1. Первое знакомство

Вначале несколько слов для тех, кому тема цикла, если судить по его наз
ванию, кажется априорно неинтересной или ВлчужойВ». Возможно, Вы в своих конструкциях до сих пор не применяли микроконтроллеры (далее для краткости МК)
и считаете, что и в обозримом будущем сможете обходиться без них. Возможно также, Вы предполагаете, что соз
дание микроконтроллерной системы для решения Вашей задачи будет слишком обременительным и экономически нецелесообразным. Не спешите: специально для Вас мы хотим привести несколько фактов и немного статистики.

Для примера возьмём ближайшего родственника МК тАУ персональный компьютер тАУ и сравним интенсивности их применения. По данным аналитической компании Loewenbaum
& Co. Inc. (США), число персональных компьютеров, выпущенных в мире в 1997 г., достигло примерно 20 млн. шт. Согласитесь, это очень много. А теперь представьте, что это гигантское число составляет всего лишь 0,2% от мирового объёма выпуска МК. По данным аналитической компании IC Insights Inc. (США) мировой рынок в 1998 г. поглотил их более 13,5 млрд. шт.!

Вывод напрашивается сам. Если уже сегодня трудно найти область деятельности человека, где бы эффективно не использовался компьютер, то что же тогда говорить о МК? Почему они стали такими популярными и буквально незаменимыми? Ответ кроется в самой структуре микроконтроллера. В качестве первого приближения к определению этого понятия можно считать, что МК тАУ это компьютер, разместившийся в одной микросхеме. Отсюда и его основные привлекательные качества: малые габариты, потребление, цена; высокие производительность, надёжность и способность быть адаптированным для выполнения самых различных задач.

МК отличается от микропроцессора тем, что помимо центрального процессора (ЦП) содержит память и многочисленные устройства ввода / вывода: аналого-цифровые
преобразователи, последовательные и параллельные каналы передачи информации, таймеры реального времени, широтно-импульсные модуляторы (ШИМ),
генераторы программируемых импульсов и т.д. По своей структуре и принципу функционирования МК, в сущности,
не отличается от персонального компьютера. Поэтому слова микроконтроллер и микро-ЭВМ являются синонимами. Однако первый термин (от английского слова control тАУ управлять) более распространён, поскольку отражает его основное назначение тАУ использование в системах автоматического управления, встроенных в самые разные устройства: кредитные карточки, фотоаппараты, сотовые телефоны, музыкальные центры, телевизоры, видеомагнитофоны и видеокамеры, стиральные машины, микроволновые печи, системы охранной сигнализ
ации, системы зажигания бензиновых двигателей, электроприводы локомотивов, ядерные реакторы и многое, многое другое. Встраиваемые системы управления стали настолько массовым явлением, что фактически сформировалась новая отрасль экономики, получившая название Embedded Systems (встраиваемые системы тАУ англ.).

В настоящее время в мире выпускаются тысячи разновидностей МК. Они поставляются в корпусах с числом выводов от 8 до 356, работают при температуре от тАУ55 до +125 В°C на частотах от 32 кГц
до 200 МГц, способны функционировать при напряжении питания от 1,2 В, потребляя при этом ток, не превышающий единицы микроампер. Цена из
делий также непрерывно снижается. Некоторые восьмиразрядные МК уже сегодня стоят не дороже 50 центов, что сопоставимо со стоимостью одной микросхемы Влжёсткой логикиВ». Все это привело к тому, что сегодня всё труднее найти область человеческой деятельности, где бы МК не нашли применения. И процесс их распространения имеет лавинообразный
характер.

Надеемся, что приведённые факты уже настроили Вас на почтительное отношение к главному герою нашего повествования. Действительно, МК стал событием мирового масштаба, вторгшимся практически во все виды человеческой деятельности.

Что же обеспечило такой бурный
рост популярности этих изделий, появившихся немногим более 25 лет назад? Что это за устройства, и каковы их возможности и перспективы?

Если Вы до сих пор в своей деятельности не использовали МК или системы на их основе, то, может быть, настало время подумать об этом? А если Вы решились применить МК, то какова должна быть последовательность Ваших действий? Какие трудности могут Вас поджидать, что может Вам помочь на этом пути?

На эти вопросы мы и попытаемся ответить.

2. Закон Мура и первый МК

Ещё в 1965 г. Гордон Мур (Gord
on
Moore), один из будущих основателей могущественной корпорации Intel, обратил внимание на интереснейший факт. Представив в виде графика рост произ
водительности з
апоминающих микросхем, он обнаружил любопытную закономерность: новые модели микросхем появлялись каждые 18тАУ24 месяца, а их ёмкость при этом воз
растала каждый раз примерно вдвое. Если такая тенденция продолжится, предположил Г. Мур, то мощность вычислительных устройств экспоненциально возрастёт на протяжении относительно короткого промежутка времени.

Предвидение Г. Мура впоследствии блестяще подтвердилось, а обнаруженная им закономерность наблюдается и в наши дни, причём с поразительной точностью, являясь основой для многочисленных прогноз
ов роста производительности. За 28 лет, истекшие с момента появления микропроцессора 4004 (1971 г.), число транзисторов на кристалле выросло более чем в 12 000 раз: с 2 300 до 28 000 000 в микросхеме Coppermine
.

Ну а в 1976 г. экспоненциальное развитие полупроводниковой технологии привело к созданию фирмой Intel первого МК тАУ 8048. Помимо ЦП, в его состав входила память программ, память данных, восьмибитный таймер и 27 линий ввода / вывода. Сегодня 8048 является уже достоянием истории, а вот следующее из
делие, выпущенное Intel в 1980 г., живёт и з
дравствует поныне. Это тАУ МК 8051.

Архитектура МК 8051

Этот МК можно считать классическим образцом, по образу и подобию которого позднее было создано множество других из
делий. Его структурная схема представлена на рис. 1.
ЦП тАУ главный узел МК. С ним связано такое важнейшее понятие, как система команд.

Система команд тАУ это уникальный, характерный для данного ЦП набор двоичных кодов, определяющих перечень всех его возможных операций. Каждый такой код определяет одну операцию и называется кодом операции или командой. Чем больше кодов используется в системе команд, тем больше операций способен выполнить ЦП. МК 8051 тАУ восьмиразрядный, поэтому коды операций у него имеют размер 8 бит. Теоретически может быть всего 256 восьмибитных кодов операций. В 8051 используются 255.

В зависимости от числа использованных кодов операций, системы команд подразделяют на две группы: CISC и RISC. Термин CISC означает сложную систему команд и является аббревиатурой английского определения Complex Instruction Set Computer. Аналогично термин RISC означает сокращённую систему команд и происходит от английского Reduced Instruction Set Computer. Систему команд МК 8051 можно отнести к типу CISC.

Однако, несмотря на широкую распространённость этих понятий, необходимо признать, что сами названия не отражают главного различия между системами команд CISC и RISC. Основная идея RISC-архитектуры тАУ эго тщательный подбор таких комбинаций кодов операций, которые можно было бы выполнить за один такт тактового генератора. Основной выигрыш от такого подхода тАУ резкое упрощение аппаратной реализации ЦП и возможность значительно повысить его производительность.

Первоначально реализовывать такой подход удавалось, лишь существенно сократив набор команд, отсюда и родилось название RISC. Например, система команд МК семейства Microchip PIC16 включает в себя всего 35 инструкций и может быть отнесена к типу RISC. Очевидно, что в общем случае одной команде CISC-архитектуры должны соответствовать несколько команд RISC-архитектуры. Однако обычно выигрыш от повышения быстродействия в рамках RISC-архитектуры перекрывает потери от менее эффективной системы команд, что приводит к более высокой эффективности RISC-систем в целом по сравнению с CISC. Так, самая быстрая команда МК 8051 выполняется за 12 тактов. Даже если для каждой инструкции потребуется выполнить три инструкции RISC-контроллера, то в итоге RISC-архитектура обеспечит четырёхкратное увеличение производительности.

Попутно RISC-архитектура позволяет решить ещё ряд задач. Ведь с упрощением ЦП уменьшается число транзисторов, необходимых для его реализации, следовательно, уменьшается площадь кристалла. А с этим связано снижение стоимости и потребляемой мощности.

В этом месте можно было бы воскликнуть: будущее тАУ за RISC-архитектурой! Однако в настоящее время грань между этими двумя понятиями стремительно стирается. Например, МК семейства AVR фирмы Atmel имеют систему команд из 120 инструкций, что соответствует типу CISC. Однако большинство из них выполняется за один такт, что является признаком RISC-архитектуры. Сегодня принято считать, что основным признаком RISC-архитектуры является выполнение команд за один такт тактового генератора. Число команд само по себе значения уже не имеет.

Тактовый генератор вырабатывает импульсы для синхронизации работы всех узлов устройства. Частоту их следования могут задавать кварцевый резонатор или RC-цепь, подключаемые к выводам МК. В некоторых МК предусмотрен режим работы тактового генератора без применения внешних элементов. В этом случае частота тактовых импульсов зависит от параметров кристалла, определяемых в процессе его производства.

ПЗУ тАУ постоянное запоминающее устройство, предназначенное для хранения программ, поэтому часто эту память называют кодовой или памятью программ. До недавнего времени существовало две основных разновидности ПЗУ масочные и программируемые.

В масочные ПЗУ информацию заносят в процессе изготовления МК с помощью технологических шаблонов тАУ масок. Изменить её после окончания производственного цикла невозможно.

Такие ПЗУ используют лишь в случаях, когда качество программы не вызывает сомнений и существует массовая потребность в МК именно с этой программой. Достоинство масочных ПЗУ тАУ самая низкая стоимость при массовом производстве (от нескольких тыс. шт.).

В программируемые ПЗУ информацию записывают с помощью устройства, называемого программатором. МК с такими ПЗУ бывают двух типов: однократно и многократно программируемые (перепрограммируемые). Первые, как говорит само название, допускают только однократное программирование, после чего стереть информацию уже невозможно (МК с OTP-памятью тАУ от англ. One Time Programmable). Используют их в мелкосерийном производстве (до 1000 шт.), когда применение масочных МК экономически не оправдано.

Многократно программируемые микросхемы подразделяются на МК, оснащённые ПЗУ со стиранием ультрафиолетовым облучением (выпускаются в корпусах с ВлокномВ»), и МК с электрически перепрограммируемой памятью. Недостаток МК с ПЗУ со стиранием ультрафиолетовым облучением тАУ очень высокая стоимость и относительно небольшое число циклов записи / стирания (зависит от суммарной дозы облучения кристалла и обычно не превышает 15тАж20).

В настоящее время все более популярной становится новая технология реализации ПЗУ тАУ Flash-память. Её главное достоинство в том, что она построена на принципе электрической перепрограммируемости, то есть допускает многократное стирание и запись информации с помощью программаторов. Минимальное гарантированное число циклов записи / стирания обычно превышает несколько тысяч. Это существенно увеличивает жиз
ненный цикл и повышает гибкость МК-систем,
так как позволяет вносить изменения в программу МК как на этапе разработки системы, так и в процессе его работы в реальном устройстве.

ОЗУ тАУ оперативное запоминающее устройство, используемое для хранения данных, поэтому эту память называют еще памятью данных. Число циклов чтения и записи в ОЗУ не ограничено, но при отключении питающего напряжения вся информация теряется.

Архитектура МК 8051 предполагает раздельное использование памяти программ и данных и носит наз
вание гарвардской. Обычно такую архитектуру используют для повышения быстродействия системы з
а счёт разделения путей доступа к памяти программ и данных, но в 8051 она была применена с целью получения памяти программ и данных, не требующих одинакового размера. Антипод гарвардской тАУ архитектура фон Неймана
тАУ предполагает хранение программ и данных в общей памяти и наиболее характерна для микропроцессоров, ориентированных на использование в компьютерах. Примером могут служить микропроцессоры семейства х86.

Таймеры Т0, Т1 тАУ шестнадцатиразрядные программируемые тайме
ры / счётчики
, которые могут быть
запрограммирова
ны на выполнения
целого ря
да функ
ций. И
х можно использовать
для точного формирования временных интервалов, подсчёта импульсов на вы
водах МК,
формирова
ния последовательности имп
ульсов
, тактирования приёмоп
ередатч
ика последовательного
канала связ
и. Таймеры/счётчики способны вырабатывать з
апрос
ы прерываний, переключая ЦП на их
обслуживани
е по событиям и осв
обождая
его от необ
ходимости периодического опроса состояния тайм
еров. Поскольку основное применени
е МК находят
в
системах реального времени, таймеры / счётч
ики являются их обязательным элементом. В не
которых модификациях число тайме
ров достигает 32.

Последовательный порт тАУ канал информационного
обмен
а МК с внешним
миром. Такие каналы связ
и з
анима
ют минимальное число выводов
кристал
ла
, обеспечи
вая связь на значительные ра
сстояния с минимальными
аппаратными затратами, В 8051 реализ
ован у
ниве
рсальный асинх
ронный последоват
ел
ьный при
ёмопередатчик
(
UART
), поддерживающий протокол стандарта RS-23
2C
, что обеспечивает воз
можность организ
ации связ
и этого МК и персона
льным компьютером. Кром
е RS-3
32
C, попу
лярными протоколами в м
ире вст
раиваемых систем являются RS-485,
I
²C (дву
хпроводная двунаправленная шина)
, SPI (последовател
ьный перифери
йный трёхпроводный
интерфейс), Bitbus
(последовательная магистраль
у
прав
ления),
CA
N (межконтроллерный
сетевой и
нтерфейс)
, USВ (у
ниверсальная последовательная шина)
и некоторые другие. Практически для любого типа последовательного канала сегодня можно найти МК, имеющи
й в св
оем составе соответствующий посл
едовательный порт.

Параллельные порты ввода / вывода тАУ также обязательная часть любого МК. Обычно их
используют
для св
яз
и с ближайшим окружением тАУ датчик
ами и исп
олнительными механизмами.

Важная особенность параллельных
портов МК тАУ воз
можность программирования на выполнение нескольких функций. Например, в 8051 выводы портов P0 и P2 могут использ
оваться либо как обычные статические регистры ввода / в
ывода, либо в качестве шины адреса и данных для подключения в
нешни
х устройств,
таких
как дополнительная память программ, память данных, устройства вв
ода / вывода. Это придаёт МК архитектурную гибкость. Порт P3 может либо использоваться как статический регистр ввода / в
ывода, либо выполня
ть специальные фу
нкц
ии дл
я работы последовательного канала,
т
аймеров, к
онтроллера прерываний и т.д.
Возможность перепрограммиров
ания позв
оляет с максимальной эффектив
ность
ю з
адействовать все выводы МК в прое
ктируемом устройстве.

Система прерываний тАУ одна из
важней
ших частей
МК. Особенность систем реального времени з
аключается в том, что для них чрезвычайно важным
параметром является время реакции на внешние события. Поясним на простом примере. Когда Вы произ
водите мате
матический
расч
ёт на комп
ьютере, то обычно з
апускаете программу,
предназ
наченную для выполнения
этих расчётов, и после того, как она з
агруз
ится в память компьютера,
вводите услов
ие задачи и ждёте рез
ультата. Время ожидани
я в таком случае не имеет принципиального значени
я (в пределах раз
умного, конечно) тАУ медленная
работа компьютера может разд
ражать, но на результате это не скажется. Система реального в
ремени
предполагает совершенно конкретную, рассчитываемую на этапе разработки скорость реакции системы управления на внешние со
бытия. Зад
ерж
ки сверх расчётных з
десь просто недопустимы тАУ они м
огут приводить к катастрофическим последствиям.

Про
блемы быстрой реакции на события решаются организацией системы прерыва
ний. Она подраз
умевает, что для каждого такого события раз
рабаты
в
ается отдельный ВлкусокВ» кода, который формирует реакцию МК на него. Этот ВлкусокВ» кода называют подпрограммой обработки з
апроса на прерывание (для краткости часто используют термин подпрограмма прерывания) и раз
мещают в памяти программ по известному адресу. В момент воз
никновения з
аданного события сигнал об этом поступает на вх
од контроллера прерываний. Последний представляет собой
устройство, устанавливающее однозначное соответствие между входным сигналом о происшедшем событии и адресом программной памяти,
по которому раз
мещена
точ
ка входа в подпрограмму обработки запроса прерывания от данного события. Контроллер прерывает выполнение ЦП текуще
й программы и инициирует его переход на выполнение подпрограммы обработки прерывания. Время, прошед
шее с момента воз
никновения события до начала выполнения первой инструк
ции
подпрограммы прерывания,
наз
ывают временем реакции МК на событие.
После окончания обработки
ЦП автоматически воз
вращается к
выполнению прерванной пр
ограммы.

Другая функция контроллера прерываний
тАУ устан
овк
а приоритетов событий. Понятие приоритет означает, что выполня
емая подпрограмма прерыва
ния может быть прервана другим событием только при
условии,
что оно имеет более вы
сокий приоритет, чем текущее. В противном случае ЦП перейдет к обработке нового события после о
кончания обработки предыдущего. Контроллер прерыв
ан
ий, входящи
й в состав МК 8051,
имеет пять входов событий: два от внешних
у
стройств, два от таймеров и один от последовательного канала.

Обычно,
когда говорят о каком-либо МК, то всегда упоминают семейство, к которому он принадлежит. К одному семейству относят изделия, имеющие одинаковое ядро,
под которым понимают совокупность таких поня
тий, как система команд, циклограмма работы ЦП, организ
ация памяти программ и п
амя
ти данных, система прерывани
й и баз
овы
й набор периферийных устройств. Фактичес
ки на рис. 1
представлено
ядро, ставшее основой для с
оз
дания
сотен других модификаций семейства 8051.

Отличия между его различными представителями з
аключаются, в основ
ном, в составе периферийных
устро
йств и объёме памяти программ или данных. Поскольку диапазон задач, решаемых МК, чрезвычайно широк, их производители стараются выпустить столько модификаций, чтобы удовлетворить самые разнообразные запросы потребителей. Во многих семействах число модификаций приближается к сотне или даже превышает это значение.

Наиболее важная особенность семейства тАУ программная совместимость на уровне двоичного кода всех входящих в него МК. Это позволяет разработчикам систем заменять одни МК семейства другими без потери наработок своего программного обеспечения. Естественно, чем большее число разновидностей входит в семейство, тем больше шансов выбрать оптимальный вариант, тем привлекательнее это семейство для разработчика. Вопрос правильного выбора семейства МК для новой разработки является стратегическим, так как проблема переноса программного обеспечения между изделиями разных семейств чрезвычайно сложна и даже использование языков высокого уровня не всегда позволяет решить её без больших потерь. К вопросу о критериях выбора мы вернемся в следующих статьях цикла.

Разработка программы тАУ один из наиболее важных этапов в создании устройства на базе МК. Без неё он ВлмёртвВ», не реагирует на внешние воздействия и не выдаёт управляющих сигналов.

При включении питания МК немедленно начинает исполнять программу, находящуюся в подключенной к нему памяти программ (обычно это ПЗУ). Её выполнение начинается с некоторого фиксированного адреса, чаще всего нулевого. Адрес тАУ это просто номер ячейки ПЗУ. Процесс осуществля
ется следующим образом: МК считывает число, хранящееся в памя
ти программ, и в зависимости от его значения, называемого машинным кодом, выполняет определённые действия над содержимым регистров АЛУ, памяти, портов и т.д. Например, прочитав из памяти программ число 32Н, МК ВлсоображаетВ», что нужно считать значение из входного порта номер 2 и поместить его в регистр-аккумулятор. Часто одного байта для описания действия МК не хватает, и тогда МК считывает из памяти дополнительные байты.

После выполнения действия МК считывает значение из следующей по порядку ячейки памяти и т.д. Совокупность байтов, описывающих одно выполняемое МК действие, называют машинной командой (инструкцией), а совокупность таких команд, которые ВлпонимаетВ» МК, тАУ его системой команд или набором инструкций (Instruction Set). МК разных семейств имеют разные системы команд, то есть машинные коды у них имеют разные значения, хотя и выполняют похожие действия.

Итак, программа для МК представляет собой последовательность чисел, значения которых указывают ему, какие действия выполнять. Результатом разработки программы является компьютерный файл, содержащий эти машинные коды. С помощью программатора ПЗУ его заносят (ВлзашиваютВ») в память программ МК.

Каким же образом составляется эта последовательность машинных кодов тАУ программа для МК? Неужели разработчику необходимо помнить значения машинных кодов и вручную задавать их последовательность? Первые программы для МК создавались именно так, и называлось это программированием в машинных кодах. Ясно, что такой способ разработки программ очень трудоёмок и неэффективен.

Первым шагом в облегчении процесса создания программ была компьютерная программа тАУ так называемый транслятор с языка ассемблера. Идея состояла в том, чтобы выражать выполняемые МК действия на более понятном человеку языке и затем преобразовывать эти выражения в машинные коды. В приведённом выше примере машинной инструкции, которая считывает значение порта 2 и помещает его в аккумулятор, выполняемые действия можно условно обозначить как MOV A, P2.

Здесь слово MOV (от англ. move), называемое мнемоникой инструкции, обозначает пересылку значения, а A и P2, именуемые операндами, указывают, откуда взять значение и куда его поместить. Система подобных обозначений называется языком ассемблера. Программа, написанная на нём, обрабатывается транслятором, который преобразует конструкции языка ассемблера в машинные коды.

Программирование на ассемблере широко распространено по сей день. Трансляторы с языка ассемблера для всех популярных семейств микроконтроллеров бесплатны.

Несмотря на очевидные преимущества программирования на ассемблере перед программированием в машинных кодах, во многих случаях ассемблер недостаточно эффективен для реализации задач разработчика. Дело в том, что МК способен выполнять лишь простейшие действия вроде арифметических операций над целыми числами, пересылок, сравнений и т.п. Для более сложных задач, например, для операций над числами с плавающей запятой, разработчикам приходилось писать специальные подпрограммы, пользоваться которыми неудобно и громоздко. Следующим шагом в разработке программ для МК стало создание специальных компьютерных программ тАУ трансляторов с языков программирования высокого уровня, или компиляторов. Наибольшее распространение получил язык программирования Си.

С появлением трансляторов разработка программ для МК резко упростилась. Если, например, нужно сложить в программе два числа, то теперь достаточно просто написать

a = b + c;

а транслятор преобразует это выражение в необходимую последовательность машинных команда зависимости от типов переменных a, b и c.

Использование языка высокого уровня позволяет разработчику отвлечься от системы команд конкретного МК и оперировать более простыми и понятными человеку категориями. От разработчика требуется только знание общей архитектуры МК, принципов работы необходимых для решения поставленной задачи встроенных периферийных устройств и навыки программирования на языке Си. Функциональное наполнение программы реализуется с помощью средств языка Си, который содержит большое число разнообразных подпрограмм (функций): арифметических, для работы с символьными строками и многих других.

Рассмотрим процесс создания программы для МК на языке Си. В процессе разработк
и потребуется персональный компьютер.

После уяснени
я поставленной задачи разработчик пишет исходный текст своей программы на языке Си с помощью любого текстового редактора. Затем он запускает программу-транслятор с языка Си, которая преобразует исходный текст в промежуточный объектный файл. Транслятор управляется с помощью набора ключей (их описание можно найти в его документации), которые указываются в его командной строке. Если при написании программы разработчик допустил синтаксические ошибки, транслятор выдаёт на экран их спи
сок с указанием для каждой номера строки в файле исходного текста. Р
азработчик должен исправить все ошибки.
После успешной трансляции объ
ектные файлы нужно обработать редакторо
м связей (линкером)
, который и генериру
ет файл программы в машинных
кодах.

При использовании яз
ыка высокого у
ровня воз
никает одна проблема. Преобразование
конструкций языка в
машинные к
оды возложено на компилятор, а выполнить это преобраз
ов
ание можно с различной степенью эффектив
ности. Кри
териями эффективности явля
ются размер ма
шинного кода (
чем он меньше, тем, естественно, лучше) и с
корость машинного кода. З
адача генерации компактн
ого и быстрого ко
да весьма сложна, и от её решения зависит общее качество компилятора. Современные компиляторы Си используют многоуровневую оптимиз
ацию, особенности архитектуры конкретного МК, поз
воляют создавать смешанные программы, в которых
ча
сть
подпрограмм написана на ассемблере.

Описанный процесс выглядит довольно гром
оздким: раз
работчик должен вручную запускать разнообраз
ные програм
мы (текстовый
редактор, компи
лято
р Си,
линкер)
, помнить
управляющие ключи, искать
ошибки в программе по номерам строк в файле. Последним на сегодняшний день шагом в облегчении труда разработчика программ для МК стало появле
ние инте
грированных сред
раз
работки (Integrated Development Env
ironment, I
DE). Интегрированная среда разработки
тАУ это компьютерная программа, связывающая воедино все этапы разработки программы.
Она совмещает в себе текстовый редактор для написания исходных текстов, трансляторы с ассемблера
и Си, ли
нкер,
отладчик, справочную инфо
рмацию по МК и другие средств
а, необходимые р
аз
работчику. На
стройка трансляторов, линкера и других компонентов производится не методом указания ключей в командной строке, а в виде диалоговых окон, где нужно только расставить ВлгалочкиВ» в нужных местах. Преобраз
ование исх
одн
ых
текст
ов про
грамм в файл машинных кодо
в запускае
тся
одной клавишей.

Появление интегрированных сред разработк
и программ ещё больше повысило эффективность соз
дания программ для МК, позволило раз
работчику сосредоточиться
на сути
решаемой з
адачи и отвлечься
от конкретных
деталей её реализ
аци
и.

Интегрированные пакеты для разработки программ выпускают несколько фирм. Пакеты раз
ных производителей сх
ожи м
еж
ду собой по функци
ям, но раз
личаются предоставляемыми
сервисными возможностями, удобством работы и качес
твом генерируемого маши
нного кода.

Основные характеристики наиболее популярных пакетов средств разработки приведены в таблице.

4. Символьная отладка программ для МК

За редким исключением программы для МК из-за содержащихся в них ошибок не начинают работать с первого раза и требуют отладки. К вопросам отладки разработчики относятся по-разному. Некоторые из них считают, что достаточно внимательно проанализировать исходный текст, посмотреть с помощью осциллографа, что происходит на выводах МК, и можно исправить все ошибки. Такой способ применим, если разработчик имеет большой опыт, отлично знает применяемый МК и располагает транслятором, который всегда генерирует правильный код (обычно это ассемблер), и достаточным временем.

Другие используют в своей практи
ке самодельные отладочные мониторы тАУ наборы специальных подпрограмм, загружаемых в МК вместе с основной программой. Последняя вызывает в контрольных точках подпрограммы монитора, а те выдают информацию о состоянии ресурсов МК. Таким способом можно отладить практически любую программу, но у него есть недостатки, которые могут оказаться существенными. Во-первых, отладочному монитору необходимо предоставить для работы часть ресурсов МК: как минимум тАУ часть адресного пространства кода и некоторое число ячеек стека, а как максимум тАУ ещё часть ОЗУ и периферийные устройства МК, используемые монитором для отображения информации. Выделить ресурсы отладочному монитору бывает непросто, если основная программа сама активно загружает МК. Например, у МК PIC16C5x (Microchip) всего две ячейки стека, и использовать вызовы подпрограмм отладочного монитора затруднительно. Во-вторых, вызовы монитора отнимают время у основной программы и, следовательно, его нельзя вызывать из критичных ко времени частей программы. В-третьих, создание отладочного монитора, само по себе, требует времени.

Самый эффективный способ отладки программ для МК тАУ применение специализированных профессиональных отладочных средств, к которым следует отнести отладчики-симуляторы и внутрисхемные эмуляторы.

Прежде чем рассказывать о возможностях, предоставляемых та

Вместе с этим смотрят:

GPS-навигация

GPS-прийомник авиационный

IP-телефония и видеосвязь

IP-телефония. Особенности цифровой офисной связи

РЖсторiя диктофону