Разработка программной и аппаратной поддержки к методическим указаниям Программирование микроконтроллеров

. мониторы отладки – специальная программа, загружаемая в память

отлаживаемой системы.

. платы развития (Evaluation Boards – оценочные платы) – своеобразные

конструкторы для макетирования прикладных систем;

. эмуляторы ПЗУ – программно-аппаратное средство, позволяющее заменить ПЗУ

отлаживаемого устройства на ОЗУ, в которое можно загрузить программу с

компьютера через один из стандартных каналов связи.

Помимо этого существуют и комбинированные устройства и наборы.

Симуляторы

Как правило, симулятор состоит из отладчика, модели ЦП и памяти. Более

совершенные устройства содержат в своем составе модели встроенных

периферийных устройств (таймеров, портов, АЦП и систем прерываний).

Симулятор должен уметь загружать файлы программ в всех популярных

форматах, максимально полно отображать информацию о состоянии ресурсов

симулируемого МК, а также предоставлять возможности по симуляции выполнения

загружаемой программы в различных режимах. В процессе отладки модель

выполняет программу, и на экране монитора компьютера отображается текущее

состояние модели.

Загрузив программу в симулятор, пользователь может запускать ее

пошаговом или непрерывном режиме, задавать условные или безусловные точки

останова, контролировать и свободно модифицировать содержимое ячеек памяти

и регистров симулируемого МК. Симулятор позволяет быстро проверить логику

выполнения программы, правильность выполнения арифметических операций.

В зависимости от класса используемого отладчика некоторые модели

симуляторов поддерживают высокоуровневую отладку программ.

Симулятор может содержать и ряд дополнительных программных средств,

например интерфейс внешней среды. Наличие такого интерфейса позволяет

создавать и гибко использовать модель внешней среды МК, функционирующую и

воздействующую на отлаживаемую программу по заданному алгоритму.

В реальной системе МК обычно «занимается» считыванием информации с

подключенных к нему устройств (датчиков), обработкой ее и выдачи

управляющих сигналов на исполнительные устройства. Для того чтобы в простом

симуляторе смоделировать работу датчика, нужно в ручную изменять текущее

состояние модели периферийного устройства, к которому в реальной системе

подключен датчик. Но существует ряд современных разработок программных

симуляторов, в которых чтобы имитировать внешние условия и ситуации, обычно

используется специальный файл входных воздействий. Этот файл задает

последовательность входных сигналов, поступающих на моделируемое

устройство.

К примеру, для микроконтроллеров AVR этот входной файл программного

симулятора может выглядеть следующим образом:

000000000:00

000000006:F1

000000015:18

000000109:1C

000000203:61

000000250:10

000000344:1F

000000391:71

999999999:ff

где каждая строка содержит – цикл:данные , поступающие на какой либо

указанный порт.

В некоторых моделях симуляторов эта проблема имитации внешних сигналов

решена таким образом, что симулятор имеет встроенное средство для создания

моделей подключенных к МК внешних устройств, включая средства графического

отображения информации.

Очевидная особенность программных симуляторов в том, что загруженные в

них программы выполняются в масштабе времени, отличном от реального. Однако

низкая цена, возможность отладки даже при отсутствии макета отлаживаемого

устройства делают программные симуляторы весьма привлекательным средством

отладки. Необходимо также отметить, что существует целый класс ошибок,

которые можно обнаружить только с помощью симулятора.

Интегрированные среды разработки

Идея единства программного и аппаратного обеспечения систем на базе МК

является очень важной. Объединение инструментальных средств разработки

программного обеспечения с инструментальными средствами разработки

аппаратного обеспечения может стать важным преимуществом при разработке

устройств.

Существенно облегчают и ускоряют процесс разработки и отладки

микропроцессорных систем, так называемые интегрированные среды разработки.

Они совмещают в себе текстовый редактор для написания исходных текстов,

трансляторы с ассемблера и Си, линкер, отладчик, справочную информацию по

МК и другие средства, необходимые разработчику. Настройка трансляторов,

линкера и других компонентов производится не методом указания ключей в

командной строке, а в виде диалоговых окон, где нужно только расставить

«галочки» в нужных местах. Преобразование исходных текстов программ в файл

машинных кодов запускается нажатием одной клавишей.

Появление интегрированных сред разработки программ ещё больше повысило

эффективность создания программ для МК, позволило разработчику

сосредоточиться на сути решаемой задачи и отвлечься от конкретных деталей

ее реализации. Интегрированные пакеты для разработки программ выпускают

несколько фирм, пакеты разных производителей схожи между собой по функциям,

но различаются предоставляемыми сервисными возможностями, удобством работы

и качеством генерированного машинного кода.

Напомним, что при традиционном подходе начальный этап написания

программ строится следующим образом. Исходный текст набирают с помощью

какого либо текстового редактора. По завершению набора работа с текстовым

редактором прекращается и запускается кросс-компилятор. Как правило, новая

программ содержит синтаксические ошибки, и компилятор сообщает о них на

консоль оператора. Затем вновь запускается текстовый редактор, и оператор

ищет и устраняет выявленные ошибки. При этом сообщение об их характере,

выведенные компилятором уже не видны, так как экран занят текстовым

редактором.

Этот цикл может повторяться не один раз. И если программа относительно

сложна, собирается из различных частей, подвергается редактированию или

модернизации, то даже этот начальный этап может потребовать очень много сил

и времени программиста.

Избежать рутинной работы и тем самым существенно повысить

производительность труда программиста позволяет появившиеся и быстро

завоевывающие популярность так называемые интегрированные среды (оболочки)

разработки (Integrated Development Environment – IDE).

Как правило, хорошая интегрированная среда объединяет имеющиеся

средства отладки (внутрисхемный эмулятор, программный симулятор и

программатор) и обеспечивает работу программиста с текстами программ в

стиле диалоговых окон.

Интегрированная среда позволяет:

. использовать встроенный многофайловый текстовый редактор, специально

ориентированный на работу с исходными текстами программ;

. наблюдать одновременно в многооконном режиме диагностику выявленных при

компиляции ошибок и исходный текст программы доступный редактированию;

. вести параллельную работу над несколькими проектами. Менеджер проектов

позволяет использовать любой проект в качестве шаблона для вновь

создаваемого. Опции используемых компиляторов и список исходных файлов

проекта устанавливаются в диалоговых меню и сохраняются в рамках

проекта, устраняя необходимость работы с неудобными bat – файлами:

. подвергать перекомпиляции, только редактировавшиеся модули;

. загружать отлаживаемую программу в имеющиеся средства отладки и работать

с ними без выхода из оболочки;

. подключать к оболочки практически любые программные средства.

В последнее время функции интегрированных сред разработки становится

принадлежностью программных интерфейсов наиболее «продвинутых» эмуляторов и

отладчиков симуляторов. Такие функциональные возможности в сочетании с

дружественным интерфейсом существенно ускоряют работу программиста.

Таким образом, выбирая инструментальные средства отладки,

целесообразно принимать в расчет следующий комплекс показателей: перечень

поддерживаемых МК, ограничения на ресурсы эмулируемых/симулируемых МК,

возможность символьной отладки, перечень поддерживаемых компиляторов и,

наконец, сервисные возможности.

Язык Ассемблера.

Прежде чем начать разработку какого либо устройства на база МК очень

важно познакомиться с основами программирования на языке Ассемблера. При

создании приложений для МК следует не только освоить этот метод

программирования, но и научиться хорошо понимать, как шаг за шагом

выполняется ваша программа, и что при этом происходит в устройстве.

Чтобы процесс изучения языка, написание и отладка программ на

Ассемблере был более простым и понятным, существует несколько приемов. Во-

первых – использование визуализации процедур выполнения команд процессором.

Во-вторых – применение методов структурного программирования, чтобы сделать

программы более простыми для чтения и понимания.

Визуализацию выполнения команд лучше всего осуществлять, используя

структурную схему процессора или МК, на которой отмечается прохождение

данных при выполнении каждой команды. В результате обеспечивается хорошее

визуальное представление процесса выполнения команд.

Языки программирования высокого уровня.

Для программирования МК можно использовать различные языки высокого

уровня. Термин «язык высокого уровня» служит для обозначения языков,

используемых для написания легко читаемых программ, которые конвертируются

(компилируются) в язык ассемблера, а затем преобразуются в объектный код

(биты и байты) для их выполнения микроконтроллером.

Перечислим основные характеристики языков высокого уровня:

. наличие встроенных функций (например, консольный ввод/вывод) с

подключаемыми библиотеками;

. разнообразные типы данных (8-, 16-, 32-битные и с плавающей

точкой);

. выполнение арифметических операций с использованием стека;

. использование локальных и глобальных переменных, указателей и

структур данных;

. распределение памяти;

. доступ к аппаратным регистрам;

. символическая информация для симулятора/эмулятора.

Реализация этих характеристик может быть проблематичной для

встраиваемых МК, которые обладают следующими особенностями:

. ограниченный объем памяти программ ROM и памяти данных RAM;

. отсутствие BIOS или операционной системы;

. переопределяемый ввод/вывод (когда вывод может использоваться как

цифровой/аналоговый/последовательный вход/выход).

Таким образом, использование ассемблера необходимо, если к размеру и

быстродействию генерируемого кода предъявляются очень жесткие требования. В

настоящее время таких случаев становится все меньше и меньше, т.к.

практически всегда можно взять более «быстрый» МК с большим объемом памяти.

Кроме того, современные пакеты кросс средств позволяют легко писать

смешанные программы, где часть модулей написана на Си, а наиболее критичные

к быстродействию части – на ассемблере. Компиляторы Си позволяют также

вставлять в исходные тексты ассемблерные инструкции.

При разработке программного обеспечения для МК существует несколько

правил, которые следует выполнять, чтобы объем используемых ресурсов не

превысил доступный предел.

1. Использовать только один вид интерфейса с аппаратными средствами

(внешними устройствами). Применения различных интерфейсов создает

проблемы, если потребуется подключать другие типы внешних

устройств.

2. Идентифицировать глобальные переменные, специфичные для

подпрограмм, и не использовать их где-нибудь еще в коде.

3. Использовать везде, где возможно, локальные переменные (это можно

реализовать только в языках высокого уровня).

4. Если предполагается наличие временно используемых переменных, то

программа должна обеспечить их уникальное использование.

Следование этим правилам при разработке прикладных программ избавит

вас в дальнейшем от проблем, связанных с устранением трудно выявляемых

неустойчивых ошибок в программе.

1.4. Основные типы интерфейсов МК.

1.4.1. Подключение переключателей и подавление «звона» контактов.

При замыкании и размыкании переключателей в цепи возникают импульсные

помехи, вызванные дребезгом контактов. Эти помехи обычно называют «шумом»

или «звоном». Такое явление часто возникает в системах на базах МК, где для

ввода данных используется клавиатура, и «звон» может восприниматься как

многократное нажатие клавиши (см. рис. 1.7). «Звон» возникает при установке

и разрыве контакта путем нажатия на клавишу.

а) б)

Рис. 1.7. а) схема ключа; б) дребезг контактов.

Чтобы устранить данный эффект, используются специальные схемы или

программные методы для подавления «звона». Один из простых схемотехнических

способов устранения «звона» состоит в подключении RC-цепи. В этой схеме

время, требуемое для заряда разряда конденсатора до порогового напряжения,

маскирует «звон» контактов при переключении. Можно также установить триггер

Шмитта между схемой ключа и МК, чтобы усилить эффект подавления «звона».

Недостатки этого метода – дополнительные затраты на компоненты, которые

должны быть установлены на плате, и дополнительное время, требуемое для

заряда/разряда RC-цепи. Все это может затруднить использование данной

схемы, так как для некоторых ключей с большим уровнем шумов дополнительная

задержка может составить десятые доли секунды. Значительно лучший способ

избавиться от «звона» – сделать это программно. Если уровень напряжения на

выходе ключа не изменяется в течении 20мс, то можно считать, что «звон»

окончился, и больше изменения состояний не ожидается.

1.4.2. Световая индикация.

Очень часто вывод данных реализуются с помощью светодиодов LED (Light

Emitting Diode), которые достаточно дешевы и легко подключаются к МК.

Обычно для свечения светодиода требуется ток более 16 мА, что для

большинства МК находится в диапазоне допустимых значений выходных токов.

Следует помнить, что светодиод является диодом, пропуская ток только в

одном направлении.

Типичная схема подключения светодиода к выводу МК показана на рис.

1.8. В этой схеме светодиоды будут светиться когда МК выдает сигнал «0»

(низкое напряжение). Когда вывод работает в качестве входа данных или на

него выводится «1», то светодиод будет выключен.

Резистор сопротивлением 220 Ом используется для ограничения тока, т.к.

слишком большой ток может вывести из строя МК и светодиод. Некоторые МК

содержат ограничители тока на выходных линиях, что устраняет потребность в

ограничивающем резисторе. Но все же целесообразно, на всякий случай,

включить этот резистор, чтобы гарантировать, что короткое замыкание на

«землю» или напряжение питания Vcc, не выведет из строя МК.

Рис. 1.8. Подключение светодиода к микроконтроллеру.

Семи сегментный индикатор.

Вероятно самый простой вывод числовых десятичных и шестнадцатеричных

данных – это использование семи сегментного индикатора (ССИ). Такие

индикаторы были очень популярны в 70х годах, но в последствии их место

заняли жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ). Но светодиодные индикаторы до

сих пор являются полезными приборами, которые могут быть включены в схему

без больших усилий для создания программного обеспечения. Включая

определенные светодиоды (зажигая сегменты), можно выводить десятичные числа

(см. рис. 1.9).

Каждый светодиод в индикаторе имеет свой буквенный идентификатор (A,

B, C, D, E, F, G), и одна из ножек светодиода подключена к соответствующему

внешнему выводу. Вторые ножки всех светодиодов соединены вместе и

подключены к общему выводу. Этот общий вывод определяет тип индикатора: с

общим катодом или с общим анодом.

Подключение индикатора к МК осуществляется весьма просто: обычно

индикатор подключают как семь или восемь (если используется десятичная

точка) независимых светодиодов. Наиболее важной частью работы при

подключении к МК нескольких ССИ является назначения линий вводе вывода для

каждого светодиода. Решение этой задачи в начале выполнения проекта

упростит вам монтаж разводки и отладку устройств в дальнейшем. Типичный

способ подключения нескольких индикаторов состоит в том, чтобы включить их

параллельно и затем управлять протеканием тока через общие выводы отдельных

индикаторов. Так как величина этого тока обычно превышает допустимое

значение выходного тока МК, то для управления оком включается

дополнительные транзисторы, которые выбирают, какой из индикаторов будет

находиться в активном состоянии.

Рис. 1.9. Семи сегментный индикатор.

На рис. 1.10 показано подключение к МК четырех ССИ. В этой схеме МК

выдает данные для индикации, последовательно переходя от одного индикатора

к другому. Каждая цифра будет высвечиваться в течении очень короткого

интервала времени. Это обычно выполняется с помощью подпрограммы

обслуживания прерываний таймера. Чтобы избежать мерцания изображения,

подпрограмма должна выполняться со скоростью, обеспечивающий включение

индикатора, по крайней мере, 50 раз в секунду. Чем больше цифр, тем чаще

должны следовать прерывания от таймера. Например, при использовании восьми

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8