Помоги проекту - поделись книгой:
Рис. 2.8. Блок схема алгоритма разработки и тестирования программного обеспечения встраиваемой системы
2.8. Пример применения
Основная идея, которую мы стремились развить на протяжении всей этой главы, состоит в том, что подлежащая реализации большая задача должна быть разбита на ряд малых взаимосвязанных задач. Идея декомпозиции задач лежит в основе метода структурного проектирования, который в равной степени применим к проектированию, как аппаратных, так и программных средств, что делает его особенно полезным при разработке встраиваемых систем. Более того, этот метод может быть использован на этапе постановки задачи, который предшествует структурному проектированию аппаратных и программных средств системы.
В качестве темы дипломного проектирования одному из авторов этой книги было предложено разработать систему управления медицинским лазером для лечения различных расстройств зрения. Около шести месяцев он провел в библиотеке, изучая технологии лазерной глазной хирургии. В итоге, его представления о функциях контроллера управления хирургическим лазером изменились коренным образом в сторону их увеличения. Результаты своего исследования автор воплотил в структурной схеме рис. 2.9, которая отражает все возможные функции системы автоматизированного управления хирургическим лазером и их взаимосвязь в проекте. Обратите внимание, что в данном случае метод структурного проектирования использован для систематизации функций системы управления, когда задачи проектирования аппаратного и программного обеспечения системы еще не поставлены.
Рис. 2.9. Структура функций медицинского лазера
2.9. Заключение по главе 2
В этой главе мы провели сравнительный анализ преимуществ и недостатков языка ассемблер и языков программирования высокого уровня для разработки программного обеспечения встраиваемых систем. Среди языков высокого уровня мы сделали выбор в пользу языка Си, способного генерировать программный код, сравнимый по быстродействию и затратам памяти с кодом языка ассемблер. Мы установили, что оптимальный результат может быть получен при программировании встраиваемых систем одновременно на Си и на ассемблере. Мы кратко познакомились с методом структурного проектирования и универсальным языком моделирования UML. Мы также познакомились с применениями метода структурного проектирования для определения функций управления медицинским лазером и для разработки структуры программного обеспечения контроллера стереоусилителя. Мы кратко рассмотрели условные графические обозначения операторов UML и познакомились с примерами описания алгоритмов посредством составления блок схемы алгоритма из операторов UML.
2.10 Что еще почитать?
1. Dale, Nell, and Susan С. Lilly. Pascal Plus Data Structures. 4th ed. Englewood Cliffs, NJ: Jones and Bartlett, 1995.
2. Douglass, Bruce Powel. Real Time UML Developing Efficient Objects for Embedded Systems. 2nd ed. Boston: Addison Wesley, 2000.
3. Fowler, Martin, with Kendall Scott. «UML Distilled A Brief Guide to the Standard Object Modeling Language. 2nd ed. Boston: Addison Wesley, 2000.
4. Kobryn, Chris. «UML 2001.» Communications of the ACM 42, no. 10, (October 1999): 29–37.
5. МсСоnnасk, J. В., R. K. Morrow, H. F. Bare, R. J. Bums, and R. L. Rasmussen «The Complementary Roles of Laboratory Notebooks and Laboratory Reports.» Paper presented at the annual meeting of the American Society for Engineering Educators Toronto, Canada, 1990.
6. Pack, Daniel, and Steven Barrett. 68HC12: Theory and Applications. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2002.
7. Page Jones, Meilir. The Practical Guide to Structured Systems Design. 2nd ed. Upper Saddle River, NJ: Yourdon Press, 1988.
8. Ritchie, Dennis M. «The Development of the С Language.» Paper presented at а meeting of the Association for Computing Machinery, Second History of Programming Languages Conference, Cambridge, МА, 1993.
9. Wakerly, John F. Digital Design Principles and Practices. 3rd ed. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2000.
2.11 Вопросы и задания
1. Проведите сравнение достоинств и недостатков применения языка Си и языка ассемблер для программирования встраиваемых микропроцессорных систем.
2. Опишите следующие свойства метода структурного проектирования: переносимость, устойчивость, читабельность.
3. Какие другие компиляторы с языков высокого уровня, кроме компиляторов Си, Вы знаете? Укажите их источники в Internet.
4. Каковы основные причины быстрого распространения языка Си для программирования встраиваемых систем?
5. Что такое «черный ящик»?
6. Каково различие между структурой и блок схемой алгоритма?
1. Преобразуйте блок схему алгоритма рис. 2.3 в диаграмму действия UML.
2. Что называют псевдокодированием?
3. Объясните различия между методами проектирования сверху вниз и снизу вверх?
4. Каковы различия между внешней и внутренней документацией?
5. Поясните необходимость ведения рабочей тетради.
1. Программно аппаратный дуализм встраиваемой микропроцессорной системы?
2. Представьте себе, что Вас попросили разработать портативную метеостанцию, которая может быть установлена в некотором удалении от центрального поста и будет сообщать этому посту состояние окружающей среды на месте размещения. Метеостанция оснащена следующими приборами:
• Анемометром — прибором для измерения скорости ветра. Анемометр представляет собой колесо с лопастями, которое вращается со скоростью, пропорциональной скорости ветра. Будем считать, что электронная схема анемометра выдает один импульс амплитудой 5 В на один оборот колеса.
• Барометром — прибором для измерения атмосферного давления. На аналоговом выходе электронного преобразователя сигнала барометра формируется напряжение в диапазоне 0…5,0 В. Давлению в 640 мм рт. ст. соответствует напряжение 0 В, давлению 810 мм рт. ст. — напряжение 5,0 В. Преобразователь обладает линейной передаточной характеристикой.
• Гигрометром — прибором для измерения влажности воздуха. Гигрометр также оснащен электронным преобразователем сигнала с линейной передаточной характеристикой. Относительной влажности 0% соответствует напряжение 0 В, влажности 100% — напряжение 5,0 В.
• Термометром — прибором для измерения температуры воздуха. Температуре 50°C соответствует напряжение 0 В, температуре +120°C — напряжение 5,0 В. Передаточная характеристика преобразователя сигнала — линейная.
• Флюгером — прибором для определения направления ветра. Напряжение на выходе электронного преобразователя прямо пропорционально углу поворота флюгера. Напряжение 0 В формируется при положении стрелки «север», далее напряжение линейно возрастает, при положении стрелки «юг» напряжение равно 2,5 В, и на повороте в 180 град. эл. продолжает линейно возрастать до 5,0 В.
Проектируемая система должна уметь делать следующее:
• Станция должна периодически, один раз в 15 мин. передавать по радиоканалу информацию об измеренных значениях величин с выхода датчиков. Если скорость ветра превышает установленное значение, защитная панель станции должна автоматически закрывать окно солнечной батареи (рис. 2.10).
Рис. 2.10. Портативная метеостанция
• Измеритель уровня осадков должен периодически очищаться.
• Кроме передачи информации об измеренных значениях с выхода датчиков, аналогичная информация должна отображаться на местном жидкокристаллическом индикаторе.
Разработайте структуру функций для управления такой станцией. Разработка передатчика не является Вашей задачей, Вы должны лишь подготовить собранные данные для передачи по радиоканалу.
3. Выберите один из домашних приборов, которые управляются встроенным контроллером. Разработайте структуру функций управления для одного из этих приложений. Выберите прибор из списка: микроволновая печь, холодильник, музыкальный центр.
4. Разработайте диаграмму действий UML для выбранного домашнего прибора.
Глава 3
ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ НА СИ
ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ ВЫ СМОЖЕТЕ:
• Описать основные конструкции языка Си;
• Написать на Си простые программы для встроенных систем на основе микроконтроллеров;
• Объяснять последовательность действий, необходимую для получения исполняемого фрагмента кодов для МК 68HC12 и HCS12;
• Объяснить назначение отдельных программ в составе интегрированной среды разработки, позволяющие редактировать, компилировать, ассемблировать, объединять и отлаживать программные фрагменты управляющего кода будущих встраиваемых систем.
В главе 3 рассматривается технология написания и отладки программ на языке Си для микроконтроллеров 68НС12 и HCS12. На протяжении всей главы мы не будем делать различия между этими двумя типами МК и, как следствие, будем использовать для ссылок общую аббревиатуру 68HC12. Основное наше внимание будет уделено технике программирования на языке Си. Однако это не означает, что программирование на языке ассемблера может быть полностью забыто. Включение в исходный текст Си-программы фрагментов на языке ассемблера позволяет создать эффективный исполняемый код в критичных по времени исполнения задачах. Вопросы объединения программных фрагментов, записанных на Си и на ассемблере, также рассматриваются в данной главе.
Мы покажем, как из исходного текста программы, записанного на Си, создать файл исполняемого кода для микроконтроллера, используя для этого программы компилятора, ассемблера, линковщика и загрузчика в составе программного пакета ICC12 от компании Imagecraft (http:/www.imagekraft.com). Программный продукт ICC12 — достаточно простой в управлении, недорогой, но обладающий всеми необходимыми типовыми функциями программный пакет класса «интегрированная среда разработки и отладки программ управления для встраиваемых систем». Технология создания программного обеспечения для встраиваемых микроконтроллерных систем с использованием перечисленных выше программ в составе интегрированной среды разработки IDE (Integrated Development Environment) обладает достаточной степенью универсальности. Поэтому навыки создания и отладки программ для МК 68HC12, полученные с использованием пакета ICC12, могут быть использованы читателем при программировании 68HC12 или иных типов микроконтроллеров с использованием других более развитых программных пакетов IDE, например Code Warrior от компании Metrowerks (http:/www.metrowerks.com).
В этой главе мы обсудим технологию отладки программы, написанной на языке Си, в процессе ее исполнения реальным микроконтроллером. Все МК семейства 68HC12 обладают специальным режимом отладки в реальном времени BDM (Background Debug Mode). Мы рассмотрим основные свойства режима BDM в этой главе. В заключение мы приведем подробный пример преобразования исходного текста программы на Си в файл исполняемого кода для выбранного типа МК средствами программ, входящих в пакет интегрированной среды разработки IDE ICC12.
3.1. Введение в программирование на Си
В главе 2 было отмечено, что язык Си стал одним из наиболее часто используемых в техническом сообществе языков программирования высокого уровня. Связано это с тем, что при сохранении абстрактного характера представления алгоритмов и данных, которое свойственно языкам программирования высокого уровня, язык Си позволяет программистам непосредственно управлять компонентами аппаратных средств компьютеров и микроконтроллеров. Например, в Си программист имеет возможность непосредственного обращения к содержимому ячеек памяти и регистров периферийных модулей с конкретными физическими адресами, что свойственно языку ассемблер.
Для того чтобы начать программировать микроконтроллеры 68НС12 на Си, мы должны сначала изучить основные конструкции этого языка, которые и рассматриваются в следующих параграфах главы 3. Следует заметить, что в этих параграфах приведен лишь минимально необходимый набор сведений по Си. Для более полного знакомства с этим языком программирования читателю следует обратиться к специальной литературе. Список рекомендуемых авторами изданий приведен в конце главы.
Си — это структурированный язык программирования. Для записи программ на языке Си используются идентификаторы, ключевые слова, числа и операторы, которые располагаются в тексте программы в соответствие с предписанными правилами. Идентификаторы — это определяемые пользователем имена переменных, функций, меток и объектов. В языке Си для того, чтобы использовать переменную в программе, её необходимо предварительно создать. Создать переменную — это значит выделить для её хранения одну или несколько ячеек памяти и присвоить ей имя, с помощью которого можно будет ссылаться на эту. В отличие от ассемблера, в языке Си необходимо указать также тип переменной. Тип служит для того, чтобы сообщить компилятору о том, как интерпретировать значение, хранящееся в ячейках памяти, отводимых под переменную. Например, имеет ли число знак (старший бит отводится для хранения знака) или старший бит является значащим разрядом числа и т. д.
3.1.1. Глобальные и локальные переменные
Каждая объявленная в начале программы переменная должна храниться в одной или нескольких ячейках памяти в течение времени исполнения программы. В микроконтроллерах переменные могут размещаться в ОЗУ, ПЗУ и регистрах центрального процессора.
В языке Си различают два типа переменных: глобальные переменные, к которым можно обратиться из любой функции программы, и локальные переменные, которые доступны только при исполнении той функции, в которой они были объявлены. В системах на микроконтроллерах, локальные переменные обычно размещаются в области стека.
Объявление различных идентификаторов в начале программы — особенность языка Си по сравнению с языком ассемблер. Служебные слова, которые будут сопровождать объявление идентификатора, определяют правила доступа к переменной, функции, макросу или структуре, которая именована этим идентификатором. Не все идентификаторы будут доступны из любого места программы на Си. Подробное описание служебных слов для объявления классов хранения переменных выходит за рамки этой главы. Вы можете найти его в [3].
В микроконтроллерах семейства 68НС12, переменные размещаются в ячейках памяти ПЗУ или ОЗУ. Переменная, которая не изменяет своего значения в течение выполнения программы, именуется константой и хранится в ПЗУ. Переменная, значение которой изменяется в процессе исполнения программы, должна храниться в ОЗУ. Например, предположим, что некоторый контроллер связан с датчиком температуры посредством аналого цифрового преобразователя. Прикладная программа должна постоянно обновлять значение температуры в памяти контроллера. Для этого объявим переменную с именем temp (от слова temperature — температура) и разместим ее в ОЗУ МК. Приведенный ниже фрагмент программы на Си демонстрирует, как обратиться к размещенной в ОЗУ переменной temp и отобразить ее значение на дисплее. Заметим, что номера строк в приводимых фрагментах программ не являются частью записи операторов языка Си и не должны присутствовать в исходном тексте программы, подлежащем компиляции. Они введены искусственно для ссылки на отдельные операторы при обсуждении конструкций языка Си.
1 while (1)
2 {
3 temp = *(unsigned char volatile*)(0х1000);
4 printf(The current temperature is %d\n, temp);
5 }
Данный фрагмент кода предполагает, что переменная с именем temp создана (объявлена) ранее, и также ранее реализован фрагмент кода на Си для опроса аналого цифрового преобразователя с целью обновления значения температуры. Для определенности в строке 3 мы сами присваиваем этой переменной значение $1000 в шестнадцатеричном коде (или 4096 в десятичной системе счисления). Префикс 0x служит в Си для обозначения шестнадцатеричной системы счисления. Не следует тревожиться, если не все записи в данном примере ясны для Вас. Пройдет немного времени, Вы закончите изучение материалов данной главы, и все рассмотренные примеры станут для Вас простыми и понятными.
В приведенном фрагменте переменная temp может быть объявлена как глобальная или как локальная переменная. Назначение статуса переменной (глобальная или локальная) определяет программист посредством записи оператора для объявления переменной в определенном месте текста программы. Глобальная переменная должна быть объявлена вне всех функций данной программы. В то время как локальная переменная объявляется внутри той функции, в которой используется. Мы рассмотрим способы объявления переменных после обсуждения в следующем параграфе типов данных, используемых в программах на Си.
3.2. Типы данных в Си
Язык Си оперирует с восемью основными типами данных, которые представлены в табл. 3.1. Тип переменной определяет число байтов в памяти микроконтроллера, которые выделяются компилятором для ее хранения.
| Спецификация типа | Описание | Размер, байт | Допустимый диапазон чисел |
|---|---|---|---|
| char | Однобайтовое целое со знаком | 1 | –128 ÷ +127 |
| unsigned char | Однобайтовое целое без знака или символ из набора символов системы ASCII | 1 | 0 до 255 |
| int | Целое значение естественного размера (машинное слово) со знаком | 2 | –32768 ÷ +32767 |
| short int | Целое значение естественного размера (машинное слово) со знаком | 2 | –32768 ÷ +32767 |
| unsigned int | Целое значение естественного размера без знака | 2 | от 0 до 65535 |
| long int | Целое значение двойного естественного размера (два машинных слова) со знаком | 4 | –2147483648 ÷ +2147483647 |
| float | Число в формате с плавающей запятой | 4 | ±1,176E–38 ÷ ±3,40E+38 |
| double | Не рекомендуется для использования | 8 | ±1,7E–308 ÷ ±1,7E+308 |
Табл. 3.1. Спецификация типов данных языка Си, используемых компилятором ICC12
Область памяти, отводимая для хранения объекта типа char, всегда составляет один байт. Размер области памяти, отводимой для хранения объектов int и long, определяется типом используемого компилятора. Как правило, int — машинное слово длиною в 16 бит, long двойное машинное слово, т.е. 32 бита. Формат и размер области памяти объектов float и double также зависит от типа используемого компилятора. В данном случае приведены значения для компилятора Си из среды разработки ICC12.
Служебные слово unsigned (без знака) используется вместе с целочисленными типами. Указание служебного слова unsigned перед спецификацией типа целочисленного значения определяет использование его старшего разряда. Для целых чисел со знаком старший разряд используется для хранения знака, что приводит к сужению диапазона модуля допустимых значений. В целых числах без знака старший разряд используется как дополнительный разряд числа, следовательно, диапазон допустимых значений расширяется. По умолчанию, т.е. без указания служебного слова unsigned, переменные типа char, int и long всегда считаются знаковыми. Числа в формате с плавающей запятой типов float и double также всегда знаковые.
В сочетании со спецификацией типа int возможно применение служебного слова short (короткий). Служебное слово short используется для сужения типа int до «короткого» целого. Применение служебного слова short имеет смысл, когда длина машинного слова микроконтроллера составляет четыре и более байтов. В этом случае спецификация типа short int соответствует целому числу, разрядностью в половину машинного слова. В случаях, когда машинное слово составляет два байта, спецификации типов int и short int совпадают (например, в 16-ти разрядном микроконтроллере HCS12). В некоторых компиляторах языка Си разрешается опускать слово int в спецификации типа short int и использовать одно слово short.
Слово long, обозначающее целое число, соответствующее двойному машинному слову, является таким же служебным словом как unsigned и применяется перед спецификацией типа int для его расширения до «длинного» целого (до двойного машинного слова). Однако в языке Си разрешается опускать слово int в спецификации типа long int и использовать одно слово long.
В дополнение к рассмотренным выше основным типам данных в языке Си существуют пять дополнительных типов данных:
• Array — массив, набор элементов одного типа;
• Pointer — указатель, переменная, которая содержит адрес переменной определенного типа;
• Structure — структура, набор элементов различного типа;
• Union — объединение, одна область памяти для двух различных типов данных;
• Function — функция, являясь сама определенным типом данных, может генерировать типы данных и возвращать типы данных.
Иногда эти пять типов данных характеризуют как производные типы, поскольку для их описания используются основные типы данных из табл. 3.1. Мы рассмотрим эти пять типов данных более подробно в этой главе, а также в главе 8.
В языке Си в простейшем случае синтаксис определения переменной или какого либо другого объекта данных выглядит так:
<спецификация типа> <идентификатор>
В более сложных случаях указывается также способ доступа к переменной и/или класс ее хранения:
<способ доступа/класс хранения> <спецификация типа> <идентификатор>
При объявлении массива может быть задано число элементов и их значения:
char a[10]
int m[] = {5,10,4000,34}
Первое поле, <способ доступа/класс хранения>, используется для задания типа памяти, куда должна быть помещена переменная. Второе поле, спецификация типа, содержит определение типа из табл. 3.1. Третье поле, идентификатор, содержит в себе придуманное программистом имя переменной. Четвертое поле, в котором проставлено численное значение или строка символов для массива, необязательное. Оно необходимо, если программист в строке объявления переменной желает также задать ее начальное значение, т.е. инициализировать переменную. Ниже приведен пример определения двухбайтовой переменной с именем «change» в целочисленном формате со знаком (тип int в соответствии с табл. 3.1):
int change;
Поделиться книгой: