Глава 22. Язык программирования C-51

C — это язык программирования общего назначения, предназначенный для написания программ, эффективных по исполняемому коду, с элементами структурного программирования и богатым набором операторов. Язык программирования C практически не имеет ограничений, что позволяет использовать его для эффективного решения широкого круга задач. Однако при написании программ для микроконтроллеров, принадлежащих к семейству MCS-51, необходимо учитывать особенности построения аппаратуры этих микросхем, поэтому был создан диалект этого языка.

В состав языка программирования С-51 по сравнению со стандартным языком программирования C введён ряд изменений, отображающих особенности построения памяти микроконтроллеров семейства MCS-51. Кроме того, эти изменения позволяют непосредственно обращаться к встроенным портам, таймерам и другим устройствам микроконтроллеров указанного семейства. Особенности микроконтроллеров этого семейства в основном отображаются через описания переменных.

Язык программирования С-51 удовлетворяет стандарту ANSI-C и предназначен для получения компактных и быстродействующих программ, предназначенных для микроконтроллеров семейства MCS-51. Язык С-51 обеспечивает гибкость программирования на широко известном языке C, при скорости работы и компактности, сравнимой с программами, написанными на языке программирования ассемблер.

Так как язык программирования C не имеет собственных средств ввода и вывода, то он обращается к соответствующим функциям операционных систем. В языке программирования С51 вместо этого имеется возможность изменять библиотечные функции, и тем самым обращаться к конкретным ячейкам памяти микроконтроллера, для которого пишется программа.

Компилятор c51.exe — это программное средство, которое транслирует исходный текст, написанный на языке программирования C51 в перемещаемые объектные модули. Эти модули затем могут объединяться с другими модулями, написанными на языках программирования C51, PLM-51 или ASM-51. Компилятор выводит на экран дисплея или в файлы листингов сообщения об ошибках и вспомогательную информацию, которая может быть использована при отладке и разработке программ.

Компилятор c51.exe может быть установлен на компьютерах серии IBM или совместимых с ними в операционной системе DOS 3.Х и выше и использоваться для генерации команд микроконтроллеров семейства MCS‑51.

Применение C­‑51

Язык программирования C-51 и его библиотеки являются частью интегрированного набора средств разработки программного обеспечения для микроконтроллеров семейства MCS-51. Язык программирования C51 поддерживает модульное написание программ. Процесс разработки программ на языке программирования C-51 показан на рис. 22.1.

При разработке программного обеспечения выполняются следующие этапы:

ú постановка задачи (полное определение решаемой проблемы);

ú разработка принципиальной схемы и выбор необходимого программного обеспечения;

ú разработка системного программного обеспечения. Этот важный шаг состоит из нескольких этапов, включающих: описание последовательности выполняемых каждым блоком задач, выбор языка программирования и используемых алгоритмов;

ú написание текста программы и подготовка к трансляции при помощи любого текстового редактора;

ú компиляция программы;

ú исправление синтаксических ошибок, выявленных компилятором, в текстовом редакторе с последующей перетрансляцией;

ú создание и сохранение библиотек часто используемых объектных модулей при помощи программы lib51.ехе;

ú связывание полученных перемещаемых объектных модулей в абсолютный модуль и размещение переменных в памяти микроконтроллера при помощи редактора связей bl51.exe;

ú создание программы, записываемой в ПЗУ микроконтроллера (загружаемый модуль) в hex формате, при помощи программы oh.exe;

ú проверка полученной программы при помощи символьного отладчика или других программных или аппаратных средств.

 

Рис. 22.1. Процесс написания программы на языке С-51

Файл, в котором хранится программа, написанная на языке C51 (исходный текст программы), называется исходным модулем. Для исходного текста программы принято использовать расширения файла: '*.c'. Исходный текст программы можно написать, используя любой текстовый редактор, однако намного удобнее воспользоваться интегрированной средой программирования, подобной keil-C. В интегрированную среду программирования кроме текстового редактора обычно входят отладчик программ, менеджер проектов и средства запуска программ-трансляторов.

В интегрированной среде программирования процесс трансляции исходного текста программы проходит намного проще. Для получения объектного модуля достаточно нажать на кнопку трансляции файла, как это показано на рис. 22.2.

Рис. 22.2. Кнопка трансляции исходного текста файла

Готовый оттранслированный участок программы обычно хранится на диске в виде файла, записанного в объектном формате. Такой файл называется объектным модулем. Получить объектный модуль можно, указав имя исходного модуля программы в качестве параметра программы-транслятора в DOS строке или строке командного файла, как это показано в следующем примере:

c51.exe modul.c

В этом примере в результате трансляции исходного текста программы, содержащегося в файле modul.c будет получен объектный модуль, который будет записан в файл с именем modul.obj. Как показано на рис. 22.1, объектный модуль не может быть загружен в память программ микроконтроллера. В память микроконтроллера загружается исполняемый модуль.

Программа, которая может быть выполнена микроконтроллером, получается после соединения объектных модулей в единый исполняемый модуль. Получить исполняемый модуль программы можно, указав все имена объектных модулей программы в качестве параметров программы редактора связей в DOS строке или строке командного файла, как это показано в следующем примере:

bl51.exe main.obj, modul1.obj, modul2.obj

Имя исполняемого модуля программы по умолчанию совпадает с именем первого объектного файла в списке параметров строки запуска редактора связей. Исполняемый модуль программы записывается в файл без расширения. При выполнении приведённой выше в качестве примера командной строки будет получен исполняемый модуль, который будет записан в файл с именем main.

В интегрированной среде программирования процесс получения исполняемого модуля не сложнее предыдущего варианта. Для трансляции всего программного проекта достаточно нажать на соответствующую кнопку, как это показано на рис. 22.3.

Рис. 22.3. Кнопка получения исполняемого и загрузочного модулей в интегрированной среде программирования keil-c

Большинство программаторов, предназначенных для записи информации в память программ микроконтроллеров, не может работать с объектным форматом исполняемого модуля программы, поэтому для загрузки машинного кода в процессор необходимо преобразовать объектный формат исполняемого модуля в общепринятый для программаторов HEX-формат. При преобразовании форматов вся отладочная информация теряется. Машинный код процессора в HEX-формате называется загрузочным модулем.

Загрузочный модуль программы можно получить при помощи программы-преобразователя программы oh.exe, передав ей в качестве параметра имя файла исполняемого модуля программы, например:

oh.exe main

В результате выполнения этой командной строки будет получен загрузочный модуль программы, который будет записан в файл с именем main.hex.

В интегрированной среде программирования загрузочный файл получается автоматически при выполнении трансляции программного проекта, так как интегрированная среда программирования сама выполняет перечисленные выше действия в соответствии с настройками программного проекта.

Отладка программ

После того, как программные модули были успешно оттранслированы, размещены по конкретным адресам и связаны между собой, для отладки программы можно воспользоваться любым из методов, показанных на рис. 22.1:

ú внутрисхемным эмулятором

ú встроенным программным отладчиком

ú внешним программным отладчиком

ú отлаживаемым устройством с записанным в память программ двоичным кодом программы.

Внутрисхемный эмулятор с отображением переменных языка программирования на дисплее компьютера оказывает значительную помощь при отладке программ непосредственно на разрабатываемой аппаратуре. Этот метод отладки предоставляет наиболее удобную среду, когда можно непосредственно в отлаживаемом устройстве останавливать программу, контролировать выполнение программы непосредственно по исходному тексту программы, состояние внешних портов и внутренних переменных, как входящих в состав микросхемы, так и объявленных при написании исходного текста программы. Необходимое для отладки программ оборудование показано на рис. 22.4.

Рис. 22.4. Пример системы отладки программного обеспечения для микроконтроллеров

При отладке программы с использованием внутрисхемного эмулятора необходимо включать в объектные модули символьную информацию. Для этого используются директивы компилятора. (При использовании интегрированной среды программирования достаточно установить соответствующую галочку в свойствах проекта) В компиляторе языка программирования C-51 возможны следующие действия:

ú включение информации о типе переменных для проверки типов при связывании модулей. Эта же информация используется внутрисхемным эмулятором. Исключение информации о переменных пользователя может использоваться для создания прототипов или для уменьшения размера объектного модуля;

ú включение или исключение таблиц символьной информации;

ú конфигурация вызовов подпрограмм для обеспечения связывания с модулями, написанными на языке программирования ASM-51;

ú определение желаемого содержания и формата выходного листинга программы. Распечатка промежуточных кодов на языке ассемблер после компилирования программ, написанных на языке программирования PLM-51. Включение или исключение листингов отдельных блоков исходного текста.

Ну а теперь, прежде чем начать знакомство со средой программирования, рассмотрим основные принципы построения языка программирования С‑51 и его отличие от стандартного языка ANSI C.

Структура программ С-51

Язык программирования С-51 является структурно-модульным языком. Каждый оператор в программе является частью, по крайней мере, одного модуля. Каждая программа, написанная на языке программирования С-51, состоит из одного или более модулей. Каждый модуль записывается в отдельном файле и компилируется отдельно.

В модуле помещаются операторы, составляющие программу. Эти операторы объявляют константы или переменные и выполняют необходимые действия. Операторы, выполняющие действия, обязательно должны быть помещены в подпрограммы. Исполнение программы всегда начинается с функции с именем main (т.е. в простейшем случае достаточно написать только эту подпрограмму).

Функция начинается с заголовка подпрограммы, в который входит тип возвращаемой переменной, имя подпрограммы и круглых скобок, внутри которых объявляются переменные-параметры подпрограммы. В подпрограмме main (а также во всех подпрограммах, где не нужно возвращать переменные) вместо типа переменной указывается слово void. Вот уже и начались отличия в программировании микроконтроллеров! В стандартной программе, написанной на языке C, подпрограмма main может быть int типа. Здесь это не так. Ведь программа микроконтроллера никогда не должна завершаться! Исполняемые операторы подпрограммы заключаются в фигурные скобки.

Все переменные и константы, которые будут использоваться в программе, обязательно должны быть объявлены до подпрограммы, где они будут использованы первый раз.

При написании программы для микроконтроллеров всегда необходимо видеть перед глазами принципиальную схему устройства, для которого пишется программа, так как схема и программа тесно связаны между собой и дополняют друг друга. Для иллюстрации простейшей программы, написанной на языке программирования C‑51, воспользуемся схемой, приведённой на рис. 22.5.

 

Рис. 22.1. Пример простейшей схемы устройства, построенной с использованием микроконтроллера

Для примера заставим гореть светодиод VD1. Этот светодиод будет светиться только тогда, когда через него будет протекать ток. Для этого на шестом выводе порта P0 должен присутствовать нулевой потенциал. Запишем его первой же командой нашей программы:

#include<reg51.h>

void main(void)

{P0=0; //Зажигание светодиода

while(1); //Бесконечный цикл

}

Эта программа содержит только один исполняемый оператор. Это оператор присваивания ‘P0=0;’. Следующий оператор ‘while(1);’ обеспечивает зацикливание программы. Зацикливание программы сделано для того, чтобы микроконтроллер не выполнял больше никаких действий. В противном случае микроконтроллер перейдёт к следующей ячейке памяти, и будет выполнять команды, которые мы не записывали.

Обратите внимание, что язык программирования “знает”, по какому адресу памяти данных находится порт P0. Эта информация содержится в строке #include<reg51.h>.

Для того чтобы получить более полное представление о структуре программ, написанных на языке программирования С-51, приведём пример исходного текста программы с использованием подпрограмм.

#include<reg51.h>

void svGorit(void)

{P0=0; //Зажигание светодиода

}

void main(void)

{svGorit(); //Вызов подпрограммы с именем svGorit

while(1); //Бесконечный цикл

}

В приведённом примере использование подпрограммы никаких преимуществ не даёт, но в более сложных программах использование "говорящих" имён переменных может приблизить исходный текст программы к алгоритму, и, тем самым, сделать программу более понятной. Это в свою очередь значительно уменьшит время отладки программы.