Методы и средства совместной отладки аппаратных и программных средств

Этап совместной отладки аппаратных и программных средств в реальном масштабе времени является самым трудоемким и требует использования инструментальных средств отладки. К числу основных инструментальных средств отладки относятся:

• внутрисхемные эмуляторы;
• платы развития (оценочные платы);
• мониторы отладки;
• эмуляторы ПЗУ.

Внутрисхемный эмулятор – программно-аппаратное средство, способное заменить эмулируемый МК в реальной схеме. Стыковка внутрисхемного эмулятора с отлаживаемой системой производится при помощи кабеля со специальной эмуляционной головкой, которая вставляется вместо МК в отлаживаемую систему. Если МК нельзя удалить из отлаживаемой системы, то использование эмулятора возможно, только если этот микроконтроллер имеет отладочный режим, при котором все его выводы находятся в третьем состоянии. В этом случае для подключения эмулятора используют специальный адаптер-клипсу, который подключается непосредственно к выводам эмулируемого МК.

Внутрисхемный эмулятор – это наиболее мощное и универсальное отладочное средство, которое делает процесс функционирования отлаживаемого контроллера прозрачным, т.е. легко контролируемым, произвольно управляемым и модифицируемым.

Платы развития, или, как принято их называть в зарубежной литературе, оценочные платы (Evaluation Boards), являются своего рода конструкторами для макетирования электронных устройств. Обычно это печатная плата с установленным на ней МК и всей необходимой ему стандартной периферией. На этой плате также устанавливают схемы связи с внешним компьютером. Как правило, там же имеется свободное поле для монтажа прикладных схем пользователя. Иногда предусмотрена уже готовая разводка для установки дополнительных устройств, рекомендуемых фирмой. Например, ПЗУ, ОЗУ, ЖКИ-дисплей, клавиатура, АЦП и др. Кроме учебных или макетных целей, такие доработанные пользователем платы можно использовать в качестве одноплатных контроллеров, встраиваемых в малосерийную продукцию.

Для большего удобства платы развития комплектуются еще и простейшим средством отладки на базе монитора отладки. Используются два типа мониторов отладки: один для МК, имеющих внешнюю шину, а второй – для МК, не имеющих внешней шины.

В первом случае отладочный монитор поставляется в виде микросхемы ПЗУ, которая вставляется в специальную розетку на плате развития. Плата также имеет ОЗУ для программ пользователя и канал связи с внешним компьютером или терминалом. Во втором случае плата развития имеет встроенные схемы программирования внутреннего ПЗУ МК, которые управляются от внешнего компьютера. При этом программа монитора просто заносится в ПЗУ МК совместно с прикладными кодами пользователя. Прикладная программа должна быть специально подготовлена: в нужные места необходимо вставить вызовы отладочных подпрограмм монитора. Затем осуществляется пробный прогон. Чтобы внести в программу исправления, пользователю надо стереть ПЗУ и произвести повторную запись. Готовую прикладную программу получают из отлаженной путем удаления всех вызовов мониторных функций и самого монитора отладки. Возможности отладки, предоставляемые комплектом «плата развития плюс монитор», не столь универсальны, как возможности внутрисхемного эмулятора, да и некоторая часть ресурсов МК в процессе отладки отбирается для работы монитора. Тем не менее, наличие набора готовых программно-аппаратных средств, позволяющих без потери времени приступить к монтажу и отладке проектируемой системы, во многих случаях является решающим фактором. Особенно если учесть, что стоимость такого комплекта несколько меньше, чем стоимость более универсального эмулятора.

Эмулятор ПЗУ – программно-аппаратное средство, позволяющее замещать ПЗУ на отлаживаемой плате, и подставляющее вместо него ОЗУ, в которое может быть загружена программа с компьютера через один из стандартных каналов связи. Это устройство позволяет пользователю избежать многократных циклов перепрограммирования ПЗУ. Эмулятор ПЗУ нужен только для МК, которые могут обращаться к внешней памяти программ. Это устройство сравнимо по сложности и по стоимости с платами развития и имеет одно большое достоинство: универсальность. Эмулятор ПЗУ может работать с любыми типами МК.

Эмулируемая память доступна для просмотра и модификации, но контроль над внутренними управляющими регистрами МК был до недавнего времени невозможен.

В последнее время появились модели интеллектуальных эмуляторов ПЗУ, которые позволяют «заглядывать» внутрь МК на плате пользователя. Интеллектуальные эмуляторы представляют собой гибрид из обычного эмулятора ПЗУ, монитора отладки и схем быстрого переключения шины с одного на другой. Это создает эффект, как если бы монитор отладки был установлен на плате пользователя и при этом он не занимает у МК никаких аппаратных ресурсов, кроме небольшой зоны программных шагов, примерно 4К.

Этап совместной отладки аппаратных и программных средств в реальном масштабе времени завершается, когда аппаратура и программное обеспечение совместно обеспечивают выполнение всех шагов алгоритма работы системы. В конце этапа отлаженная программа заносится с помощью программатора в энергонезависимую память МК, и проверяется работа контроллера без эмулятора. При этом используются лабораторные источники питания. Часть внешних источников сигналов может моделироваться.

Этап интеграции разработанного контроллера в изделие заключается в повторении работ по совместной отладке аппаратуры и управляющей программы, но при работе в составе изделия, питании от штатного источника и с информацией от штатных источников сигналов и датчиков.

Состав и объем испытаний разработанного и изготовленного контроллера зависит от условий его эксплуатации и определяется соответствующими нормативными документами. Проведение испытаний таких функционально сложных изделий, как современные контроллеры, может потребовать разработки специализированных средств контроля состояния изделия во время испытаний.

6.2. Разработка программного обеспечения для PIC-микроконтроллеров Разработка программного обеспечения является центральным моментом общего процесса проектирования. Центр тяжести функциональных свойств современных цифровых систем находится именно в программных средствах. Основным инструментом для профессиональной разработки программ является ассемблер, предполагающий детализацию на уровне команд МК. Только ассемблер позволяет максимально использовать ресурсы кристалла. Для микроконтроллеров PIC выпущено большое количество различных средств разработки. В данной главе речь пойдет о средствах, предоставляемых фирмой Microchip, которые весьма эффективны и широко используются на практике. 6.2.1. Ассемблер MPASM Ассемблер MPASM представляет собой интегрированную программную среду для разработки программных кодов PIC микроконтроллеров всех семейств. Выпускается фирмой Microchip в двух вариантах: для работы под DOS и для работы под Windows 95/98/NT. Ассемблер MPASM может использоваться как самостоятельно, так и в составе интегрированной среды разработки MPLAB. Он включает несколько программ: собственно MPASM, MPLINK и MPLIB, причем каждая из них обладает собственным интерфейсом. Программа MPASM может использоваться для двух целей: генерации исполняемого (абсолютного) кода, предназначенного для записи в МК с помощью программатора; генерации перемещаемого объектного кода, который затем будет связан с другими ассемблированными или компилированными модулями. Исполняемый код является для MPASM выходным кодом по умолчанию. При этом все переменные источника должны быть явно описаны в тексте программы или в файле, подключаемом с помощью директивы INCLUDE <filename>. Если при ассемблировании не выявляется ошибок, то генерируется выходной.hex-файл, который может быть загружен в МК с помощью программатора. При использовании ассемблера MPASM в режиме генерации перемещаемого объектного кода формируются объектные модули, которые могут быть впоследствии объединены с другими модулями при помощи компоновщика MPLINK. Программа-компоновщик MPLINK преобразует перемещаемые объектные коды в исполняемый бинарный код, привязанный к абсолютным адресам МК. Библиотечная утилита MPLIB позволяет для удобства работы сгруппировать перемещаемые объекты в один файл или библиотеку. Эти библиотеки могут быть связаны компоновщиком MPLINK в файл выходного объектного кода ассемблера MPASM. Программы MPASM и MPLINK доступны через оболочку MPASM, тогда как MPLIB доступна только со своей командной строки. Исходным файлом для ассемблера MPASM по умолчанию является файл с расширением.ASM. Текст исходного файла должен соответствовать требованиям синтаксиса, приведенным далее. Ассемблер MPASM может быть вызван командной строкой MPASM [/<Option>[ /<Option>...]] <file_name> где /<Option> означает выбор режима работы ассемблера в командной строке; <file_name> – имя файла на ассемблирование. Режимы работы ассемблера, выбранные по умолчанию, приведены в табл. 6.1. Таблица 6.1. Режимы работы ассемблера по умолчанию. Выбор Значение по умолчанию Описание ? N/A Вызвать помощь a INHX8M Генерировать абсолютный.COD и hex выход непосредственно из ассемблера: c On Выбрать/запретить случай чувствительности e On Выбрать/запретить файл ошибок h N/A Отобразить панель помощи MPASM l On Выбрать/запретить файл листинга, генерированный из макроассемблера. m On Вызвать/запретить макрорасширение o N/A Установить путь для объектных файлов /o<path>\object.file p None Установить тип процессора: /p<processor_type>; q Off Разрешить/Запретить скрытый режим (запретить вывод на экран) r Hex Определяет тип числа по умолчанию: /r<radix> w   Определяет уровень диагностических сообщений в файле листинга /w<level>, где <level> может быть: 0 – сообщать все, 1 – сообщать о предупреждениях и ошибках, 2 – сообщать только об ошибках. x Off Разрешить/запретить перекрестные ссылки в файле листинга. Здесь и далее используются следующие соглашения по использованию символов: [ ] – для аргументов по выбору; < > – для выделения специальных ключей <TAB>, <ESC> или дополнительного выбора; | – для взаимоисключающих аргументов (выбор ИЛИ); строчные символы – для обозначения типа данных. Выбор по умолчанию, приведенный в табл. 6.1, может быть изменен командной строкой: /<option> разрешает выбор; /<option>+ разрешает выбор; /<option> – запрещает выбор. Исходный ассемблерный файл создается с использованием любого ASCII текстового редактора. Каждая линия исходного файла может содержать до четырех типов информации: метки (labels) мнемоника (mnemonics) операнды (operands) комментарий (comments) Порядок и положение каждого типа имеет значение. Метка должна начинаться в колонке номер один. Мнемоника может начинаться в колонке два или далее. Операнды идут за мнемоникой. Комментарий может следовать за операндом, мнемоникой или меткой или может начинаться в любом столбце, если в качестве первого не пустого символа используется * или;. Максимальная длина строки 255 символов. Один или несколько пробелов должны отделять метку и мнемонику или мнемонику и операнд(ы). Операнды могут отделяться запятой. Например: List p=16C54, r=HEX ORG 0x1FF;Вектор сброса GOTO START;Возврат на начало ORG 0x000;Адрес начала исполнения;программы START MOVLW 0x0A;Выполнение программы;PIC МК MOVLW 0x0B;Выполнять всегда GOTO START END

Метки

В поле метки размещается символическое имя ячейки памяти, в которой хранится отмеченный операнд. Все метки должны начинаться в колонке 1. За ними может следовать двоеточие (:), пробел, табуляция или конец строки. Комментарий может также начинаться в колонке 1, если используется одно из обозначений комментария.

Метка может начинаться с символа или нижнего тире (_) и содержать буквенные символы, числа, нижние тире и знак вопроса. Длина метки может быть до 32 символов.

Мнемоники

Мнемоники представляют собой мнемонические обозначения команды, которые непосредственно транслируются в машинный код. Мнемоники ассемблерных инструкций, директивы ассемблера и макровызовы должны начинаться, по крайней мере, в колонке 2. Если есть метка на той же линии, она должна быть отделена от этой метки двоеточием или одним или более пробелами или табуляцией.

Операнды

В этом поле определяются операнды (или операнд), участвующие в операции. Операнды должны быть отделены от мнемоники одним или более пробелами или табуляцией. Операнды отделяются друг от друга запятыми. Если операция требует фиксированного номера (числа) или операндов, то все на линии после операндов игнорируется. Комментарии разрешаются в конце линии. Если мнемоники позволяют использовать различное число операндов, конец списка операндов определяется концом строки или комментарием.

Выражения используются в поле операнда и могут содержать константы, символы или любые комбинации констант и символов, разделенных арифметическими операторами. Перед каждой константой или символом может стоять + или –, что указывает на положительное или отрицательное выражение.

В ассемблере MPASM используются следующие форматы выражений:

• текстовая строка;
• числовые константы и Radix;
• арифметические операторы и приоритеты;
• High / Low операторы.

Текстовая строка – это последовательность любых допустимых ASCII символов (в десятичном диапазоне от 0 до 127), заключенная в двойные кавычки. Строка может иметь любую длину в пределах 132 колонок. При отсутствии ограничения строки она считается до конца линии. Если строка используется как буквенный операнд, она должна иметь длину в один символ, иначе будет ошибка.

Числовая константа представляет собой число, выраженное в некоторой системе счисления. Перед константой может стоять + или –. Промежуточные величины в константах рассматриваются как 32-разрядные целые без знака.

MPASM поддерживает следующие системы счисления (представления значений или Radix): шестнадцатиричную, десятичную, восьмиричную, двоичную и символьную. По умолчанию принимается шестнадцатиричная система. Табл. 6.2 представляет различные системы счисления.

Операторы – это арифметические символы, подобные + и –, которые используются при формировании выражений. Каждый оператор имеет свой приоритет. В общем случае приоритет устанавливается слева направо, а выражения в скобках оцениваются первыми. В табл. 6.3 приведены обозначения, описания и примеры применения основных операторов MPASM.

Таблица 6.2. Системы счисления (Radix).
Тип	Синтаксис	Пример
Десятичная	D'<цифры>' или.<цифры>	D'100' или.100
16-ричная	H'<цифры>' или 0x<цифры>	H'9f' или 0x9f
Восьмиричная	O'<цифры>'	O'777'
Двоичная	B'<цифры>'	B'00111001'
Символьная	'<символ>' или A'<символ>'	"C" или A'C'

 

Таблица 6.3. Основные арифметические операторы MPASM
Оператор	Описание	Пример
$	Текущий счетчик команд	goto $ + 3
(	левая скобка	1 + (d * 4)
)	правая скобка	(lenght + 1) * 255
!	операция «НЕ» (логическая инверсия)	if! (a - b)
~	дополнение	flags = ~ flags
-	инверсия (двоичное дополнение)	– 1 * lenght
High	выделить старший байт слова	movlw high llasid
Low	выделить младший байт слова	movlw low (llasid +.251)
upper	выделить наибольший байт слова	movlw upper (llasid +.251)
*	Умножение	a = c * b
/	Деление	a = b / c
%	Модуль	lenght = totall % 16
+	Сложение	Tot_len = lenght * 8 + 1
-	Вычитание	Entry_Son = (Tot – 1) / 8
<<	сдвиг влево	Val = flags << 1
>>	сдвиг вправо	Val = flags >> 1
>=	больше либо равно	if ent >= num
>	больше	if ent > num
<	меньше	if ent < num
<=	меньше либо равно	if ent <= num
==	равно	if ent == num
!=	не равно	if ent!= num
&	поразрядное «И»	flags = flags & err_bit
^	поразрядное «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ»	flags = flags ^ err_bit
|	поразрядное «ИЛИ»	flags = flags | err_bit
&&	логическое «И»	if (len == 512)&&(b == c)
||	логическое «ИЛИ»	if (len == 512) || (b == c)
=	установить равным...	entry_index = 0
++	увеличить на 1 (инкремент)	i ++
—	уменьшить на 1 (декремент)	i —

Операторы high, low и upper используются для получения одного байта из многобайтного значения, соответствующего метке. Применяются для управления расчетом точек динамического перехода при чтении таблиц и записи программ.

Операторы инкремента и декремента могут применяться к переменной только в качестве единственного оператора в строке. Они не могут быть встроенным фрагментом более сложного выражения.

Комментарии

Поле комментария может использоваться программистом для текстового или символьного пояснения логической организации программы. Поле комментария полностью игнорируется ассемблером, поэтому в нем можно применять любые символы. Комментарии, которые используются в строке сами по себе, должны начинаться с символа комментария (* или;). Комментарии в конце строки должны быть отделены от остатка строки одним или более пробелами или табуляцией.