Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С
Шрифт:
2.3.1. Выбираем язык высокого уровня для программирования встраиваемых систем
Проведя обзор в Internet, Вы обнаружите достаточно большое число разнообразных компиляторов различных языков высокого уровня для встраиваемых систем. Вы без труда найдете компиляторы Си, С++, Java. Ada, Fortran и некоторые другие. Каждый из этих языков имеет свои преимущества и недостатки. Часто выбор языка программирования может определяться специфическими особенностями задачи или просто пожеланиями заказчика. Детальное сравнение всех перечисленных языков выходит за рамки этой книги и вряд ли возможно.
Для этой книги мы выбрали язык Си, потому что именно он сейчас используется в организациях разработчиков, и он обеспечивает хороший доступ к аппаратным ресурсам микроконтроллеров. Язык Си известен как некоторый промежуточный язык, который объединяет в себе свойства языка высокого уровня и одновременно обеспечивает легкий
Язык Си был изобретен в середине 60-ых годов прошлого столетия. Несмотря на почтенный возраст, он так и остался одним из простых и компактных языков высокого уровня. Изначально язык Си был разработан для создания операционной системы Unix, поэтому его характеризуют как «инструмент для создания более сложных инструментов». Язык Си покрывает основные потребности программистов встраиваемых систем без отягощения редко используемыми конструкциями. Более того, программист может достаточно быстро освоить навыки программирования на Си и создавать приложения, которые по быстродействию и затратам памяти близки к ассемблерным. В завершение отметим, что основные конструкции языка Си делают их крайне удобными для реализации принципов структурного программирования.
2.3.2. Краткая история языка Си
Наш разговор о Си был бы неполным, если бы мы кратко не остановились на происхождении этого языка. Для более полного погружения в эту тему советуем обратиться к книге [8]. Ниже по тексту параграфа мы даем краткое изложение одного из разделов этой книги.
Первая версия языка Си была разработана в середине 60 ых годов для разработки операционной системы Unix в лаборатории Bell. Один из самых первых разработчиков этого языка, Кен Томсон (Ken Thompson), решил, что требуется язык для создания более сложных языков программирования. Он создал такой язык и назвал его «B». В процессе развития своего творения Томсон постоянно боролся с ограничением ресурсов памяти, что теперь очень похоже на встраиваемые системы. Деннис Ричи (Dennis Ritchie) решил расширить язык «B» свойством генерировать малый по объему код, который сможет соперничать с кодом, написанным на ассемблере. В 1973 году важнейшие свойства этого нового языка «C» были получены.
Возрастающая популярность Си заложена в его переносимости. Компиляторы Си были созданы для многих платформ (так в сообществе разработчиков называют процессорное ядро МК), отчего его популярность еще больше выросла. Наиболее бурно Си стал использоваться в 80 годах, когда стал основным языком для создания программ персональных компьютеров.
Американский национальный институт стандартизации (American National Standards Institute — ANSI) в 1982 году учредил комитет X3J11 для разработки стандарта языка Си. В 1989 доклад комитета был передан в Международную организации стандартизации (International Organization for Standardization — ISO) и международную электротехническую комиссию (International Electrotechnical Commission — IEC) и был утвержден в качестве стандарта ISO/IEC 9899-1990. За этим стандартом последовало неизбежное развитие языка, которое было узаконено в 1999 стандартом ISO/IEC 9899. И Си стал языком, который наиболее часто используется в компьютерной индустрии.
2.4. Оптимальная стратегия — программирование на Си и на ассемблере
Итак, мы установили, что предпочтительно программировать встраиваемые системы на языке высокого уровня. И в качестве такого языка мы обоснованно выбрали язык Си. Но и ассемблер имеет свои преимущества. Так на каком языке мы все таки будем программировать встраиваемые системы?
Практика применения языка Си и ассемблера показывает, что оптимальный результат, как с точки зрения экономии времени на разработку, так и по времени исполнения программы, можно получить, используя в одном проекте сразу два языка программировании: и Си, и ассемблер. Основная часть прикладной программы, в которой производятся преобразования данных, будет написана на СИ, в то время, как критичные по времени реализации фрагменты алгоритма, следует оформить на ассемблере. Кроме того, ассемблер иногда используют для программной поддержки некоторых внешних по отношению к МК периферийных ИС. Драйверы обмена с такими ИС обычно требуют многократного переключения отдельных линий портов МК, что в компиляторах Си для некоторых МК удобнее выполнить на ассемблере. Еще один случай обязательного включения ассемблерного фрагмента в текст основной программы на Си мы продемонстрируем на примере использования команд ассемблера 68HC12/HCS12 для преобразования данных по правилам нечеткой логики (см. гл. 7).
Ранее мы упомянули, что конструкции языка Си как нельзя лучше сочетаются с методом структурного проектирования. Настало время познакомиться с этим методом.
2.5. Структурное проектирование
Несколько
следующих параграфов мы посвятим изложению основных идей метода структурного проектирования. Для создания этого раздела мы использовали материалы, изложенные в [1, 7], а также опыт собственных разработок. Метод структурного проектирования не гарантирует обязательного успешного завершения проекта. Однако этот метод значительно увеличивает вероятность создания за ограниченное время качественной системы, полностью совместимой с управляемым объектом.2.5.1. Основные положения метода структурного проектирования
Теория. Метод структурного проектирования — это регламентированная последовательность действий, которая позволяет разработать структуру аппаратных и программных средств встраиваемой системы, удовлетворяющих техническим требованиям к проектируемому устройству.
Первым шагом этой последовательности действия является как можно более полное описание технических требований к будущей системе. В подавляющем большинстве случаев технические требования формулирует не тот, кто потом реализует систему. Поэтому технические требования должны быть как можно более точно доведены до исполнителя. Исполнитель обязан подробно исследовать предложенные ему технические требования, понять их обоснованность и согласованность. Представьте себе трагедию разработчика, который выполнил систему, работающую правильно, но по неправильному техническому заданию! Разработчик потратил время и деньги на проект, но он не нужен заказчику! Кто виноват? Вывод: структурное проектирование использует определение проблемы как путь к определению решения этой проблемы.
Применение. На протяжении всего этого параграфа мы будем иллюстрировать применение выдвинутых концепций на примере разработки системы управления стереоусилителем. Прототип нашего примера контроллер стереоусилителя, был разработан доктором Паррисом Нилом (Parris Neal) из Аэрокосмической Академии в Колорадо. Парис — превосходный инженер, разрабатывает стереоусилители мирового уровня. Любой из его проектов — это произведение искусства. Паррис разработал стереоусилитель, который может принимать звуковые сигналы от шести различных источников. Пользователь должен выбрать сигнал либо с помощью переключателей на передней панели корпуса усилителя (рис. 2.1), либо с дистанционного пульта управления, связанного со стереоусилителем по инфракрасному каналу. Паррис попросил первого автора этой книги разработать микропроцессорный контроллер для этого усилителя, используя 8 разрядный RISC МК компании Atmel. Ему было интересно на практике исследовать возможности МК Atmel в качестве низкостоимостного МК для следующих проектов.
а) Вид спереди
б) Плата с микроконтроллером
в) Вид сзади
Рис. 2.1. Внешний вид стереоусилителя с дистанционным управлением
После первого обсуждения были выявлены следующие технические требования к проекту:
• Необходимо разработать микропроцессорный контроллер для управления стереоусилителем;
• Контроллер должен обеспечить подключение ко входу стереоусилителя одного их шести источников звукового сигнала. Выбор источника сигнала может осуществляться оператором с пульта управления или с дистанционного пульта управления, связанного с основным устройством по инфракрасному каналу.
• При разработке устройства управления необходимо использовать МК компании Atmel.
После знакомства с этими первыми техническими требованиями был создан список вопросов, который должен был бы помочь разработчику более полно понять все особенности данного проекта:
• Что конкретно должен делать контроллер в ответ на выбор номера канала воспроизведения?
• Кто несет ответственность за интерфейс сопряжения между контроллером и стереоусилителем?
• Каковы электрические характеристики сигналов с передней панели усилителя и с удаленного пульта управления?
• Какие сигналы должен формировать контроллер для управления переключением каналов усилителя?
В ответ на эти вопросы заказчик (доктор Паррис Нил) выдал детальное словесное описание желаемых режимов работы своего устройства на четырех страницах. Он также нарисовал обобщенную блок схему алгоритма процесса управления. На основе этого описания нами совместно в процессе непрерывного обсуждения были созданы структурная схема контроллера и более подробная блок схема алгоритма. Далее мы два месяца переписывались по электронной почте, чтобы уточнить все детали устройства. Заметьте, в течение этих двух месяцев ни одной строки кодов программы не было написано!