Разработка и отладка программ для микроконтроллеров (Лабораторная работа № 25)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 25

РАЗРАБОТКА И ОТЛАДКА ПРОГРАММ ДЛЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ

1.  Цель работы

Изучить и практически исследовать методы разработки и отладки программ для микроконтроллеров на персональном компьютере.

                                                     2.Основные теоретические сведения

Микроконтроллеры (МК) – это специализированные микропроцессорные системы (МПС), предназначенные для управления и контроля состоянием технологических объектов и систем. Характерным для МК является то, что они работают по одной программе, которая хранится в постоянной памяти (ПЗУ). В МК  аппаратные средства (АС) и программные средства существуют в форме неделимого аппаратно-программного комплекса. По терминологии, сложившейся в вычислительной технике, программные средства МПС принято называть программным обеспечением (ПО).

Цикл разработки МК можно рассматривать как последовательность трех этапов проектирования:

1)  анализа задачи и разработки (или выбора) АС;

2)  разработка прикладного ПО;

3)  комплексирование АС и ПО в макете (прототипе) МК и его отладка.

По данным [1] трудозатраты на разработку АС составляют всего 10…15% от общих. Это объясняется тем, что любой МК строится по типовым схемам, и зачастую требуется лишь выбрать стандартные БИС, реализующие процессор, память и порты. Основное внимание уделяется разработке устройств сопряжения с объектом (с датчиками и исполнительными устройствами). Появление однокристальных микро-ЭВМ (ОЭВМ) также способствует сокращению затрат на разработку АС, т.к. в ОЭВМ на одном кристалле реализованы все необходимые средства МК (процессор, память, порты). Более того, многие современные ОЭВМ имеют и встроенные средства сопряжения с объектами (АЦП, ЦАП, схемы управления семисегментными индикаторами, схемы управления асинхронными двигателями и т. п.).

Основные трудозатраты (60…80%) составляет разработка ПО [1]. В связи с этим исключительно важным является выбор правильных и эффективных методов разработки ПО, а также использование систем автоматического проектирования (САПР).

Секрет успеха разработки ПО для МК заключается в использовании метода декомпозиции [1], при котором вся задача последовательно разделяется на меньшие функциональные модули, каждый из которых можно анализировать, разрабатывать и отлаживать отдельно от других. При выполнении прикладной программы в МК управление передается от одного функционального модуля к другому. Схема связности этих функциональных модулей, каждый из которых реализует некоторую завершенную процедуру, образует общую блок-схему (БСА) программы.

Преобразование разработанного алгоритма в исходный текст программы – дело относительно несложное. Но прежде чем приступить к написанию программы, необходимо хорошо специфицировать память и выбрать язык программирования.

Спецификация памяти (и рабочих регистров) заключается в размещении начальных адресов программы и стека, адресов таблиц данных, буферных зон памяти для передачи параметров между процедурами и подпрограммами и т.д. При этом следует помнить, что в МК память программ и память данных чаще всего физически  и логически разделены: программы и константы хранятся в ПЗУ, а переменные в ОЗУ.

Выбор языковых средств представления исходных программ в каждом конкретном применении зависит от специфики и характеристик прикладной задачи, опыта программиста и допустимых затрат на разработку.

Появление в последнее время эффективных трансляторов с языков высокого уровня, таких как Бейсик, Паскаль и Си, делают эти языки привлекательными для написания прикладных программ для МК, особенно, если необходимо выполнять много операций по обработке данных (арифметические операции с дробными числами и т.п.). Однако объектные программы, полученные при трансляции с языков высокого уровня, отличаются значительным объемом и большим временем выполнения.

Практика разработки ПО показала, что большинство прикладных задач управления и контроля вследствие того, что они должны решаться в реальном режиме времени, предъявляют к микропроцессорным устройствам столь высокие требования по быстродействию, что для эффективного решения этих задач основным языковым средством написания прикладных программ еще долгое время будет оставаться язык ассемблера. Это положение о преимущественном использовании этого языка определяется и тем обстоятельством, что перспективные технические средства микроконтроллеров – однокристальные микроЭВМ имеют ограниченный объем памяти программ и, следовательно, критичны к длине прикладной программы.

Существенное снижение трудозатрат на разработку программного обеспечения дают системы автоматического проектирования (САПР). Эти системы применяются, в основном, в специальных комплексах, называемых системами разработки, основу которых составляют большие и средние ЭВМ[2]. Эти системы позволяют выполнять разработку программ, их отладку, занесение программ в ПЗУ и отладку опытного образца (прототипа) МПС. Так как  ЭВМ, входящие в системы разработки, выполнялись на микропроцессорах, которые, как правило, отличались от микропроцессоров разрабатываемой МПС, то они получили название кросс-ЭВМ, а программные средства, которые они использовали, стали называть кросс-средствами. Системы разработки имеют высокую стоимость (тысячи у.е.), сложны в обслуживании и поэтому малодоступны широкому кругу инженеров-разработчиков МПС.