Написание программ

Дата последнего обновления файла 18.11.04

Языки программирования для микроконтроллеров.

Программирование для микроконтроллеров как и программирование для универсальных компьютеров прошло большой путь развития от программирования в машинных кодах до применения современных интегрированных систем написания программ, отладки и программирования микроконтроллеров. В настоящее время исходный текст программы пишется на одном из языков программирования.

Рисунок 1. Классификация программ-трансляторов языков программирования.

Сами языки программирования в свою очередь делятся на две группы:

языки программирования "высокого" уровня

языки программирования "низкого" уровня.

К языкам программирования "низкого" уровня относятся языки программирования в которых каждому оператору соответствует не более одной машинной команды. Набор машинных команд каждого конкретного процессора обязательно входит в состав такого языка программирования. Языки программирования низкого уровня в настоящее время называются ассемблерами (старое название автокоды). Для каждого процессора существует своя группа ассемблеров. Ассемблеры для одного и того же процессора различаются между собой дополнительными возможностями, облегчающими программирование.

Языки программирования "высокого" уровня позволяют заменять один оператор несколькими машинными командами. Это позволяет увеличивать производительность труда программистов. Кроме того, языки "высокого" уровня позволяют писать программы, которые могут выполняться на различных микропроцессорах. (Естественно, что при этом необходимо использовать программы - трансляторы для соответствующего процессора.) В настоящее время наиболее распространены такие языки программирования высокого уровня как С и PLM

О преимуществах и недостатках языков высокого и низкого уровней говорилось достаточно много. Выбор языка программирования зависит от состава аппаратуры, для которой пишется программа, а также от требующегося быстродействия всего программно - аппаратного комплекса в целом.

В тех случаях, когда объём ОЗУ и ПЗУ мал (в районе нескольких килобайт) альтернативы ассемблеру нет. Именно эти языки программирования позволяют получать самый короткий и самый быстродействующий код программы (при прочих равных условиях, т.к. испортить можно всё!).

Языки программирования высокого уровня позволяют значительно сократить время создания программы, но при этом увеличивается размер программы, поэтому для выбора такого языка программирования для микропроцессорных систем необходимо иметь достаточно большой объём памяти программ (несколько десятков килобайт). Увеличение объёма программы связано с несколькими факторами:

Язык программирования рассчитывается на все случаи жизни, поэтому в большинстве случаев человек мог бы написать программу короче (исключив не нужные в данном конкретном случае проверки или защиты).

Программист не видит к чему приводит использование тех или других операторов языка программирования, поэтому может выбирать операторы, не оптимальные как с точки зрения длины машинного кода программы, так и с точки зрения быстродействия программы.

Программист не использует подпрограммы там, где они могли бы сократить объём программы, так как на языке программирования высокого уровня это всего один или несколько операторов.

Первый из этих пунктов постепенно утрачивает своё значение с появлением всё более совершенных трансляторов. Третий пункт тоже решается тем же путём при применении различных видов оптимизаторов, входящих в состав компилятора. Однако в большинстве случаев оптимизатор не может определить одинаковые действия, если они отличаются хотя бы одной командой. Кроме того, оптимизатор работает только в пределах одного модуля!

Виды программ – трансляторов.

Процесс преобразования операторов исходного языка программирования в машинные коды микропроцессора называется трансляцией исходного текста. В настоящее время ручная трансляция программ практически не используется. Трансляция производится специальными программами-трансляторами.

Существует два больших класса программ-трансляторов: компиляторы и интерпретаторы. При использовании компиляторов весь исходный текст программы преобразуется в машинные коды, и именно эти коды записываются в память микропроцессора. При использовании интерпретатора в память микропроцессора записывается исходный текст программы, а трансляция производится при считывании очередного оператора. Естественно, что быстродействие интерпретаторов намного ниже по сравнению с компиляторами, т.к. при использовании оператора в цикле он транслируется многократно.

Применение интерпретатора может обеспечить выигрыш только в случае его разработки для языка программирования “высокого” уровня. В этом случае может быть сэкономлена внутренняя память программ, а также облегчен процесс отладки программ (при применении языка программирования BASIC) или облегчен перенос программ с одного типа процессора на другой (при применении языка программирования JAVA).

При программировании на языке программирования ASSEMBLER применение интерпретатора приводит к проигрышу по всем параметрам, поэтому для языков программирования низкого уровня применяются только программы–компиляторы.

Для программирования микроконтроллеров как на языке программирования “низкого” уровня, так и на языке программирования “высокого” уровня используются только компиляторы, поэтому рассмотрим подробнее виды этих трансляторов.

Виды компиляторов

Программы-компиляторы бывают оценочные и профессиональные.

Оценочные или учебные компиляторы позволяют написать простейшие программы для конкретного процессора и определить подходит ли процессор для тех задач, которые предстоит решать в процессе разработки устройства. Конечно, если программа очень проста, то можно весь программный продукт написать на оценочном компиляторе. Оценочные компиляторы позволяют транслировать одиночный файл исходного текста программы. Иногда такие компиляторы позволяют включать в процесс трансляции содержимое отдельных файлов специальной директивой. В результате работы оценочного компилятора сразу получается исполняемый или загрузочный модуль программы, поэтому такие компиляторы называются компиляторы с единой трансляцией.

Профессиональные трансляторы позволяют производить трансляцию исходного текста программы по частям. Это позволяет значительно сократить время трансляции исходного текста программы, так как не нужно транслировать весь текст программы, а можно транслировать только ту часть программы, которая менялась после предыдущей трансляции. Кроме того, каждый программный модуль может писать отдельный программист. Это позволяет сократить время написания программы. Даже в том случае, если программу пишет один человек, время написания программы сокращается за счёт использования готовых отлаженных и оттранслированных программных модулей. В таких компиляторах процесс трансляции программы разбивается на два этапа: трансляция программного модуля и связывание программных модулей в единую программу. Поэтому такие компиляторы называются компиляторами с раздельной трансляцией.

Оценочные компиляторы обычно предлагаются бесплатно фирмами - производителями микроконтроллеров. Только фирма Intel предложила в своё время профессиональный пакет разработки программ - язык программирования PLM-51 в состав которого входит профессиональный язык программирования ASM-51.

Профессиональные компиляторы разрабатываются и продаются отдельными фирмами. Для микроконтроллеров семейства MCS-51 получили известность продукты таких фирм как FRANCLIN, IAR, KEIL. В состав современных средств написания и отладки программ для микроконтроллеров обычно входят эмуляторы процессоров или отладочные платы, текстовый редактор, компиляторы языка высокого уровня (чаще всего "C") и ассемблера, редактор связей и загрузчик программы в отладочную плату. Все программы обычно объединены интегрированной средой разработки программного проекта, позволяющую поддерживать один или несколько программных проектов.

Дата последнего обновления файла 07.06.2005

Применение подпрограмм при программировании.

При написании программ часто при реализации алгоритма работы устройства приходится повторять одни и те же операторы (например операторы, работающие с параллельным или последовательным портом). Было бы неплохо использовать один и тот же участок кода, вместо того, чтобы повторять одни и те же операторы несколько раз.

Участок программы, к которому можно обращаться из различных мест программы для выполнения некоторых действий называется подпрограммой.

Проблема, с которой приходится сталкиваться при многократном использовании участков кодов, это в какое место памяти программ возвращаться после завершения подпрограммы? Обращение к подпрограмме производится из нескольких мест основной программы. Описанную ситуацию иллюстрирует рисунок 1. На этом рисунке изображено адресное пространство микроконтроллера. Младшие адреса адресного пространства на этом рисунке находятся в нижней части рисунка.

Рисунок 1. Вызов подпрограммы и возврат к выполнению основной программы.

Для того, чтобы получить возможность возвращаться на команду, следующую за командой вызова подпрограммы, требуется запомнить адрес этой команды. Адрес возврата хранится в особых ячейках памяти. После выполнения подпрограммы необходимо осуществить переход к адресу, который записан в этих ячейках.

Для обращения к подпрограмме и возврата из неё в систему команд микропроцессоров вводят специальные команды. В микроконтроллерах семейства MCS-51 это команды LCALL, ACALL для вызова подпрограммы и команда RET для возврата из подпрограммы. Эти команды не только осуществляют передачу управления на указанный адрес, но и запоминают адрес команды, следующей за командой вызова подпрограммы. Команда возврата из подпрограммы RET передаёт управление команде, адрес которой был запомнен командой вызова подпрограммы. Пример использования подпрограммы на языке программирования ASM-51 приведён на рисунке 2:

...

MOV A,#56

CALL PeredatByte

...

MOV A,#37

CALL PeredatByte

...

;********************************************

;Подпрограмма передачи байта

;через последовательный порт

;********************************************

PeredatByte:

JB TI,$ ;Если предыдущий байт передан

MOV SBUF,G_Per ;то передать очередной байт

RET

Рисунок 2. Пример вызова подпрограммы.

Внимание! Ни в коем случае нельзя попадать в подпрограмму любым способом кроме команды вызова подпрограммы CALL! В противном случае команда возврата из подпрограммы передаст управление случайному адресу! По этому адресу могут быть расположены данные, которые в этом случае будут интерпретированы как программа, или обратиться к внешней памяти, откуда будут считываться случайные числа.

Очень часто требуется из одной подпрограммы обращаться к другой подпрограмме. Такое обращение к подпрограмме называется вложенным. Количество вложенных подпрограмм называется уровнем вложенности подпрограмм. Максимально допустимый уровень вложенности подпрограмм определяется количеством ячеек памяти, предназначенных для хранения адресов возврата из подпрограмм.

Ячейки памяти, в которых хранятся адреса возврата из подпрограмм называются стеком. Логически эти ячейки памяти организованы так, чтобы считывание последнего записанного адреса производилось первым, а первого записанного адреса производилось последним. Такая логическая организация формируется специальным счётчиком. Этот счётчик называется указателем стека SP. Ячейка памяти, в которую в данный момент может быть записан адрес возврата из подпрограммы, называется вершиной стека. Количество ячеек памяти, предназначенных для организации стека, называется глубиной стека. Последняя ячейка памяти, в которую можно производить запись называется дном стека. Логическая организация стека приведена на следующем рисунке:

Рисунок 3. Организация стека в памяти данных микропроцессора.

Первоначально стек выполнялся аппаратно на отдельных ячейках памяти, затем его стали размещать в обычной памяти данных микропроцессоров. Это позволило в каждом конкретном случае устанавливать необходимую для программы глубину стека. Оставшуюся память можно использовать для размещения глобальных и локальных переменных программы. Глубина стека устанавливается при помощи записи начального адреса вершины стека в указатель стека. Обычно глубина стека устанавливается один раз после включения питания в процедуре инициализации контроллера.

Например, в микроконтроллерах семейства MCS-51 при занесении информации в стек содержимое указателя стека увеличивается (стек растёт вверх), поэтому стек размещается в самой верхней части памяти данных. Для того, чтобы установить глубину стека 28 байт, необходимо вычесть из адреса максимальной ячейки внутренней памяти микроконтроллера глубину стека и записать полученное значение в указатель стека SP:

Кроме содержимого программного счётчика часто требуется запоминать содержимое внутренних регистров и флагов процессора, локальных переменных подпрограммы. Стек оказался удобным средством и для этой задачи. Сохранение локальных переменных в стеке позволило осуществлять вызов подпрограммы самой из себя (реализовывать рекурсивные алгоритмы). Это привело к введению в систему команд специальных команд работы со стеком. В микроконтроллерах семейства MCS-51 это команды PUSH и POP. Использование этих команд показывается на следующем примере:

Дата последнего обновления файла 07.06.2005

Подпрограммы процедуры и подпрограммы функции.

Подпрограммы предназначены для выполнения определённых действий над внутренними устройствами микроконтроллера, внешними устройствами подключёнными к ножкам микроконтроллера или числами, хранящимися в памяти этой микросхемы. В любом случае, с точки зрения программы, операции производятся над переменными. Переменные могут быть локальными или глобальными.

Подпрограммы процедуры

Если подпрограмма только осуществляет действия над глобальными переменными, то такая подпрограмма называется процедурой. Эта подпрограмма может осуществлять управление какими-то устройствами или осуществлять какие-либо вычисления. Если производятся вычисления, то результат помещается в глобальную переменную для того, чтобы этим результатом могла воспользоваться другая подпрограмма или основная программа. Пример управления последовательным портом:

...

G_Per=56;

PeredatByte();

...

G_Per=37;

PeredatByte();

...

/**********************************************

Подпрограмма передачи байта

через последовательный порт

**********************************************/

void PeredatByte(void)

{do;while(TI==0)//Если предыдущий байт передан

SBUF=G_Per //то передать очередной байт

}

Рисунок 1. Пример подпрограммы - процедуры.

Часто подпрограмма должна выполнять действия над каким то числом, значение которого неизвестно в момент написания программы. Это число можно передать через глобальную переменную как показано на рисунке 1. Однако намного удобнее использовать подпрограмму с параметрами. На языке высокого уровня вызов такой подпрограммы будет выглядеть следующим образом:

...

PeredatByte(56);

...

PeredatByte(57);

...

/*******************************************************

Подпрограмма передачи байта через последовательный порт

********************************************************/

void PeredatByte(char byte)

{do;while(TI==0) //Если предыдущий байт передан

SBUF=byte; //то передать очередной байт

}

Рисунок 2. Пример подпрограммы - процедуры с передачей данных через параметр подпрограммы.

Сравните с программой, приведённой на рисунке 1. Как по вашему, какая из программ более наглядная? В подпрограмму можно передавать и значительные объёмы данных, как например:

PeredatStroky("Напечатать строку");

Естественно, что в этом случае сама вызываемая подпрограмма должна быть написана несколько иначе по сравнению с предыдущим случаем.

Подпрограммы функции.

Часто требуется передавать результат вычислений из подпрограммы в основную программу. Для этого можно воспользоваться подпрограммой - функцией. Подпрограмма - функция возвращает вычисленное значение. Пример использования подпрограммы - функции:

Y=sin(x);

Использование подпрограмм-функций позволяет приблизить процесс написания программ к математической записи выражений, которые необходимо вычислить. Использование подпрограмм-функций позволяет увеличить наглядность программ и, в результате, увеличить скорость написания и отладки программ.

Подпрограммы-функции обычно возвращают простые типы переменных, такие как байт, слово или целое значение. Однако при помощи переменной-указателя можно возвращать и более сложные переменные, такие как массивы переменных или строки.

[ Главная ]

Дата последнего обновления файла 07.06.2005

Применение комментариев

Комментарий используется для увеличения наглядности исходного текста программы и может содержать любой печатный символ кода ASCII, в том числе включать пробелы и табуляцию. При компиляции исходного текста программы в исполняемый или объектный код комментарии игнорируются программами-трансляторами. Рассмотрим конкретные примеры использования комментариев.

Комментарии применяются при написании программы для того, чтобы поставить в соответствие блоку алгоритма написанные операторы программы. Так как алгоритм может быть написан с различной степенью детализации, то это должно быть отображено при помощи различных видов комментариев, существенно отличающихся друг от друга.

Комментарии для блоков алгоритма с наибольшей степенью детализации обычно пишут справа от операторов, которые реализуют этот алгоритм.

Более крупные блоки алгоритма отражаются комментариями, пересекающими всю программу. Эти комментарии пишут буквами верхнего регистра, чтобы было легко заметить этот комментарий.

Ещё более крупные блоки алгоритма выделяют специальными символами, которые сразу бросаются в глаза (обычно это звёздочки или символы знака минус '-'). Пример использования комментариев на языке программирования ассемблер приведён ниже:

...

;ПЕРЕДАТЬ ДВА ЧИСЛА ПО ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМУ ПОРТУ КОММЕНТАРИЙ АЛГОРИТМА ВТОРОГО УРОВНЯ

MOV G_Per, #56 ;Передать число 56 через КОММЕНТАРИЙ, ПОЯСНЯЮЩИЙ ДЕЙСТВИЯ

CALL PeredatByte ;последовательный порт НЕСКОЛЬКИХ ОПЕРАТОРОВ

MOV G_Per, #37 ;Передать число 37 через

CALL PeredatByte ;последовательный порт

;------------------------------------------ КОНЕЦ БЛОКА АЛГОРИТМА ВТОРОГО УРОВНЯ

...

;********************************************

;Подпрограмма передачи байта ТАК ВЫДЕЛЯЮТСЯ ОСОБО

;через последовательный порт ВАЖНЫЕ БЛОКИ АЛГОРИТМА

;********************************************

PeredatByte:

JB TI,$ ;Если предыдущий байт передан КОММЕНТАРИЙ, ПОЯСНЯЮЩИЙ ДЕЙСТВИЕ КОМАНДЫ В ДАННОМ КОНКРЕТНОМ СЛУЧАЕ

MOV SBUF,G_Per ;то передать очередной байт

RET

В приведённом примере показан отрывок программы на языке ASM-51, но точно так же можно использовать комментарии и на языке высокого уровня. При этом нужно помнить, что те действия, которые абсолютно ясны в момент написания программы через месяц вызовут затруднения даже у программиста, написавшего эту программу, не говоря уже о человеке, который видит эту программу впервые.

Программа, написанная на языке программирования ассемблер, читается прежде всего по комментариям и только потом, если она по каким либо причинам не работает, проверяется на соответствие комментария конкретным операторам языка программирования.

Такой стиль написания программ позволяет значительно экономить время, так как не приходится повторно разбираться с уже написанными участками кода при поиске ошибки программы.

[ Главная ]

Дата последнего обновления файла 07.06.2005

Структурное программирование.

Программирование для универсальных компьютеров начиналось с программирования в машинных кодах, затем появились и начали своё развитие языки высокого уровня, затем Дейкстрой были развиты принципы структурного программирования, на смену структурному программированию пришло объектное программирование и в настоящее время активно развивается визуальное программирование.

Программирование для микроконтроллеров во многом повторяет тот же путь. Переход от этапа к этапу зависит от доступных внутренних ресурсов микроконтроллеров. Ещё несколько лет назад использование языков высокого уровня было невозможно из-за малого объёма внутренней памяти программ. (В дешёвых моделях микроконтроллеров эта ситуация сохраняется до сих пор.) В настоящее время с появлением микроконтроллеров и сигнальных процессоров с объёмом внутренней памяти в несколько десятков килобайт появляется возможность объектного проектирования.

Применение структурного программирования позволяет увеличить скорость написания программ и облегчить отладку написанной программы. Структурное программирование возможно и на языках программирования assembler, где не предусмотрено структурных операторов, подобных структурным операторам языков программирования C, PASCAL, PL/M.

В настоящее время существует два способа написания программ: снизу вверх и сверху вниз. При написании программы снизу вверх приступить к отладке программы невозможно, не написав полностью всю программу. При написании программы сверху вниз на любом этапе написания программы она может быть оттранслирована и выполнена, при этом можно отследить все алгоритмические действия программы, написанные к этому времени. Процесс написания программы не отличается от процесса создания алгоритма. Более того, эти этапы создания программы можно объединить. Выполняемое алгоритмическое действие отображается в названии подпрограммы. Например:

ProchitatPort ;Прочитать порт

VklychitIndikator ;Включить индикатор

Основная идея структурного программирования заключаются в том, что существует только четыре структурных оператора. Используя эти структурные операторы можно построить сколь угодно сложную программу.

Первый структурный оператор называется линейная цепочка операторов. Любая задача может быть разбита на несколько подзадач. Выполнение подзадач может быть поручено подпрограмме, в названии которой можно (и нужно) отразить подзадачу, которую должна решать эта подпрограмма. На момент написания алгоритма (и программы) верхнего уровня нас не интересует, как будет решаться эта задача, поэтому вместо настоящей подпрограммы поставим подпрограмму-заглушку.

Алгоритмическое изображение оператора

Язык программирования С

Язык программирования asm-51

Второй структурный оператор называется условный оператор. Достаточно часто одна или другая задачи должны исполняться в зависимости от определённого условия, которое зависит от результатов выполнения предыдущей программы или от внешних устройств. Каждая из таких задач называется плечом условного оператора.

Алгоритмическое изображение оператора

Язык программирования С

Язык программирования asm-51

Условный оператор может использоваться в неполном варианте, когда одно из плеч алгоритма отсутствует:

Алгоритмическое изображение оператора

Язык программирования С

Язык программирования asm-51

Третий структурный оператор - это оператор цикла с проверкой условия после тела цикла. Такой оператор легко реализуется на языке программирования ассемблер при помощи команды условного или безусловного перехода. Отличие от условного оператора заключается в том, что передача управления осуществляется не вперёд, а назад. На языках программирования высокого уровня такой оператор входит в состав языка (оператор do..while в языке программирования C или оператор repeat..until в языке программирования PASCAL).

Алгоритмическое изображение оператора

Язык программирования С

Язык программирования asm-51

Четвёртый структурный оператор - это оператор цикла с проверкой условия до тела цикла. В отличие от предыдущего оператора тело цикла в этом операторе может ни разу не выполниться, если условие цикла сразу же выполнено. Этот оператор как и условный оператор невозможно реализовать на одной машинной команде.

Алгоритмическое изображение оператора

Язык программирования С

Язык программирования asm-51

Многофайловые программы.

В процессе написания программ обычно накапливаются подпрограммы и участки кода, которые можно использовать в нескольких программах. Эти участки кода можно копировать из программы в программу при помощи текстового редактора, в котором Вы пишете программы. Однако это может привести к некоторым неудобствам. Прежде всего, разрастается исходный текст программы, и в нём становится трудно ориентироваться при написании и редактировании программы. Кроме того, при обнаружении ошибок в отлаженном ранее участке кода или при переходе к работе с другими устройствами приходится искать включенные ранее участки кода и заменять их новыми.