| |
А. Буданов
Средства разработки и отладки программного обеспечения промышленных контроллеров на базе
8/16-разрядных микропроцессоров фирмы Motorola
В процессе создания систем автоматизации на базе промышленных контроллеров разработчики покупают
или разрабатывают самостоятельно системную аппаратуру (микроконтроллер, периферийное, датчиковое и сетевое
оборудование), а также программное обеспечение, которое “вдохнет жизнь” в этот “набор кремния, пластмассы и
железа”.
Разработчикам аппаратной части подобных систем (мы остановимся на ее наиболее интеллектуальной составляющей —
микроконтроллерах) в настоящее время предлагается чрезвычайно широкий спектр компонентов, начиная с разнообразнейших
микропроцессоров, памяти и устройств ввода/вывода, часто объединенных в единый корпус, и кончая надежными разъемами,
механические параметры которых во многом определяют надежность создаваемого микроконтроллера.
При этом недостаточно правильно выбрать компоненты создаваемого промышленного контроллера. Важно заставить их
слаженно и корректно работать в единой, часто многоуровневой компьютерной системе (датчик — контроллер ввода/вывода —
микропроцессор — микроконтроллер). А эта слаженность и гармоничность работы аппаратуры системы промышленной автоматизации
достигается, прежде всего, качеством того программного обеспечения, которое заложено в постоянные запоминающие устройства
ее микроконтроллеров.
Как найти компромисс между оптимальными параметрами аппаратных составляющих и программных компонентов? Существует ли
он? По нашему мнению, существует. И будет найден, если при создании микроконтроллеров разработчики будут использовать
микросхемы фирмы Motorola. Это, прежде всего, 8/16-бит модели знаменитой серии МС68 — MC68HC05, MC68HC08, MC68HC11,
MC68HC12, MC68HC16.
Мы не будем останавливаться на вопросах архитектуры микропроцессоров этой серии (о её качестве говорит тот факт, что
на сегодняшний день компанией Motorola выпущено несколько миллиардов микропроцессоров этой серии, нашедших и находящих
по сей день применение практически во всех сферах деятельности человека — от бытовых приборов до сложнейших
микропроцессорных систем). В этой статье мы подробнее рассмотрим вопросы создания программного обеспечения
микроконтроллеров на базе 8/16-бит микропроцессоров фирмы Motorola, а точнее, во-просы использования инструментальных
программных сред, помогающих создавать их “интеллект”.
К сожалению, разработчики программного обеспечения систем промышленной автоматизации на базе 8/16-бит микропроцессоров
часто лишены столь необходимой им опеки со стороны разработчиков стандартных инструментальных средств программирования
(компиляторов с языков высокого уровня, графически ориентированных редакторов и отладчиков и т. п.). Часто, особенно
на этапе отладки созданных программных продуктов, они предоставлены сами себе, имея на своем промышленном контроллере,
в лучшем случае, последовательный порт, с использованием которого в память загружается отлаживаемый код. Часто к этому
последовательному порту после загрузки подключается алфавитно-цифровой дисплей, используя который, можно реализовать
некое подобие отладки и тестирования за-груженного кода.
Для создания программного обеспечения промышленного контроллера программисту нужно иметь по крайней мере:
- микроконтроллер (система исполнения), для которого необходимо разработать программное обеспечение (ПО) реального
времени и который имеет необходимый набор вычислительных ресурсов (микропроцессор, память, часы реального времени, порты
ввода/вывода). Энергонезависимая память микроконтроллера должна хранить программный код монитора/отладчика, поддерживающего
обмены с системой разработки. Часто на этапе разработки программного обеспечения используется так называемая отладочная
платформа (evaluation board), архитектура которой повторяет (иногда избыточно — особенность ее универсальности) архитектуру
создаваемого микроконтроллера. Фирма Motorola выпускает отладочные платы (EVB) для всех производимых ею микропроцессоров
(MC68HC05EBV, MC68HC08EBV, MC68HC11EBV, MC68HC12EBV, MC68HC16EBV);
- персональный компьютер (система разработки), на котором будет выполняться разработка ПО системы исполнения.
В идеальном случае, система разработки должна иметь интегрированную кросс-среду разработки, отладки и тестирования
программного обеспечения системы исполнения, дополненную возможностями симуляции подготовленного для исполнения кода;
- физический канал связи системы исполнения и системы разработки (последовательный или параллельный).
Программное обеспечение обеих систем должно иметь функции поддержки обменов по каналу связи. Ведь разработанное
и отлаженное в режиме эмуляции ПО системы исполнения необходимо как минимум за-грузить в память и запустить в
работу, а затем получать по этому каналу информацию о поведении системы (дампы памяти, содержимое регистров микропроцессора).
После чего наступает этап отладки программных модулей системы исполнения в режиме эмуляции ее терминала системой разработки
(трассировка исполняемого кода, установка и снятие контрольных точек и т. д.).
Но разработка собственного программного обеспечения для микроконтроллеров, интеллектуальных промышленных контроллеров и
т. п. не означает, конечно, написания его в машинных кодах. Для создания собственно исполняемого кода предлагается целый
спектр редакторов, кросс-ассемблеров, кросс-компиляторов С и С++, сборщиков полученных кодов в единый загружаемый модуль.
И когда все эти модули (так называемая система программирования) интегрированы в графиче-скую среду отладки создаваемых
программных продуктов с возможностью симуляции их работы в среде системы разработки, пользователь получает идеальный
инструмент для разработки и отладки собственного программного обеспечения систем реального времени.
Средства разработки и отладки программного обеспечения фирмы HiWare, используемые для создания программного обеспечения
микропроцессоров
В настоящее время многие фирмы специализируются на разработке систем программирования, ориентированных
на создание программного обеспечения микропроцессоров, применяемых при проектировании промышленных микроконтроллеров.
Среди них многие фирмы ориентируются на решение этой задачи для 8/16-бит микропроцессоров фирмы Motorola. Одна из
наиболее известных — фирма HiWare, официально признанная компанией Motorola наиболее “успешным” производителем
программных продуктов такого рода. В настоящее время HiWare имеет отделения в США и Швейцарии и является признанным
лидером в области графических кросс-средств разработки, отладки и тестирования программного обеспечения промышленных
микроконтроллеров.
Эти мощные, ориентированные на максимальное удобство пользователя, графические среды работают под управлением
операционных систем Windows 95/98 и Windows NT.
Фирма HiWare предлагает пользователям:
- набор оптимизирующих компиляторов С и С++ (HI-CROSS+), с помощью которых можно разрабатывать программное
обеспечение для микропроцессоров фирмы Motorola (MC68HC05, MC68HC08, MC68HC11, MC68HC12, MC68HC16), Philips
8051XA, STMicroelectronics ST7;
- набор отладчиков созданного объектного кода (HI-WAVE Debugger), мощная интегрированная среда разработки
и отладки программного обеспечения 8/16-бит микропроцессоров серий MC68, Philips 8051XA, STMicroelectronics ST7;
- набор программных симуляторов (HI-WAVE Simulator), с помощью которого разработчик может симулировать на
персональном компьютере работу создаваемого программного обеспечения 8/16-бит микропроцессоров серий MC68,
Philips 8051XA, STMicro-electronics ST7 и их локальных периферийных устройств (I/O Simulation Development Package).
Набор компиляции HI-CROSS+
Набор кросс-компиляции HI-CROSS+ предлагается фирмой HIWare как основной инструмент для разработки в
среде W95/98 и NT объектного кода, исполняемого на микропроцессоре. HI-CROSS+ включает в себя кросс-компилятор
с языка высокого уровня (С или С++), кросс-ассемблер, редактор перекрестных ссылок, дизассемблер, программу “прошивки”
созданного объектного кода в постоянное запоминающее устройство микроконт-роллера — “программатор”, набор библиотек
служебных и проблемно-ориентированных подпрограмм, по-строитель макросов.
- Кросс-компиляторы ANSI-C и ANSI-C++, EC++ и CompactC++ пакета HI-CROSS+ полностью соответствуют международным
стандартам и выполняют полный набор оптимизирующих алгоритмов (по 60 разнообразным параметрам). Кросс-компиляторы EC++
и CompactC++ являются подмножеством стандартного компилятора С++ и позволяют создавать оптимальный по размерам и
быстродействию код для встроенных приложений, используемых в микроконтроллерах;
- Кросс-ассемблер пакета HI-CROSS+ может генерировать перемещаемый или объектный код программы, соответствующий
требованиям стандартного ассемблера микропроцессора Motorola;
- Редактор перекрестных ссылок пакета HI-CROSS+ оптимизирует объектный код при объединении нескольких программных
модулей, выдает таблицы оптимизации, распределения используемой и неиспользуемой памяти, генерирует файлы в формате
S-записей фирмы Motorola;
- Набор полностью готовых к использованию (ready-for-use) библиотек пакета HI-CROSS+ для встроенных приложений
(библиотеки функций с плавающей запятой, библиотека математических функций, функций организации ввода/вывода). Имеется
возможность создания собственных библиотек пользователя;
- “Программатор” пакета HI-СROSS+ генерирует файлы в формате S-записей фирмы Motorola или Hex-файлов фирмы Intel,
подготавливает файлы для записи их в ППЗУ;
- Дизассемблер пакета HI-CROSS+ декодирует коды объектных и абсолютных файлов, файлов библиотек.
Объектный код, созданный с помощью набора компиляции HI-CROSS+ полностью соответствует требованиям к объектному
коду набора программных отладчиков и симуляторов HI-WAVE (что неудивительно — ведь это программные продукты одной
фирмы HiWare). Поэтому процесс создания, отладки и тестирования программного обеспечения микропроцессора более
быстр, удобен и лишен грубых ошибок.
Любой вышеописанный компонент пакета кросс-компиляции HI-CROSS+ может быть приобретен пользователем отдельно.
Отладка программных кодов с использованием кросс-пакета отладки HI-WAVE
После того, как с помощью набора кросс-компиляции HI-CROSS+ создан программный код, готовый к загрузке и
исполнению микроконтроллером, встает задача тестирования и отладки полученного кода. Для этого фирмой HiWare
разработан графически-ориентированный пакет HI-WAVE, с помощью которого на персональном компьютере в среде
Windows 95/98 или NT производится отладка подготовленного кода.
Пакет отладки HI-WAVE предназначен для:
- симуляции и отладки программного обеспечения микроконтроллеров;
- симуляции работы периферийного оборудования создаваемого микроконтроллера;
- автоматизации процесса тестирования.
Пользователь может конфигурировать состав пакета отладки HI-WAVE в соответствии со своими требованиями,
архитектурой создаваемого микроконтроллера и выполняемыми им задачами.
Пакет отладки HI-WAVE имеет модульную структуру и состоит из Монитора (HI-WAVE Engine) и набора модулей,
называемых компонентами. Монитор управляет работой компонентов и координирует их взаимодействие. Пользователь
имеет возможность разработать и включить в пакет HI-WAVE собственные компоненты, что делает пакет отладки настраиваемым
на требования проекта, функционально гибким и удобным в использовании.
Например, для отладки программного обеспечения микроконтроллера может быть скомпонован пакет отладки, в который
входят следующие компоненты:
- Монитор HI-WAVE;
- симулятор микропроцессора;
- отладчик исходного кода (С/С++);
- отладчик кода на языке Ассемблера;
- анализатор используемых ресурсов (profiler);
- анализатор состояния локальной шины;
- симулятор устройства ввода/вывода;
- программные модули (компоненты) пользователя;
- программные модули (компоненты) третьих фирм.
Наиболее интересной и полезной особенностью пакета отладки HI-WAVE является возможность симулировать работу
устройств ввода/вывода создаваемого микроконтроллера. В основном симуляторы эмулируют работу регистров
микропроцессора и исполнение его команд. Это очень полезная функция, но микропроцессор — это иногда лишь малая
часть встроенной микропроцессорной системы. Используя пакет отладки HI-WAVE, разработчик промышленного микроконтроллера
может эмулировать работу не только микропроцессора, но и устройств ввода/вывода, таких как регистровые устройства,
аналого-цифровые преобразователи, таймеры (включая прерывания, приходящие от них), а также другие компоненты системы
ввода/вывода микроконтроллера.
В состав пакета отладки HI-WAVE входит Построитель приложений ввода/вывода, с помощью которого пользователь может
разработать компонент-симулятор устройства ввода/вывода. Построитель функционирует в среде Microsoft Visual C++.
Для создания компонента-симулятора необходимо лишь ответить на задаваемые во-просы — и код компонента генерируется
автоматически. Созданный компонент-симулятор интегрируется в среду пакета отладки HI-WAVE и управляется им в процессе
отладки.
С использованием пакета HI-WAVE процесс отладки можно проводить следующими путями:
- симуляция созданного кода на персональном компьютере в среде Windows 95/98 или NT (с сохранением реального времени
исполнения команд эмулируемого микропроцессора). В этом случае отладка программного обеспечения микроконтроллера может
быть проведена до создания микроконтроллера;
- отладка созданного кода в среде микропроцессора (т. е. микроконтроллер уже создан, и его програм-мное обеспечение
отлаживается путем загрузки исполняемого кода в его память). В этом случае персональный компьютер используется как
устройство подготовки загружаемого кода, загрузки его в память микроконтроллера, а также как устройство управления
процессом отладки и тестирования. Для этих целей используется последовательный канал, соединяющий персональный компьютер
и микроконтроллер. В среде микроконтроллера процесс загрузки и отладки поддерживает специальный монитор, хранящийся
в его ПЗУ;
- отладка созданного кода в среде микропроцессора (т. е. микроконтроллер уже создан, и его програм-мное обеспечение
отлаживается путем загрузки исполняемого кода в его память), используя особенности BDM или ICE отладочных интерфейсов,
поддерживаемых микропроцессорами МС68НС12, МС68НС16. В этом случае персональный компьютер используется как устройство
подготовки загружаемого кода, загрузки его в память микроконтроллера, а также как устройство управления процессом
отладки и тестирования. Для этих целей используется последовательный канал, соединяющий персональный компьютер и
BDM-порт микроконтроллера. В среде микроконтроллера процесс загрузки и отладки поддерживает специальный BDM-монитор,
реализованный в микропроцессоре.
Заключение
Похоже, настали времена, когда разработка программного обеспечения промышленных контроллеров перестала
быть неким шаманством — когда искушенный в своем ремесле программист, имея спаянный “на коленке” микроконтроллер,
подключив его к терминалу тремя проводами, отлаживал загруженный код, надеясь только на свой здравый смысл, интуицию
и недюжинное терпение.
Появление интегрированных графических средств разработки и отладки (подобных HI-CROSS+ и HI-WAVE фирмы HIWare)
переводит процесс создания программного обеспечения микропроцессоров на более высокий уровень, предоставляя разработчику
мощный, гибкий, чрезвычайно дружественный и эффективный инструмент.
ЗАО «РТСофт»
Тел. (095) 742-6828, 465-6702
Факс (095) 742-6829
E-mail:budanov@rtsoft.msk.ru
|
