Самый эффективный способ отладки программ для МК – применение специализированных профессиональных инструментальных отладочных средств, к которым следует отнести:
- внутрисхемные эмуляторы (ВСЭ) – программно аппаратное средство, способное замещать собой эмулируемый процессор в реальном устройстве;
- программные симуляторы – программное средство способное имитировать работу МК и его памяти;
- мониторы отладки – специальная программа, загружаемая в память отлаживаемой системы.
- платы развития (Evaluation Boards – оценочные платы) – своеобразные конструкторы для макетирования прикладных систем;
- эмуляторы ПЗУ – программно-аппаратное средство, позволяющее заменить ПЗУ отлаживаемого устройства на ОЗУ, в которое можно загрузить программу с компьютера через один из стандартных каналов связи.
Помимо этого существуют и комбинированные устройства и наборы.
Симуляторы
Как правило, симулятор состоит из отладчика, модели ЦП и памяти. Более совершенные устройства содержат в своем составе модели встроенных периферийных устройств (таймеров, портов, АЦП и систем прерываний).
Симулятор должен уметь загружать файлы программ в всех популярных форматах, максимально полно отображать информацию о состоянии ресурсов симулируемого МК, а также предоставлять возможности по симуляции выполнения загружаемой программы в различных режимах. В процессе отладки модель выполняет программу, и на экране монитора компьютера отображается текущее состояние модели.
Загрузив программу в симулятор, пользователь может запускать ее пошаговом или непрерывном режиме, задавать условные или безусловные точки останова, контролировать и свободно модифицировать содержимое ячеек памяти и регистров симулируемого МК. Симулятор позволяет быстро проверить логику выполнения программы, правильность выполнения арифметических операций.
В зависимости от класса используемого отладчика некоторые модели симуляторов поддерживают высокоуровневую отладку программ.
Симулятор может содержать и ряд дополнительных программных средств, например интерфейс внешней среды. Наличие такого интерфейса позволяет создавать и гибко использовать модель внешней среды МК, функционирующую и воздействующую на отлаживаемую программу по заданному алгоритму.
В реальной системе МК обычно «занимается» считыванием информации с подключенных к нему устройств (датчиков), обработкой ее и выдачи управляющих сигналов на исполнительные устройства. Для того чтобы в простом симуляторе смоделировать работу датчика, нужно вручную изменять текущее состояние модели периферийного устройства, к которому в реальной системе подключен датчик. Но существует ряд современных разработок программных симуляторов, в которых чтобы имитировать внешние условия и ситуации, обычно используется специальный файл входных воздействий. Этот файл задает последовательность входных сигналов, поступающих на моделируемое устройство.
К примеру, для микроконтроллеров AVR этот входной файл программного симулятора может выглядеть следующим образом:
000000000:00
000000006:F1
000000015:18
000000109:1C
000000203:61
000000250:10
000000344:1F
000000391:71
999999999:ff
где каждая строка содержит – цикл:данные , поступающие на какой либо указанный порт.
В некоторых моделях симуляторов эта проблема имитации внешних сигналов решена таким образом, что симулятор имеет встроенное средство для создания моделей подключенных к МК внешних устройств, включая средства графического отображения информации.
Очевидная особенность программных симуляторов в том, что загруженные в них программы выполняются в масштабе времени, отличном от реального. Однако низкая цена, возможность отладки даже при отсутствии макета отлаживаемого устройства делают программные симуляторы весьма привлекательным средством отладки. Необходимо также отметить, что существует целый класс ошибок, которые можно обнаружить только с помощью симулятора.
Интегрированные среды разработки
Идея единства программного и аппаратного обеспечения систем на базе МК является очень важной. Объединение инструментальных средств разработки программного обеспечения с инструментальными средствами разработки аппаратного обеспечения может стать важным преимуществом при разработке устройств.
Существенно облегчают и ускоряют процесс разработки и отладки микропроцессорных систем, так называемые интегрированные среды разработки. Они совмещают в себе текстовый редактор для написания исходных текстов, трансляторы с ассемблера и Си, линкер, отладчик, справочную информацию по МК и другие средства, необходимые разработчику. Настройка трансляторов, линкера и других компонентов производится не методом указания ключей в командной строке, а в виде диалоговых окон, где нужно только расставить «галочки» в нужных местах. Преобразование исходных текстов программ в файл машинных кодов запускается нажатием одной клавишей.
Появление интегрированных сред разработки программ ещё больше повысило эффективность создания программ для МК, позволило разработчику сосредоточиться на сути решаемой задачи и отвлечься от конкретных деталей ее реализации. Интегрированные пакеты для разработки программ выпускают несколько фирм, пакеты разных производителей схожи между собой по функциям, но различаются предоставляемыми сервисными возможностями, удобством работы и качеством генерированного машинного кода.
Напомним, что при традиционном подходе начальный этап написания программ строится следующим образом. Исходный текст набирают с помощью какого либо текстового редактора. По завершению набора работа с текстовым редактором прекращается и запускается кросс-компилятор. Как правило, новая программ содержит синтаксические ошибки, и компилятор сообщает о них на консоль оператора. Затем вновь запускается текстовый редактор, и оператор ищет и устраняет выявленные ошибки. При этом сообщение об их характере, выведенные компилятором уже не видны, так как экран занят текстовым редактором.
Этот цикл может повторяться не один раз. И если программа относительно сложна, собирается из различных частей, подвергается редактированию или модернизации, то даже этот начальный этап может потребовать очень много сил и времени программиста.
Избежать рутинной работы и тем самым существенно повысить производительность труда программиста позволяет появившиеся и быстро завоевывающие популярность так называемые интегрированные среды (оболочки) разработки (Integrated Development Environment – IDE).
Как правило, хорошая интегрированная среда объединяет имеющиеся средства отладки (внутрисхемный эмулятор, программный симулятор и программатор) и обеспечивает работу программиста с текстами программ в стиле диалоговых окон.
Интегрированная среда позволяет:
- использовать встроенный многофайловый текстовый редактор, специально ориентированный на работу с исходными текстами программ;
- наблюдать одновременно в многооконном режиме диагностику выявленных при компиляции ошибок и исходный текст программы доступный редактированию;
- вести параллельную работу над несколькими проектами. Менеджер проектов позволяет использовать любой проект в качестве шаблона для вновь создаваемого. Опции используемых компиляторов и список исходных файлов проекта устанавливаются в диалоговых меню и сохраняются в рамках проекта, устраняя необходимость работы с неудобными bat – файлами:
- подвергать перекомпиляции, только редактировавшиеся модули;
- загружать отлаживаемую программу в имеющиеся средства отладки и работать с ними без выхода из оболочки;
- подключать к оболочке практически любые программные средства.
В последнее время функции интегрированных сред разработки становится принадлежностью программных интерфейсов наиболее «продвинутых» эмуляторов и отладчиков симуляторов. Такие функциональные возможности в сочетании с дружественным интерфейсом существенно ускоряют работу программиста.
Таким образом, выбирая инструментальные средства отладки, целесообразно принимать в расчет следующий комплекс показателей: перечень поддерживаемых МК, ограничения на ресурсы эмулируемых/симулируемых МК, возможность символьной отладки, перечень поддерживаемых компиляторов и, наконец, сервисные возможности.
Язык Ассемблера.
Прежде чем начать разработку какого либо устройства на база МК очень важно познакомиться с основами программирования на языке Ассемблера. При создании приложений для МК следует не только освоить этот метод программирования, но и научиться хорошо понимать, как шаг за шагом выполняется ваша программа, и что при этом происходит в устройстве.
Чтобы процесс изучения языка, написание и отладка программ на Ассемблере был более простым и понятным, существует несколько приемов. Во-первых – использование визуализации процедур выполнения команд процессором. Во-вторых – применение методов структурного программирования, чтобы сделать программы более простыми для чтения и понимания.
Визуализацию выполнения команд лучше всего осуществлять, используя структурную схему процессора или МК, на которой отмечается прохождение данных при выполнении каждой команды. В результате обеспечивается хорошее визуальное представление процесса выполнения команд.
Языки программирования высокого уровня.
Для программирования МК можно использовать различные языки высокого уровня. Термин «язык высокого уровня» служит для обозначения языков, используемых для написания легко читаемых программ, которые конвертируются (компилируются) в язык ассемблера, а затем преобразуются в объектный код (биты и байты) для их выполнения микроконтроллером.
Перечислим основные характеристики языков высокого уровня:
- наличие встроенных функций (например, консольный ввод/вывод) с подключаемыми библиотеками;
- разнообразные типы данных (8-, 16-, 32-битные и с плавающей точкой);
- выполнение арифметических операций с использованием стека;
- использование локальных и глобальных переменных, указателей и структур данных;
- распределение памяти;
- доступ к аппаратным регистрам;
- символическая информация для симулятора/эмулятора.
Реализация этих характеристик может быть проблематичной для встраиваемых МК, которые обладают следующими особенностями:
- ограниченный объем памяти программ ROM и памяти данных RAM;
- отсутствие BIOS или операционной системы;
- переопределяемый ввод/вывод (когда вывод может использоваться как цифровой/аналоговый/последовательный вход/выход).
Таким образом, использование ассемблера необходимо, если к размеру и быстродействию генерируемого кода предъявляются очень жесткие требования. В настоящее время таких случаев становится все меньше и меньше, т.к. практически всегда можно взять более «быстрый» МК с большим объемом памяти. Кроме того, современные пакеты кросс средств позволяют легко писать смешанные программы, где часть модулей написана на Си, а наиболее критичные к быстродействию части – на ассемблере. Компиляторы Си позволяют также вставлять в исходные тексты ассемблерные инструкции.
При разработке программного обеспечения для МК существует несколько правил, которые следует выполнять, чтобы объем используемых ресурсов не превысил доступный предел.
- Использовать только один вид интерфейса с аппаратными средствами (внешними устройствами). Применения различных интерфейсов создает проблемы, если потребуется подключать другие типы внешних устройств.
- Идентифицировать глобальные переменные, специфичные для подпрограмм, и не использовать их где-нибудь еще в коде.
- Использовать везде, где возможно, локальные переменные (это можно реализовать только в языках высокого уровня).
- Если предполагается наличие временно используемых переменных, то программа должна обеспечить их уникальное использование.
Следование этим правилам при разработке прикладных программ избавит вас в дальнейшем от проблем, связанных с устранением трудно выявляемых неустойчивых ошибок в программе.
