Ключев А.О., Ковязина Д.Р., Кустарев П.В., Платунов А.Е. Аппаратные и программные средства встраиваемых систем
Подождите немного. Документ загружается.
221
5 Инструментальные средства для работы со стендом
SDK-1.1
В данной главе рассматривается инструментальная цепочка
программирования контроллера SDK-1.1, в которую входят бесплатные с
открытым исходным кодом инструментальные средства по разработке
программного обеспечения и доставке исполняемых модулей в учебный стенд
SDK-1.1.
5.1 Программирование стенда SDK-1.1
Для программирования стенда может использоваться любой транслятор
ассемблера или C для ядра 8051, например, SDCC или пакет μVision от Keil
Software.
Рисунок 93. Этапы программирования стенда SDK-1.1
Основные этапы программирования стенда (с использованием
компилятора SDCC):
• Подготовка программы в текстовом редакторе или среде
программирования.
• Транслирование исходного текста, сборка и получение загрузочного
HEX-модуля программы при помощи компилятора SDCC.
• Подготовка и загрузка исполняемого модуля в стенд через интерфейс
RS-232C с помощью инструментальной системы (M3P). Под
подготовкой понимается преобразование загрузочного модуля из
HEX-
формата в бинарный образ.
222
• Прием и обработка исполняемого модуля резидентным загрузчиком
UL3, который находится во Flash-памяти стенда SDK-1.1. Загрузчик
записывает программу во внешнюю память программ и данных по
указанному адресу и передает ей управление тоже по указанному
адресу.
Далее будут рассмотрены все программные средства описанной
инструментальной цепочки программирования стенда SDK-1.1, которые
используются на стороне персонального
компьютера.
5.2 Компилятор SDCC
SDCC (Small Device C Compiler) – бесплатный с открытым исходным
кодом, переносимый, оптимизирующий ANSI C компилятор для 8-разрядных
микроконтроллеров на базе Intel MCS51, Maxim 80DS390, Zilog Z80, Motorola
68HC08. Распространяется под лицензией GNU GPL. SDCC использует
бесплатные, способные полностью перенастраиваться на новые платформы
ассемблер и линкер. SDCC обладает расширенным набором команд,
основанном на оригинальном наборе команд микроконтроллеров на базе Intel
8051, что позволяет ему более эффективно использовать аппаратные
возможности конкретной платформы
[16].
5.2.1 Опции командной строки компилятора
Ключ Описание
-I
Добавляет каталог «директория» в начало списка каталогов,
используемых для поиска заголовочных файлов. Ее можно
использовать для подмены системных заголовочных файлов,
подставляя ваши собственные версии, поскольку эти директории
просматриваются до директорий системных заголовочных файлов.
Если вы используете более чем одну опцию '-I', директории
просматриваются в порядке слева направо; стандартные системные
директории идут после
.
-c
Компилировать или ассемблировать исходные файлы, но не
линковать. Конечный вывод происходит в форме объектного файла
для каждого исходного файла.
-mmcs51
Выбирает семейство микроконтроллеров Intel MCS51, для которого
производится компиляция. Опция необязательна, т.к. это семейство
выбирается по умолчанию. Для других микроконтроллеров
соответствующие ключи компиляции необходимо указывать (-mds390,
-mz80, -mhc08 и др.)
--model-small
--model-medium
--model-large
Выбирает модель памяти. Модель памяти small выбирается по
умолчанию. В моделях medium и large все переменные без
модификатора памяти попадают по умолчанию во внешнее ОЗУ
(XRAM). В модели памяти small все переменные без модификатора
памяти попадают во внутреннюю память данных (RAM).
--xstack
Позволяет располагать стек во внешней памяти (первые 256 байт), в
223
сегменте pdata.
-o <path/file>
Указывает путь/имя исполняемого файла (загрузочного модуля), в
который получается в результате сборки проекта. По умолчанию это
файл в формате Intel HEX.
--stack-auto
Указывает, что все функции в исходных кодах являются
реентерабельными (см. раздел ниже). По умолчанию все функции
являются нереентерабельными, в том числе и функции по работе с 16-
и 32-разрядными переменными (операции умножения, деления и т.д.),
которые входят в стандартную библиотеку SDCC и используются
неявно (можно увидеть только в lst-файлах).
--code-loc
<Value>
Расположение памяти программ (кода). По умолчанию адрес = 0.
Значение стартового адреса (<Value>) может быть указано как в
шестнадцетеричной, так и в десятичной системе счисления: --code-loc
0x8000 или --code-loc 32768.
--xram-loc
<Value>
Расположение внешней памяти данных. По умолчанию адрес = 0.
Значение стартового адреса (<Value>) может быть указано как в
шестнадцетеричной, так и в десятичной системе счисления: --xram-loc
0x8000 или --xram-loc 32768.
--stack-loc
<Value>
Расположение стека. По умолчанию стек располагается после сегмента
данных во внутреннем ОЗУ (например, для МК ADuC812 вершина
стека = 0x07 после старта). Значение стартового адреса (<Value>)
может быть указано как в шестнадцетеричной, так и в десятичной
системе счисления: --stack-loc 0x20 или --stack-loc 32.
5.2.2 Классы памяти
Компилятор SDCC поддерживает инструмент, позволяющий управлять
механизмами использования памяти в микроконтроллерах семейства Intel
MCS51 и создавать мощные и гибкие программы. Этот инструмент – классы
памяти. Каждая переменная может принадлежать к одному из 7 классов памяти.
Класс памяти указывается при помощи специального модификатора.
Таблица 31. Классы памяти (расширение языка Си для МК Intel MCS51)
Модификаторы
памяти
Описание
data
Внутренняя память данных с прямой адресацией; самая быстрая
работа с переменными (128 байт). Класс памяти по умолчанию для
модели памяти small.
xdata
Внешняя память данных (64Кб-16Мб). Класс памяти по
умолчанию для модели памяти large.
idata
Внутренняя память данных с косвенной адресацией; доступ ко
всему адресному пространству (128/256 байт).
pdata
Внешняя память данных с косвенной адресацией (256 байт). Класс
памяти по умолчанию для модели памяти medium.
code Память программ (64 Kб).
bit
И класс памяти, и нестанадртный тип данных. Бит-адресуемая
внутренняя память данных (128 бит) в диапазон адресов 20h-2Fh.
sfr/sfr16/sfr32/sbit
И класс памяти, и нестанадртный тип данных. Служит для
определения регистров специального назначения (sfr – 8 разрядов,
224
sfr16 – 16 разрядов, sfr32 – 32 разряда) и их битов (sbit). Эти
ключевые слова используются для создания заголовочных файлов,
позволяющих обращаться к регистрам специального назначения
по именам.
Обращение к внутренней памяти данных происходит гораздо быстрее, чем
к внешней. Поэтому переменные, которые используются чаще других, следует
размещать во внутренней памяти, а остальные – во внешней. Далее приведены
примеры объявления переменных в разных классах памяти:
__data unsigned char test_data;
__xdata unsigned char test_xdata;
__idata unsigned char test_idata;
__pdata unsigned char test_pdata;
__code unsigned char test_code;
__bit test_bit;
__sfr __at (0x80) P0; // регистр специального назначения P0 по адресу 0x80
/* 16-разрядный регистр специального назначения для Таймера 0
Старший байт значения находится по адресу 0x8C, младший по адресу 0x8A*/
__sfr16 __at (0x8C8A) TMR0;
__sbit __at ( 0xD7 ) CY; /* CY (Carry Flag, флаг переноса в SFR PSW) */
Если в объявлении переменной модификатор памяти не указан, выбирается
модель памяти, установленная по умолчанию. Аргументы функции и
переменные класса памяти auto, которые не могут быть размещены в регистрах,
также хранятся в области памяти, установленной по умолчанию.
Модель памяти, выбираемая в качестве модели по умолчанию,
устанавливается с помощью опций компилятора small, medium и large.
5.2.3 Абсолютная
адресация
Переменным можно присваивать не только класс памяти (data, xdata, code)
но и абсолютный адрес расположения.
__xdata __at (0x7ffe) unsigned int chksum;
В примере, приведенном выше, переменная chksum будет размещена по
адресу 7ffeh во внешней памяти XDATA. Необходимо заметить, что
компилятор не резервирует места под переменные, определенные таким
образом и проверка на отсутствия пересечений с другими данными полностью
лежит на программисте. Для проверки можно использовать файлы с
расширениями .lst, .rst и .map.
Если вы произведете инициализацию памяти, линкер сможет
обнаружить
пересечение данных.
__code __at (0x7ff0) char Id [5] = ''SDCC'';
225
В случае использования устройств ввода-вывода, расположенных в
адресном пространстве внешней памяти, необходимо использовать ключевое
слово volatile, для того, чтобы оптимизатор компилятора не заменил обращение
к устройству, обращением к регистру общего назначения.
volatile __xdata __at (0x8000) unsigned char PORTA_8255;
В SDCC допускается указание абсолютного адреса расположения бита, для
битовых переменных.
__bit __at (0x02) bvar;
Использование абсолютной адресации битовой памяти может вызвать
путаницу, и оправдано только, если вам хочется написать универсальную
программу (см. пример ниже) для нескольких комплектов аппаратных средств.
extern volatile __bit MOSI; /* master out, slave in */
extern volatile __bit MISO; /* master in, slave out */
extern volatile __bit MCLK; /* master clock */
unsigned char spi_io(unsigned char out_byte)
{
unsigned char i=8;
do
{
MOSI = out_byte & 0x80;
out_byte <<= 1;
MCLK = 1;
if (MISO)
out_byte += 1;
MCLK = 0;
} while(-i);
return out_byte;
}
Далее мы видим варианты определения битов для разных аппаратных
средств:
// вариант 1
__bit __at (0x80) MOSI; /* I/O port 0, bit 0 */
__bit __at (0x81) MISO; /* I/O port 0, bit 1 */
__bit __at (0x82) MCLK; /* I/O port 0, bit 2 */
// вариант 2
__bit __at (0x83) MOSI; /* I/O port 0, bit 3 */
__bit __at (0x91) MISO; /* I/O port 1, bit 1 */
__bit __at (0x92) MCLK; /* I/O port 1, bit 2 */
5.2.4 Реентерабельность
В зависимости от модели памяти и количества свободного места,
автоматические переменные и параметры функции могут быть помещены в
стек или в пространство внешней или внутренней памяти. Последний вариант
делает функцию нереентерабельной. Для того, чтобы разместить
автоматические переменные в стеке можно воспользоваться опцией
компилятора --stack-auto (или в тексте программы #pragma stack-auto) или
ключевым
словом reentrant при определении функции.
226
unsigned char foo(char i) __reentrant
{
...
}
Необходимо помнить, что в архитектуре MCS51 стек имеет очень
небольшой объем. Поэтому опцией --stack-auto необходимо пользоваться
экономно и с осторожностью. Для решения проблемы с размером стека, можно
явно указывать тип памяти для автоматической переменной и её абсолютный
адрес.
unsigned char foo()
{
__xdata unsigned char i;
__bit bvar;
__data __at (0x31) unsigned char j;
...
}
5.2.5 Оверлеи
В нереентерабельных функциях одна и та же область памяти может быть
использована повторно. SDCC использует оверлеи по умолчанию. Для
отключения режима работы с оверлеями необходимо использовать #pragma
nooverlay.
#pragma save
#pragma nooverlay
void set_error(unsigned char errcd)
{
P3 = errcd;
}
#pragma restore
void some_isr () __interrupt (2)
{
...
set_error(10);
...
}
В приведенном примере использование errcd без #pragma nooverlay
привело бы к непредсказуемым последствиям.
5.2.6 Обработчики прерываний
Обработчик прерывания в SDCC имеет следующий вид:
void timer_isr (void) __interrupt (1) __using (1)
{
...
}
Ключевое слово __interrupt определяет номер вектора прерываний, а слово
__using - номер используемого регистрового банка. Явное указание номера
регистрового банка позволяет уменьшить объем данных, сохраняемых в стеке
227
при вызове обработчика. Предполагается естественно, что этот регистровый
банк кроме обработчика никто не будет использовать.
Если обработчик прерывания изменяет какие-либо глобальные
переменные, они должны быть определены с использованием ключевого слова
volatile.
/* Номера обработчиков прерываний для ЬК ADuC812 в стенде SDK-1.1:
адрес = (номер * 8) + 3 */
#define IE0_VECTOR 0 /* 0x03 external interrupt 0 */
#define TF0_VECTOR 1 /* 0x0b timer 0 */
#define IE1_VECTOR 2 /* 0x13 external interrupt 1 */
#define TF1_VECTOR 3 /* 0x1b timer 1 */
#define SI0_VECTOR 4 /* 0x23 serial port 0 */
5.2.7 Критические секции
Внутри критической секции SDCC генерирует код, который запрещает (в
начале секции) и восстанавливает в исходное состояние (в конце) все
прерывания. Необходимо помнить, что в большинстве случаев запрещать все
прерывания слишком накладно.
int foo () __critical
{
...
...
}
Ключевое слово __critical может использоваться совместно с ключевым
словом reentrant.
Ключевое слово __critical может использоваться для защиты отдельных
переменных.
__critical { i++; }
5.2.8 Семафоры
Архитектура MCS51 позволяет проводить атомарные действия над
битовыми переменными, что позволяет успешно реализовать простой
бинарный семафор. SDCC генерирует такой код, если используется
приведенный ниже шаблон исходного текста.
volatile bit resource_is_free;
if (resource_is_free)
{
resource_is_free=0;
...
resource_is_free=1;
}
Пример использования бинарного семафора.
228
char x = 0;
volatile bit resource_is_free;
void sem( void )
{
if (resource_is_free)
{
resource_is_free = 0;
x = 10;
resource_is_free = 1;
}
}
Генерируемый SDCC код.
jbc _resource_is_free,00106$
ret
00106$:
mov _x,#0x0A
setb _resource_is_free
ret
5.2.9 Ассемблерные вставки
Компилятор SDCC позволяет использовать ассемблерные вставки.
Попробуем оптимизировать программу, представленную ниже.
unsigned char __far __at(0x7f00) buf [0x100];
unsigned char head, tail;
void to_buffer( unsigned char c )
{
if( head != (unsigned char)(tail-1) ) buf [ head++ ] = c;
}
В примере оптимизированной функции хорошо видно, что для прямого
включения ассемблерного кода необходимо использовать директивы _asm и
_endasm.
void to_buffer_asm( unsigned char c )
{
_asm
mov r2,dpl
;buffer.c if( head != (unsigned char)(tail-1)
mov a,_tail
dec a
mov r3,a
mov a,_head
cjne a,ar3,00106$
ret
00106$:
;buffer.c buf [ head++ ] = c;
mov r3,_head
inc _head
mov dpl,r3
mov dph,#(_buf >> 8)
mov a,r2
movx @dptr,a
00103$:
ret
229
_endasm;
}
Внутри ассемблерной вставки возможно использование любых директив,
понятных ассемблеру.
5.2.10 Использование меток
Внутри функции можно определять метки вида nnnn$, где n – число от 0 до
100. Метки, используемые в языке Си, не видны внутри ассемблерных вставок
и наоборот. Метки в ассемблерных вставках внутри разных функций также не
видны друг для друга.
foo() {
/* Некоторый код на Си */
_asm
; Некоторый ассемблерный код
ljmp 0003$
_endasm;
/* Еще код на Си */
clabel: /* Встроенный ассемблер не видит эту метку */
_asm
0003$: ; Эта метка доступна только из встроенного ассемблера
_endasm ;
/* Еще код на Си */
}
5.2.11 Директива __naked
Директива __naked позволяет исключить генерацию вводной части
функции. Предполагается, что за сохранение контекста отвечает программист.
volatile data unsigned char counter;
void simpleInterrupt(void) __interrupt (1)
{
counter++;
}
void nakedInterrupt(void) __interrupt (2) __naked
{
_asm
inc _counter ;Инкремент не меняет флагов, нет необходимости сохранять
;psw
reti; Неоходимо явно указывать reti
_endasm;
}
Без __naked получается такой код:
_simpleInterrupt:
push acc
push b
push dpl
push dph
push psw
mov psw,#0x00
inc _counter
pop psw
pop dph
230
pop dpl
pop b
pop acc
reti
С __naked код выглядит так:
_nakedInterrupt:
inc _counter
reti
5.2.12 Формат Intel HEX
Intel HEX – формат файла. Основным отличием этого формата от таких
монстров, как ELF и COFF является крайняя простота. Формат позволяет
хранить только образ памяти. Ни о каком перемещаемом коде и возможности
хранения объектных файлов в этом формате речи не идет.
В настоящий момент этот формат в основном используется при
программировании встроенных систем. Большинство
компиляторов и линкеров
умеют выдавать загрузочный модуль в этом формате. Строки файла
представляют собой текстовые записи, в которых закодированы адреса
расположения, команды и данные в шестнадцатеричной системе счисления.
Изначально, HEX формат использовался для работы с перфоленточными
загрузчиками. В настоящее время HEX формат используют для
программирования различных контроллеров и связи с программаторами ППЗУ.
Каждую строку в HEX файле называют записью. Она состоит из
следующих элементов:
• Двоеточие (:).
• Число байтов данных, содержащихся в этой записи. Занимает один байт
(две шестнадцатеричных цифры), что соответствует 0…255 в
десятичной системе.
• Начальный адрес блока записываемых данных – 2 байта. Этот адрес
определяет абсолютное местоположение блока в EPROM.
• Один байт, обозначающий
тип записи.
o 0x00 – блок данных;
o 0x01 – конец файла;
o 0x02 – адрес сегмента (см. архитектуру процессора Intel x86);
o 0x03 – стартовый адрес сегмента (см. архитектуру процессора Intel
x86);
o 0x04 – старшая часть линейного (32-разрядного) адреса;
o 0x05 – стартовый адрес, старшая часть линейного (32-разрядного)
адреса.
• Байты данных (их число указывается в поле 2).