Рудякова А.Н., Липинский А.Ю., Данилов В.В., Рудяков И.Ю. Аппаратно-программные средства встраиваемых компьютерных систем

Подождите немного. Документ загружается.

Архитектура и средства разработки

современных однокристальных микро-ЭВМ

Вопросы для самоконтроля к главе 1

1. Что такое однокристальная микро-ЭВМ (микроконтроллер)?

2. Какие фирмы (компании, корпорации) являются производителями

современных микроконтроллеров?

3. Назовите основные устройства и интерфейсы, которыми оснащаются

современные микроконтроллеры?

4. Какое основное отличие микроконтроллеров семейства 8051 от

остальных семейств, рассмотренных в этой главе?

5. Укажите диапазон тактовых частот современных микроконтроллеров.

6. Перечислите

распространенные интегрированные среды разработки

программного обеспечения для микроконтроллеров, опишите преимущества

и недостатки каждой из этих сред.

7. Назовите и охарактеризуйте программные пакеты, позволяющие

промоделировать работу микроконтроллера с записанной в него программой.

Глава 2

ГЛАВА 2

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЯЗЫКА C. КОМПИЛЯТОР GCC

В главе приведены базовые сведения о языке С, необходимые для

успешного получения навыков программирования микроконтроллеров,

применяющихся во встраиваемых компьютерных системах.

Как и для любого языка программирования, при написании программы

на языке С необходимо оперировать некоторыми данными, которые могут

быть либо постоянными числами, либо изменяться, в

зависимости от

результатов их обработки. Данные, над которыми производятся действия,

должны храниться в памяти (либо в регистрах) микроконтроллера. При

написании программы на языке высокого уровня (к которым относится С)

для программиста нет необходимости самому выбирать эти ячейки памяти, и

затем держать в голове их адреса. Однако нужно объявить переменные, дав

им

некоторые, удобные для запоминания, имена, и тогда компилятор сам

позаботится о выделении памяти, и обращение к нужной ячейке памяти

(либо регистру) в программе будет производиться по имени переменной.

Поскольку возможна работа с данными различного рода и размера

(целые или дробные числа, символы), и компилятору должно быть известно,

сколько памяти

необходимо отвести под ту, или иную переменную, при ее

объявлении необходимо указать тип из перечня типов данных языка С.

Также тип данных влияет на результат выполнения некоторых команд.

Например, при делении 5 на 2 получится 2.5, если переменные, в которых

хранятся числа 5 и 2 были объявлены как вещественные. Если же они были

объявлены как целые

, результатом деления будет 2.

Знакомство с языком С в этой главе начинается с описания встроенных

типов данных. Затем рассматриваются правила, которые нужно учитывать

при выборе имен переменных, а также набор простых операторов (операций),

позволяющих составлять из переменных некоторые выражения.

Основные понятия языка С

Компилятор GCC

Далее рассматриваются более сложные операторы – условий и циклов, с

использованием которых можно организовывать ветвление в программе.

В параграфе 2.2 описывается работа с функциями и

макроопределениями, позволяющими (хотя и по-разному) не повторять, при

написании текста программы, встречающиеся несколько раз однотипные

куски кода. Таким образом, нужный набор выражений записывается только

один раз, при

этом ему дается имя, которое затем используется в программе.

Структура программы на языке С, а также особенности ее компиляции с

использованием GCC рассматриваются в параграфе 2.3.

2.1. Типы данных, выражения, операторы

Типы данных. Язык С имеет стандартный набор типов данных.

Пользователь может создавать свои собственные типы, объявление которых

основано на уже

имеющихся. Можно объявлять массивы, структуры данных

и указатели, как на переменные, так и на функции.

Базовые (фундаментальные) типы данных С приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 –

Типы данных С

Целые типы

Типы с плавающей

точкой

Прочие

char

int

short

long

signed

unsigned

enum

float

double

long double

void

const

volatile

Необязательные ключевые слова signed и unsigned могут

предшествовать любому целому типу, кроме enum, и могут быть

использованы отдельно в качестве спецификаторов типа. При этом они

Глава 2

понимаются соответственно как signed int и unsigned int. Ключевое слово int,

если оно используется отдельно, воспринимается как signed. Ключевые слова

long и short, когда они используются отдельно, воспринимаются как long int и

short int.

Типы signed char, signed int, signed short int и signed long int (как и

соответствующие unsigned и enum) называются целыми типами.

Спецификаторы типов float, double и long double называются "плавающими"

типами или типами "с плавающей точкой". В объявлении переменной или

функции можно использовать любой

спецификатор целого типа или типа с

плавающей точкой.

Тип void можно использовать для объявления функции, которая не

возвращает значения. Когда ключевое слово void появляется в скобках за

именем функции, оно указывает на то, что у функции нет аргументов.

Спецификатор типа const объявляет не подлежащий модификации

объект. Ключевое слово const может быть модификатором для любого

фундаментального или составного типа. Если объявление составного типа

содержит модификатор const, то каждый элемент составного типа считается

неизменным. Если элемент объявлен только со спецификатором типа const,

то считается что он имеет тип const int. Объекты const можно поместить в

раздел памяти, предназначенный только для чтения.

Спецификатор типа volatile объявляет элемент, значение которого может

быть изменено без контроля

со стороны программы, в которой он появляется.

Например, адрес глобальной переменной можно передать в подпрограмму

операционной системы, следящей за временем, и тогда эта переменная будет

содержать системное время. В этом случае значение переменной будет

изменяться без участия какого-либо оператора программы. Знание таких

подробностей важно потому, что большинство компиляторов С

автоматически оптимизируют некоторые выражения, предполагая при этом

неизменность переменной, если она не встречается в левой части оператора

присваивания. В этом случае при очередной ссылке на переменную может

Основные понятия языка С

Компилятор GCC

использоваться ее предыдущее значение. Некоторые компиляторы изменяют

порядок вычислений в выражениях, что может привести к ошибке, если в

выражении присутствует переменная, вычисляемая вне программы.

Спецификатор volatile предотвращает такие изменения программы.

При разработке приложений для встраиваемых микроконтроллеров

желательно использовать volatile при объявлении переменных, участвующих

в опросе состояния портов, а также глобальных переменных, доступных

как

в обработчиках прерываний, так и в основной программе.

Спецификаторы типа обычно записываются сокращенно, как это

показано в табл. 2.1. Целые типы по умолчанию имеют знак. Т.о. если в

спецификаторе типа не используется ключевое слово unsigned, то целый тип

имеет знак, даже если не указано ключевое слово signed.

В некоторых реализациях можно задать

опцию компилятора, по которой

тип char сменит установку по умолчанию с signed на unsigned. При

использовании этой опции запись char означает unsigned char, и нужно

использовать ключевое слово signed для объявления символьного значения

со знаком. Например, в AVRStudio это можно указать для компилятора GCC

на вкладке General (см. рис. 2.1).

Рис. 2.1

Глава 2

В табл. 2.2 приводятся размеры памяти, которые выделяются для

хранения каждого фундаментального типа, и диапазоны значений, которые

могут храниться в переменной каждого типа. Спецификатор void не включен

в таблицу, т.к. он используется только для указания на функцию без

возвращаемого значения и для указателя на незаданный тип. Аналогично,

таблица не содержит const и volatile, т

.к. размер переменных не

модифицируется ими и переменные могут содержать любое значение из

диапазона своего фундаментального типа.

Таблица 2.2 –

Размер в памяти и диапазон значений типов данных С

Тип Размер в памяти Диапазон значений

char 1 байт от -128 до 127

int

зависит от реализации

short int 2 байта от -32 768 до 32 767

long int 4 байта

от -2 147 483 648 до

2 147 483 647

unsigned char 1 байт от 0 до 255

unsigned short 2 байта от 0 до 65 535

unsigned long 4 байта от 0 до 4 295 967 295

float 4 байта

запись по стандарту

IEEE,

от 3.4E-38 до 3.4.E+38

double 8 байт

запись по стандарту

IEEE, от 1.7Е-308 до

1.7Е+308

Тип char хранит целые значения элементов представительного набора

символов. Это целое значение есть код ASCII для соответствующего

символа. Из-за того, что тип char интерпретируется как целое со знаком,

Основные понятия языка С

Компилятор GCC

занимающее 1 байт, переменная char может хранить значения от -128 до 127,

хотя символьный эквивалент имеют только значения от 0 до 127.

Аналогично, unsigned char может хранить значения в диапазоне от 0 до 255.

Обратите внимание на то, что язык С не определяет размер памяти и

диапазон значений для типов int и unsigned int. Вместо этого используется

стандартный размер целого в конкретной машине. Например

, в 16-битовой

машине тип int обычно занимает 16 бит, или 2 байта. В 32-битовой машине

тип int обычно занимает 32 бита, или 4 байта. Т.о. тип int эквивалентен либо

типу short int либо long int, а тип unsigned int эквивалентен либо типу

unsigned short либо типу unsigned long, в зависимости от реализации.

Числа с плавающей точкой используют формат IEEE. Значение типа

float занимают 4 байта, которые содержат бит

знака, 8 бит двоичной

экспоненты и 23 бита мантиссы. Мантисса пpедставляет собой число от 1.0

до 2.0. Т.к. старший бит мантиссы всегда pавен 1, то он не хpанится в числе.

При таком представлении в типе float можно хpанить величины в диапазоне

пpиблизительно от 3.4e-38 до 3.4.e+38.

Значения типа double занимают 8 байт. Формат аналогичен формату

float,

за тем исключением, что на экспоненту выделяется 11 бит, а на

мантиссу 52 бита плюс подразумеваемый старший бит 1. С помощью этого

формата для типа double можно представлять величины в диапазоне

приблизительно от 1.7e-308 до 1.7e+308.

В компиляторе WinAVR, на основе стандартных беззнаковых целых

типов объявлены типы данных, приведенные в табл. 2.3.

Таблица 2.3 –

Целые типы данных WinAVR

Тип WinAVR Размер

в памяти Диапазон значений

uint8_t 1 байт от 0 до 255

uint16_t 2 байта от 0 до 65 535

uint32_t 4 байта от 0 до 4 295 967 295

Глава 2

Для хранения векторных или матричных данных предусмотрены

массивы. Массив представляет собой набор переменных одного типа,

имеющих одно и то же имя. Доступ к конкретному элементу массива

осуществляется с помощью индекса. При этом все элементы массивы

располагаются в отдельной непрерывной области памяти. Первый элемент

массива располагается по самому младшему адресу, а

последний — по

самому старшему. Массивы могут быть одномерными и многомерными.

Общая форма объявления одномерного массива имеет следующий вид:

тип имя_переменной [размер];

Как и другие переменные, массив должен быть объявлен явно, чтобы

компилятор выделил для него определенную область памяти (т.е. разместил

массив). Здесь тип обозначает базовый тип массива, являющийся типом

каждого элемента. Размер задает количество элементов массива.

Доступ к элементу массива осуществляется с помощью имени массива и

индекса. Индекс элемента массива

помещается в квадратных скобках после

имени.

Индекс первого элемента любого массива в языке С равен нулю.

Объем памяти, необходимый для хранения массива, непосредственно

определяется его типом и размером. Для одномерного массива количество

байтов памяти вычисляется следующим образом:

количество_байтов = sizeof(базовый_тип) × длина_массива

Во время выполнения программы на С не проверяется ни соблюдение

границ массивов, ни их содержимое. В область памяти, занятую массивом,

может быть записано что угодно, даже программный код. Программист

должен сам, где это необходимо, ввести проверку границ индексов.

Объявление двухмерного массива выглядит следующим образом:

Основные понятия языка С

Компилятор GCC

тип имя_переменной [размер_1][размер_2];

Двухмерные массивы размещаются в матрице, состоящей из строк и

столбцов. Первый индекс указывает номер строки, а второй — номер

столбца. Это значит, что когда к элементам массива обращаются в том

порядке, в котором они размещены в памяти, правый индекс изменяется

быстрее, чем левый.

Еще одним способом хранения под одним именем некоторого

набора

данных (в общем случае разных типов) является структура.

С помощью структур удобно размещать в смежных полях связанные

между собой элементы информации. Объявление структуры создает шаблон,

который можно использовать для создания ее объектов (то есть экземпляров

этой структуры). Переменные, из которых состоит структура, называются

членами. (Члены структуры еще называются элементами или

полями.)

Как правило, поля структуры связаны друг с другом по смыслу.

Например, элемент списка рассылки, состоящий из имени и адреса логично

представить в виде структуры. В следующем фрагменте кода показано, как

объявить структуру, в которой определены поля имени и адреса. Ключевое

слово struct сообщает компилятору, что объявляется (еще говорят,

"декларируется") структура

struct addr

{

char name[30];

char street[40];

char city[20];

char state[3];

unsigned long int zip;

};

Обратите внимание, что объявление завершается точкой с запятой,

потому что объявление структуры является оператором.

Глава 2

В данном случае на самом деле никакая переменная не создается. Всего

лишь определяется вид данных. Когда вы объявляете структуру, то

определяете агрегатный тип, а не переменную. И пока вы не объявите

переменную этого типа, то существовать она не будет. Чтобы объявить

переменную (то есть физический объект) типа addr, напишите следующее:

struct addr addr_info;

В этом операторе объявлена переменная типа addr, которая называется

addr_info. Таким образом, addr описывает вид структуры (ее тип), a addr_info

является экземпляром (объектом) этой структуры.

Когда объявляется переменная-структура, компилятор автоматически

выделяет количество памяти, достаточное, чтобы разместить все ее члены.

Доступ к отдельным полям структуры осуществляется с помощью

оператора

. (который обычно называют оператором точка или оператором

доступа к члену структуры). Например, в следующем выражении полю zip в

уже объявленной переменной-структуре addr_info присваивается значение

ZIP-кода, равное 12345:

addr_info.zip = 12345;

Это отдельное поле определяется именем объекта (в данном случае

addr_info), за которым следует точка, а затем имя самого этого поля (в

данном случае zip).

Выражения. В языке С имена переменных, функций, меток и т.п.

называются идентификаторами. Длина идентификатора (количество

символов, из которых состоит идентификатор) является натуральным

числом, обычно идентификатор представляет собой

последовательность из

одного или нескольких символов. Первый символ должен быть буквой или