Программаторы
Программаторы необходимы на заключительном этапе разработки приложений, когда требуется записать отлаженную программу в память. Рассмотрим два типа программаторов.
Программаторные платы
Такие программаторы предназначены для программирования конкретной серии микроконтроллеров с использованием и без использования инструментального (обычно персонального) компьютера. Программируемый контроллер вставляется в имеющуюся на программаторной плате панельку. Рассмотрим:
● платы, использующие компьютер.
При использовании компьютера плата подключается к его последовательному порту. Данные вводятся с клавиатуры, отображаются на экране монитора и после редактирования загружаются в буферную память (ОЗУ), после чего ее содержимое переписывается в программируемое ПЗУ. Для записи используются сигналы определенной мощности и длительности, которые формируются размещенными на плате устройствами. После программирования выполняется верификация путем считывания и сравнения содержимого ПЗУ и буферной памяти. При выявлении несовпадений производится повторное программирование соответствующих ячеек;
● платы, не использующие компьютер.
На таких платах имеется резидентный контроллер со служебным ПЗУ, в котором содержится управляющая программа. Вместо буферного ОЗУ на плате располагается панелька, в которую вставляется микросхема внешней памяти (ОЗУ или программируемое ПЗУ с электрическим стиранием). В эту память предварительно записывается требуемое содержимое ПЗУ программируемого контроллера. Под управлением резидентного контроллера производится перезапись этого содержимого в программируемое ПЗУ, верификация результата и, при необходимости, повторное программирование.
Недостаток программаторных плат — возможно программирование только (одной или нескольких) однотипных моделей микроконтроллеров.
Универсальные программаторы.
Эти программаторы работают под управлением инструментального компьютера и конструктивно реализуются в виде:
● платы расширения,
к которой подключен внешний коммутационный блок, имеющий панельки для установки программируемых изделий (микроконтроллеров или микросхем ПЗУ). Плата расширения размещается внутри компьютера;
● отдельного устройства,
имеющего на корпусе панельки для связи с программируемыми контроллерами. Устройство подключается к последовательному или параллельному порту компьютера.
К основным характеристикам программатора относятся:
● количество корректно поддерживаемых микросхем, алгоритмов программирования и форматов. Возможность расширять список поддерживаемых микросхем, без аппаратных доработок;
● способность поддерживать специфические режимы программирования различных микросхем (например, варианты «закрытия», «вскрытия» программ);
● удобство программной оболочки программатора, вид и количество дополнительных сервисных функций;
● надежность программатора.
Логические анализаторы.
Назначение и особенности. Логические анализаторы предназначены для контроля функционирования цифровых устройств и систем. Они позволяют контролировать состояние нескольких десятков точек в течение заданного промежутка времени. Символьная или графическая информация выдается в визуальном (на экране монитора) или печатном виде. Подключение анализатора к точкам контроля осуществляется с помощью зондов–клипсов или разъемов. После запуска анализатора в его память записывается последовательность значений логических сигналов в точках контроля, передаваемых по отдельным каналам. Объем этой памяти определяет глубину контроля, которая оценивается общим числом контролируемых точек на временной оси, и для большинства анализаторов составляет от 2К до 32К. На экран монитора выводится несколько десятков значений для каждой контрольной точки с возможностью просмотра всей записанной в памяти последовательности состояний. частота дискретизации временных интервалов для различных моделей логических анализаторов имеет значение от 20 до до 200 МГц.
Конструкция. Анализаторы выполняются в виде автономных измерительных приборов или плат расширения, подключаемых к инструментальному компьютеру. Анализаторные платы являются недорогими средствами контроля состояния системы. При их использовании для хранения последовательности, состояний используется память базового компьютера, который управляет процессом измерения и производит обработку результатов, благодаря этому анализаторная плата оказывается достаточно простой и более дешевой, чем автономный анализатор.
Резидентные мониторы. Назначение
Монитор (или отладчик) — это программа, предназначенная для контроля над выполнением программы–приложения, и представляет собой специализированный обработчик прерываний. Активизация монитора в микроконтроллере происходит только тогда, когда работа приложение прерывается пользователем. Поскольку поддержка монитора не требует затрат времени на выполнение команд, приложение выполняется с высокой скоростью. В отличие от обычных обработчиков прерываний монитор является сложной программой, которая не только контролирует выполнение приложения, но и осуществляет интерфейс с пользователем. Поэтому при взаимодействии пользователя с пассивным устройством, монитор должен уметь проводить анализ вводимых команд. Для управления приложением используется содержимого программного счетчика, которое при запуске монитора сохраняется в стеке. Управление выполнением программы сводится к контролю и обновлению адреса возврата в стеке. Например, для реализации перехода по некоторому адресу достаточно его поместить в стек, так как при возврате из прерывания этот адрес будет загружен в программный счетчик.
Основные функции и их реализация.
Основными функциями монитора являются: загрузка и (пошаговое) выполнение программы, останов в контрольных точках, модификация программы путем изменения содержимого памяти или регистров, ассемблирование и дезассемблирование команд.
Мониторы дают возможность разработчику прикладного программного обеспечения загружать, выполнять и отлаживать программы в реальных условиях, что существенно ускоряет отладку приложения и избавить от необходимости покупать дорогостоящий внутрисхемный эмулятор.
Мониторы–отладчики работают на том же процессоре и используют то же пространство памяти, что и отлаживаемые прикладные программы, т. е. процессор используется для выполнения прикладной программы и программы–отладчика. Трудности реализации совместного исполнения обеих программ в микроконтроллере обусловлены следующими факторами:
● в случае использования прикладной программой аппаратных ресурсов, необходимых монитору, работа приложения или процесс отладки будут нарушены;
● контроллеры имеют малый объем памяти. Поэтому для совместного размещения прикладной программы и монитора уменьшают размеры программы–отладчика. Встречаются мониторы, которые занимают всего 512 байт. Для реализации монитором перечисленных выше функций должны выполняться соответствующие требования.
Процессор микроконтроллера должен предоставлять возможность чтения–записи содержимого памяти программ, а также возможность записи в память программ из выполняющейся программы, иначе монитор не может быть использован для отладки приложения.
Микроконтроллер должен соответствовать Принстонской архитектуре, для которой существует только одно адресное пространство, используемое для кода программы, данных и стека. В этом случае отлаживаемая программа может быть помещена в память RAM, что даст возможность легко его Модифицировать. Для контроллеров с Гарвардской архитектурой мониторы обычно не разрабатываются. Основная причина этого состоит в том, что различная разрядность команд и данных значительно усложняет задачу модификации команды. Этот недостаток в Гарвардской архитектуре не является непреодолимым препятствием для написания программ, работающих как монитор. Однако без специального интерфейса с памятью программ реализация функций монитора (даже в сокращенном виде) будет очень сложна или даже невозможна.
Ведущая система должна обладать способностью прерывать выполнение текущей программы или сбрасывать микроконтроллер и запускать монитор вместо прикладной программы.
Для реализации точек останова и пошагового выполнения программ требуется модифицировать содержимое памяти, в которой хранится код прикладной программы. Поэтому микроконтроллер должен располагать возможностью записи программ в свою память. Такая возможность требуется для обновления программы и расстановки контрольных точек останова. Пошаговое выполнение может быть реализовано путем передачи управления монитору после выполнения каждой команды. Некоторые контроллеры имеют режим работы, при котором автоматически генерируется прерывание после каждой команды.
Для ассемблирования и дизассемблирования команд требуется значительный объем памяти, который занимает программа–монитор. Для резидентного монитора эта функция может оказаться нереализуемой из–за ограниченности объема памяти микроконтроллера. В этом случае приходится распечатывать ассемблерный листинг приложения, который наряду с командой содержит ее шестнадцатеричный код и адрес, чтобы иметь возможность правильно расставить контрольные точки и понять, что происходит при обращении по определенному адресу.
Функции чтения и записи содержимого регистров часто реализуется по команде пользователя двумя способами:
● содержимое регистров обновляется сразу после получения команды прерывания. В этом случае пользователь позднее может использовать загрузку в них различного содержимого, чтобы инициировать работу микроконтроллера в различных режимах и ситуациях. Такой способ позволяет выявить особенности функционирования микроконтроллера;
● содержимое регистров обновляется перед возобновлением выполнения программы (после стековой операции). В этом случае имеется возможность изменить состояние микроконтроллера таким образом, чтобы прекратить доступ к монитору. Например, контроллер прерываний может маскировать прерывания от интерфейса с ведущей системой. Этого не происходит, если регистры обновляются только перед выполнением прерванной программы.
Широкое распространение резидентных мониторов стало возможным благодаря следующим обстоятельствам:
● универсальности программного обеспечения, используемого для отладки;
● минимальным ограничениям, которые накладывает отладочный режим на аппаратные и программные ресурсы микроконтроллера;
● возможности введения в микроконтроллер избыточной схемотехники, обеспечивающей его работу в рабочем режиме в процессе эксплуатации изделия и в отладочном режиме — в процессе отладки изделия. Мониторы широко используются для отладки прикладных программ, даже если их возможности реализуются не полностью из–за ограниченности ресурсов микроконтроллера. Их стоимость значительно меньше схемных эмуляторов. Дальнейшее развитие резидентных средств отладки связано с внедрением в микроконтроллеры
Flash–памяти программ.
Внутрисистемная отладка–программирование.
Способ программирования в системе. Современные 8–разрядные микроконтроллеры (например, МК семейства НС08 фирмы «Motorola») располагают многократно перепрограммируемой памятью программ типа FLASH или EEPROM и кроме пользовательского режима работы, в котором выполняется прикладная программа управления, имеют вспомогательный отладочный режим работы (Monitor Mode). В этом режиме осуществляется отладка программ управления и выполнение операций стирания/программирования областей резидентной памяти путем диалога МК с инструментальным (персональным) компьютером. Д
ля отладки используется специальное программное обеспечение, разработанное как для МК, так и для инструментального компьютера. Оно заносится в память микроконтроллеров на этапе их изготовления. Следовательно, в самом микроконтроллере без дополнительных аппаратных затрет имеются средства, позволяющие отлаживать прикладную программу на плате конечного изделия и заносить в память отлаженную программу. Такой способ организации отладки, называемый программированием в системе (In System Programmable — ISP ), является перспективным и широко используется в 8–разрядных МК. Его реализация накладывает некоторые ограничения на аппаратные и программные ресурсы, используемые для отладки.
Режим отладки.
При переходе в отладочный режим работы запускается программа монитора отладки, которая (для МК НС08) содержит в себе подпрограмму драйвера обмена по однопроводной двунаправленной линии и подпрограмму выполнения команд отладки, поступающих в МК по этому однопроводному интерфейсу. С помощью команд отладки инициируется специальное программное обеспечение, которое позволяет выполнить следующие действия:
● загрузить в ОЗУ МК разрабатываемую прикладную программу (или ее фрагмент) и запустить на выполнение с остановкой по контрольной точке или без нее;
● запустить прикладную программу на выполнение с заданного адреса, если она загружена в МК, остановить ее выполнение в желаемой контрольной точке и передать в инструментальный компьютер состояние регистров центрального процессора и ячеек памяти после остановки;
● загрузить в ОЗУ МК по однопроводному интерфейсу программу стирания/ программирования FLASH или EEPROM ПЗУ и, передавая коды прикладной программы или таблиц данных порциями, осуществить программирование резидентной памяти МК объемом вплоть до 64 Кбайт.
Перечисленные действия, кроме последнего, реализует рассмотренный выше резидентный монитор. Возможность многократного программирования FLASH –памяти программ позволяет при работе в отладочном режиме записать в резидентную память МК окончательный вариант отлаживаемой программы.
Интегрированные среды разработки.
Назначение и возможности. Интегрированные среды (оболочки) служат для программирования и отладки систем, реализованных на базе различных семейств микроконтроллеров. В качестве инструментального компьютера могут использоваться персональные компьютеры, а для трансляции исходных текстов программ — соответствующие компиляторы.
Интегрированные среды разработки позволяют:
● выполнить автономную отладку
программного обеспечения с помощью симуляторов и комплексную отладку систем с применением схемных эмуляторов, плат развития и логических анализаторов;
● использовать для отладки систем дополнительные программные и аппаратные средства, созданные различными фирмами;
● создавать системы реального времени на базе разрабатываемого программного обеспечения или с использованием ядра ОСРВ из имеющегося набора.
Состав.
В состав среды входят следующие программные средства:
● символьный отладчик, упрощающий контроль и модификацию режимов отладки;
● графические средства разработки, обеспечивающие с помощью инструментального компьютера многооконный графический интерфейс;
● симуляторы микроконтроллеров, а также модели некоторых периферийных устройств;
● резидентные мониторы–отладчики, загружаемые в память плат развития при их использовании для комплексной отладки систем;
● мониторы–драйверы, обеспечивающие в процессе комплексной отладки управление схемными эмуляторами, платами развития, логическим анализатором.
В состав среды могут входить специальные средства для разработки систем, которые работают в реальном режиме времени и предоставляют пользователю такие возможности как:
● включение в состав программного обеспечения системы ядра реального времени аналогичного тем, которые используются в современных операционных систем реального времени (ОСРВ). Использование готовых ядер значительно сокращает время разработки программного обеспечения, дает гарантии надежного функционирования системы в реальном масштабе времени;
● разработка собственного монитора реального времени, когда готовые ядра не удовлетворяют предъявляемым требованиям (по объему необходимой памяти или времени отклика на внешние события).
Режимы отладки.
Интегрированные среды обеспечивают два режима отладки программного обеспечения:
● режим автономной отладки,
в котором реализуется прогон программы на симуляторе с воспроизведением точного числа тактов, требуемых для выполнения команд и программных модулей. Контролируемые параметры в процессе отладки выводятся в память трассы емкостью до десятков сотен тысяч команд. Память доступна пользователю для просмотра и коррекции. Использование моделей периферийных устройств позволяет имитировать выполнение программы в реальных условиях с учетом состояния других устройств системы;
● режим комплексной отладки,
в котором для отладки системы используются резидентный монитор–отладчик, схемный эмулятор или плата развития. Контроль состояния системы в процессе отладки осуществляется с помощью логического анализатора. Инструментальный компьютер управляет схемным эмулятором, платой развития и логическим анализатором с помощью мониторов–драйверов.
Интегрированные среды эффективно используются для программирования и комплексной отладки микроконтроллерных систем, обеспечивая при этом широкие возможности разработки программного обеспечения для работы в режиме реального времени.
