Буданов А.Н.,
RTSoft

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 их разработчики решают задачи выбора или собственной разработки аппаратуры системы (микроконтроллер, разнообразное периферийное оборудование, датчики, сетевое оборудование), а также программного обеспечения, которое "вдохнет жизнь" в это набор электронных и механических компонентов, опутанных проводами, кабелями и который без него являются просто грудой кремния, пластмассы и железа.
    Разработчикам аппаратной части подобных систем (мы остановимся на ее наиболее интеллектуальной составляющей - микроконтроллеры) в настоящее время предлагается чрезвычайно широкий спектр компонентов, начиная с разнообразнейших микропроцессоров, памяти и устройств ввода/вывода, часто объединенные в единый корпус, и, кончая, надежными разъемами, механические параметры которых во многом определяют надежность создаваемого микроконтроллера.
И проблема правильного выбора компонентов, которые будут использоваться в создаваемом промышленном контроллере, проблема не только и, в последнее время, не столько выбора их электрических/электронных параметров, а часто проблема их слаженной и корректной работы 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 этот 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 микропроцессоры фирмы Motorola. Это прежде всего 8/16 битовые модели знаменитой серии МС68 - MC68HC05, MC68HC08, MC68HC11, MC68HC12, MC68HC16.
    Мы не будем останавливаться на вопросах архитектуры микропроцессоров этой серии (то, что она во многом совершенна говорит тот факт, что на сегодняшний день в 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 битовых микропроцессоров фирмы Motorola, а точнее вопросы использования инструментальных программных сред, используемых для создания их "интеллекта".
    К сожалению, разработчики программного обеспечения систем промышленной автоматизации на базе 8/16 битовых 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, с использованием которого можно реализовать некое подобие отладки и тестирование загруженного кода.
    Для создания программного обеспечения промышленного контроллера программисту нужно иметь по крайней мере:

• микроконтроллер (система исполнения), для которого необходимо разработать 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 проводится 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 загрузить 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, промышленных интеллектуальных 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 (т.н. система программирования) интегрированы в графическую среду отладки создаваемых программных продуктов, с возможностью симуляции их работы в среде системы разработки, то в этом случае, 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 битовых микропроцессоров фирмы Motorola. Одна из наиболее известных, официально признанная фирмой Motorola, как наиболее "успешный" производитель программных продуктов такого рода - фирма HiWare. В настоящее фирма имеет отделения в США и Швейцарии и является признанным лидером в разработке графических кросс-средств создания, отладки и тестирования программного обеспечения промышленных микроконтроллеров.
    Мощные, ориентированные на максимальное удобство пользователя, графические среды, используемые для этих целей, 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 битовых 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 битовых микропроцессоров серий MC68, Philips 8051XA, STMicroelectronics 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 микроконтроллера - "программатор", набор библиотек служебных и проблемно-ориентированных подпрограмм, построитель 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-ти разнообразным параметрам). Кросс-компиляторы EC++ и CompactC++ являются подмножеством стандартного С++ компилятора 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 точкой, 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 (не мудрено - ведь это программные продукты одной фирмы HiWare), что делает процесс создания, отладки и тестирования программного обеспечения микропроцессора более быстрым, удобным и лишенным грубых ошибок.
    Любой вышеописанный компонент пакета кросс-компиляции HI-CROSS+ может быть приобретен пользователем отдельно.

Отладка программных кодов с использованиеv 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 задачами выполняемыми им.
    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:

• HI-WAVE Монитор;
• симулятор микропроцессора;
• отладчик исходного кода (С/С++);
• отладчик кода на языке Ассемблера;
• 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 компоненту-симулятор устройства ввода/вывода. Построитель функционирует в среде Microsoft Visual C++. Для создания компоненты-симулятора необходимо лишь ответить на задаваемые вопросы и код компоненты генерируется автоматически. Созданная компонента-симулятор интегрируется в среду пакета отладки HI-WAVE и управляется им в процессе отладки.
    Используя пакет 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 программное 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 программное 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, что наступили времена, когда разработка программного обеспечения промышленных контроллеров перестала быть неким шаманством, когда искушенный в своем ремесле программист, имея спаянный "на коленке" микроконтроллер, подключенный к терминалу тремя проводами отлаживал загруженный код, надеясь только на свой здравый смысл 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 для решения этой задачи.