Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С - Стивен Барретт

Поскольку программы на языке высокого уровня обладают более высокой степенью абстракции, эффективность программирования возрастает. Поэтому программист может завершить проект за меньшее время, чем он выполнял бы этот проект на ассемблере. Кроме того, если один и тот же ранее отлаженный код используется в следующих проектах, то эффективность программирования значительно повышается (концепция многократного использования программного кода для типовых функций управления).

Языки высокого уровня обладают важным свойством переносимости программного кода. Это означает, что программа, написанная на языке высокого уровня для одного МК, затем может быть скомпилирована другим компилятором для МК с другим процессорным ядром. И эта программа тоже окажется работоспособной. Для того, чтобы программа обладала свойством переносимости, синтаксис языка высокого уровня для разных компиляторов должен быть абсолютно одинаков. В частности, таким свойством обладает язык Си стандарта ANSI (American National Standards Institute). Разработчики называют его просто «ANSI C». Основная цель стандартизации состоит в том, чтобы обеспечить разработчику возможность написания типовых функций управления один раз с последующим их многократным использованием в разных проектах и для разных микроконтроллеров.

Языки высокого уровня также обеспечивают очень хорошую читабельность кода. Если программа хорошо написана, другой программист, не ее разработчик, может прочесть исходный текст и понять, какой алгоритм реализован и как программа работает. Мы специально не определили, что означает термин «хорошо написана». Мы оставим этот весьма важный аспект до параграфа 2.5, в котором обсудим структурное проектирование.

Еще одним преимуществом языков высокого уровня является простота реализации различных математических вычислений. Например, операции умножения и деления чисел в формате представления с плавающей точкой достаточно сложно реализуются на ассемблере. Строго говоря, имеются специальные библиотеки функций на ассемблере, которые, впрочем, сейчас уже достаточно трудно достать. В тоже время с математическими вычислениями прекрасно справляются языки высокого уровня. Так в главе 4 мы покажем, как на Си записать выражение для вычисления длительности импульса, используя значения моментов времени, полученные с таймера: 

TIMP = (216×n) + (Stop_count − Start_count)

Вычисление этого уравнения достаточно сложно выполнить на ассемблере, однако для языка высокого уровня это рутинная задача. Однако не следует забывать, что мы должны включить эти математические операции в код программы, а это увеличит затраты памяти МК на проект.

Подведем итоги нашему короткому сравнению языка ассемблер с языками высокого уровня. Мы можем сделать вывод, что языки высокого уровня пригодны и весьма полезны для программирования встраиваемых систем.

2.3.1. Выбираем язык высокого уровня для программирования встраиваемых систем

Проведя обзор в Internet, Вы обнаружите достаточно большое число разнообразных компиляторов различных языков высокого уровня для встраиваемых систем. Вы без труда найдете компиляторы Си, С++, Java. Ada, Fortran и некоторые другие. Каждый из этих языков имеет свои преимущества и недостатки. Часто выбор языка программирования может определяться специфическими особенностями задачи или просто пожеланиями заказчика. Детальное сравнение всех перечисленных языков выходит за рамки этой книги и вряд ли возможно.

Для этой книги мы выбрали язык Си, потому что именно он сейчас используется в организациях разработчиков, и он обеспечивает хороший доступ к аппаратным ресурсам микроконтроллеров. Язык Си известен как некоторый промежуточный язык, который объединяет в себе свойства языка высокого уровня и одновременно обеспечивает легкий доступ к регистрам и ячейкам памяти МК. Именно это свойство отмечал один из разработчиков Си господин Ричи (Ritchie).

Язык Си был изобретен в середине 60-ых годов прошлого столетия. Несмотря на почтенный возраст, он так и остался одним из простых и компактных языков высокого уровня. Изначально язык Си был разработан для создания операционной системы Unix, поэтому его характеризуют как «инструмент для создания более сложных инструментов». Язык Си покрывает основные потребности программистов встраиваемых систем без отягощения редко используемыми конструкциями. Более того, программист может достаточно быстро освоить навыки программирования на Си и создавать приложения, которые по быстродействию и затратам памяти близки к ассемблерным. В завершение отметим, что основные конструкции языка Си делают их крайне удобными для реализации принципов структурного программирования.

2.3.2. Краткая история языка Си

Наш разговор о Си был бы неполным, если бы мы кратко не остановились на происхождении этого языка. Для более полного погружения в эту тему советуем обратиться к книге [8]. Ниже по тексту параграфа мы даем краткое изложение одного из разделов этой книги.

Первая версия языка Си была разработана в середине 60 ых годов для разработки операционной системы Unix в лаборатории Bell. Один из самых первых разработчиков этого языка, Кен Томсон (Ken Thompson), решил, что требуется язык для создания более сложных языков программирования. Он создал такой язык и назвал его «B». В процессе развития своего творения Томсон постоянно боролся с ограничением ресурсов памяти, что теперь очень похоже на встраиваемые системы. Деннис Ричи (Dennis Ritchie) решил расширить язык «B» свойством генерировать малый по объему код, который сможет соперничать с кодом, написанным на ассемблере. В 1973 году важнейшие свойства этого нового языка «C» были получены.

Возрастающая популярность Си заложена в его переносимости. Компиляторы Си были созданы для многих платформ (так в сообществе разработчиков называют процессорное ядро МК), отчего его популярность еще больше выросла. Наиболее бурно Си стал использоваться в 80 годах, когда стал основным языком для создания программ персональных компьютеров.

Американский национальный институт стандартизации (American National Standards Institute — ANSI) в 1982 году учредил комитет X3J11 для разработки стандарта языка Си. В 1989 доклад комитета был передан в Международную организации стандартизации (International Organization for Standardization — ISO) и международную электротехническую комиссию (International Electrotechnical Commission — IEC) и был утвержден в качестве стандарта ISO/IEC 9899-1990. За этим стандартом последовало неизбежное развитие языка, которое было узаконено в 1999 стандартом ISO/IEC 9899. И Си стал языком, который наиболее часто используется в компьютерной индустрии.

2.4. Оптимальная стратегия — программирование на Си и на ассемблере

Итак, мы установили, что предпочтительно программировать встраиваемые системы на языке высокого уровня. И в качестве такого языка мы обоснованно выбрали язык Си. Но и ассемблер имеет свои преимущества. Так на каком языке мы все таки будем программировать встраиваемые системы?

Практика применения языка Си и ассемблера показывает, что оптимальный результат, как с точки зрения экономии времени на разработку, так и по времени исполнения программы, можно получить, используя в одном проекте сразу два языка программировании: и Си, и ассемблер. Основная часть прикладной программы, в которой производятся преобразования данных, будет написана на СИ, в то время, как критичные по времени реализации фрагменты алгоритма, следует оформить на ассемблере. Кроме того, ассемблер иногда используют для программной поддержки некоторых внешних по отношению к МК периферийных ИС. Драйверы обмена с такими ИС обычно требуют многократного переключения отдельных линий портов МК, что в компиляторах Си для некоторых МК удобнее выполнить на ассемблере. Еще один случай обязательного включения ассемблерного фрагмента в текст основной программы на Си мы продемонстрируем на примере использования команд ассемблера 68HC12/HCS12 для преобразования данных по правилам нечеткой логики (см. гл. 7).

Ранее мы упомянули, что конструкции языка Си как нельзя лучше сочетаются с методом структурного проектирования. Настало время познакомиться с этим методом.

2.5. Структурное проектирование

Несколько следующих параграфов мы посвятим изложению основных идей метода структурного проектирования. Для создания этого раздела мы использовали материалы, изложенные в [1, 7], а также опыт собственных разработок. Метод структурного проектирования не гарантирует обязательного успешного завершения проекта. Однако этот метод значительно увеличивает вероятность создания за ограниченное время качественной системы, полностью совместимой с управляемым объектом.