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.
221
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
222
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 |
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)
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. |
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, |
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'';
224
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;
extern volatile __bit MISO;
extern volatile __bit MCLK;
/* master out, slave in */
/* master in, slave out */
/* 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
__bit __at
__bit __at
// вариант 2
__bit __at
__bit __at
__bit __at
(0x80) MOSI;
(0x81) MISO;
(0x82) MCLK;
(0x83) MOSI;
(0x91) MISO;
(0x92) MCLK;
/* I/O port 0, bit 0 */
/* I/O port 0, bit 1 */
/* I/O port 0, bit 2 */
/* I/O port 0, bit 3 */
/* I/O port 1, bit 1 */
/* 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.
225
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
226
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
#define
#define
#define
#define
IE0_VECTOR
TF0_VECTOR
IE1_VECTOR
TF1_VECTOR
SI0_VECTOR
0
1
2
3
4
/*
/*
/*
/*
/*
0x03
0x0b
0x13
0x1b
0x23
external interrupt 0 */
timer 0 */
external interrupt 1 */
timer 1 */
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.
227
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
228
}
_endasm;
Внутри ассемблерной вставки возможно использование любых директив,
понятных ассемблеру.