Основы микропроцессорной техники

Глава 6. Проектирование устройств на микроконтроллерах

6.1.2. Разработка и отладка аппаратных средств

После разработки структуры аппаратных и программных средств дальнейшая работа над контроллером может быть распараллеленное. Разработка аппаратных средств включает в себя разработку общей принципиальной схемы, разведение топологии плат, монтаж макета и его автономное отладки. Время выполнения этих этапов зависит от имеющегося набора апробированных функционально-топологических модулей, опыта и квалификации производителя. На этапе ввода принципиальной схемы и разработки топологии используются, как правило, распространенные системы проектирования типа "ACCEL EDA" или "OrCad.

Автономное наладки аппаратуры на основе МК с открытой архитектурой предполагают контроль состояния многоразрядных магистралей адреса и данных с целью проверки правильности обращения к внешним ресурсам памяти и периферийных устройств. Закрытая архитектура МК предполагает реализацию большинства функций разрабатываемого устройства внутренними средствами микроконтроллера. Поэтому разрабатываемый контроллер будет иметь малое количество периферийных ИС, а обмен с ними будет происходить преимущественно за последовательными интерфейсами. Здесь на первый план выйдут вопросы согласования по нагрузочной способностью параллельных портов МК и отладки алгоритмов обмена последовательными каналами.

6.1.3. Разработка и отладка программного обеспечения

Содержание этапов разработки программного обеспечения, его трансляции и отладки на моделях существенно зависит от используемых системных средств. В настоящее время ресурсы 8-разрядных МК достаточны для поддержки программирования на языках высокого уровня. Это позволяет использовать все преимущества структурного программирования, разрабатывать программное обеспечение с использованием раздельно транслируемых модулей. Одновременно продолжают широко использоваться языки низкого уровня типа ассемблера, особенно при необходимости обеспечения контролируемых интервалов времени. Задачи предварительной обработки данных часто требуют использования вычислений с плавающей запятой, трансцендентных функций.

В настоящее время самым мощным ср� �дством разработки программного обеспечения для МК являются интегрированные среды разработки, имеющие в своем составе менеджер проектов, текстовый редактор и симулятор, а также допускают подключение компиляторов языков высокого уровня типа Паскаль или Си. При этом необходимо иметь в виду, что архитектура многих 8-разрядных МК вследствие малого количества ресурсов, страничного распределения памяти, неудобной индексной адресации и некоторых других архитектурных ограничений не обеспечивает компилятору возможности генерировать эффективный код. Для обхода этих ограничений производители ряда компиляторов вынуждены были переводить на пользователя заботу об оптимизации кода программы.

Для проверки и отладки программного обеспечения используются так называемые программные симуляторы, которые предоставляют пользователю возможность выполнять разработанную программу на программно-логической модели МК. Программные симуляторы распространяются, как правило, бесплатно и сконфигурированы сразу на несколько МК одного семейства. Выбор конкретного типа МК среди моделей семейства обеспечивает соответствующая опция меню конфигурации симулятора. При этом моделируется работа ЦБ, всех портов ввода / вывода, прерываний и другой периферии. Карта памяти моделируемого МК загружается в симулятор автоматически, наладки ведется в символьных обозначениях регистров.

Загрузив программу в симулятор, пользователь имеет возможность запускать ее в пошаговом или непрерывном режимах, задавать условные или безусловные точки остановки, контролировать и свободно модифицировать содержимое ячеек памяти и регистров симулированной МК.

6.1.4. Методы и средства совместного налаживания аппаратных и программных средств

Этап общего налаживания аппаратных и программных средств в реальном масштабе времени является самым трудоемким и требует использования инструментальных средств отладки. К числу основных инструментальных средств отладки

• относятся:

• схемные эмуляторы;
• платы развития (оценочные платы);
• мониторы отладки;
• эмуляторы ПЗУ.

Схематично эмулятор - программно-аппаратное средство, способное заменить эмулированный МК в реальной схеме. Стыковка схемного эмулятора с видлагоджуваною системой происходит посредством кабеля со специальной емуляцийною головкой, которая вставляется вместо МК в видлагоджувану систему. Если МК нельзя вынуть из видлагоджуванои системы, то использование эмулятора возможно, только если этот микроконтроллер имеет видлагоджувальний режим, при котором все его выводы находятся в третьем состоянии. В этом случае для подключения эмулятора используют специальный адаптер-клипсу, которая подключается непосредственно к выводам эмулируемого МК.

Схематично эмулятор - это наиболее мощный и универсальный видлагоджувальний средство, делает процесс функционирования видлагоджуваного контроллера прозрачным, т.е. легко контролируемым, произвольно управляемым и таким, который легко модифицируется.

Платы развития, или, как принято их называть в зарубежной литературе, оценочные платы (Evaluation Boards), является своего рода конструкторами для макетирования электронных устройств. Обычно это печатная плата с установленным на ней МК и всей необходимой ему стандартной периферии. На этой плате также устанавливают схемы связи с внешним компьютером. Как правило, там же есть свободное поле для монтажа прикладных схем пользователя. Иногда предусмотрено уже готово разведения для установки дополнительных устройств, рекомендуем ых фирмой. Например, ПЗУ, ОЗУ, ЖКИ-дисплей, клавиатура, АЦП и др. Кроме учебной или макетной цели, такие доработанные пользователем платы можно использовать как одноплатные контроллеры, которые встраиваются в малосерийное продукцию.

Для большего удобства платы развития комплектуются еще и простейшим средством отладки на базе монитора отладки. Используются два типа мониторов налаживания: один для МК, которые имеют внешнее шину, а второй - для МК, не имеющих внешней шины.

В первом случае видлагоджувальний монитор поставляется в виде микросхемы ПЗУ, которая вставляется в специальную розетку на плате развития. Плата также имеет ОЗУ для программ пользователя и канал связи с внешним компьютером или терминалом. Во втором случае плата развития имеет встроенные схемы программирования внутреннего ПЗУ МК, которые руководствуются от внешнего компьютера. При этом программа монитора просто заносится в ПЗУ МК совместно с прикладными кодами пользователя. Прикладная программа должна быть специально подготовлена: в нужные места необходимо вставить вызовы видлагоджцвальних подпрограмм монитора. Затем осуществляется пробный прогон. Чтобы внести в программу исправления, пользователю надо стереть ПЗУ и сделать повторную запись. Готовую прикладную программу получают из отлаженной путем удаления всех вызовов мониторных функций и самого монитора отладки. Возможности настройки, предоставленные комплектом "плата развития плюс монитор", не столь универсальны, как возможности схемного эмулятора, и некоторая часть ресурсов МК в процессе отладки отбирается для работы монитора. Однако, наличие набора готовых программно-аппаратных средств, позволяющих без потери времени приступить к монтажу и наладке проектируемой системы, во многих случаях является решающим фактором. Особенно если учесть, что стоимость такого комплекта немного меньше, чем стоимость более универсального эмулятора.

Эмулятор ПЗУ - программно-аппаратное средство, позволяющее замещать ПЗУ на видлагоджуваний плате, и подставляет вместо него ОЗУ, в которое может быть загружена программа с компьютера через один из стандартных каналов связи. Это устройство позволяет пользователю избежать многократных циклов перепрограммирования ПЗУ. Эмулятор ПЗУ нужен только для МК, которые могут обращаться к внешней памяти программ. Устройство по сложности и стоимости можно сравнить с платами развития и имеет одно большое преимущество: универсальность. Эмулятор ПЗУ может работать с любыми типами МК.

Эмулирована память доступна для просмотра и модификации, но контроль над внутренними управляющими регистрами МК был недавно невозможен.

В последнее время появились модели интеллектуальных эмуляторов ПЗУ, которые позволяют "заглядывать" внутрь МК на плате пользователя. Интеллектуальные эмуляторы это гибрид из обычного эмулятора ПЗУ, монитора отладки и схем быстрого переключения шины с эмулятора на монитор. Это создает эффект, как если бы монитор отладки был установлен на плате пользователя и при этом он не занимает в МК никаких аппаратных ресурсов, кроме небольшой зоны программных шагов, примерно 4К.

Этап общего налаживания аппаратных и программных средств в реальном масштабе времени завершается, когда аппаратура и программное обеспечение совместно обеспечивают выполнение всех шагов алгоритма работы системы. В конце этапа налаживания программа заносится с помощью программатора в энергонезависимую память МК, и проверяется работа контроллера без эмулятора. При этом используются лабора� �орные источники питания. Часть внешних источников сигналов может моделироваться.

Этап интеграции разработанного контроллера в изделие состоит в повторении работ по совместному наладки аппаратуры и управляющей программы, но при работе в составе изделия, питании от штатного источника и информации от штатных источников сигналов и датчиков.

Сочетание и объем испытаний разработанного и изготовленного контроллера зависит от условий его эксплуатации и определяется соответствующими нормативными документами. Проведение испытаний таких функционально сложных изделий, как современные контроллеры, может потребовать разработки специализированных средств контроля состояния изделия во время испытаний.