6.2. Розробка програмного забезпечення для PIC-мікроконтролерів

Розробка програмного забезпечення є центральним моментом загального процесу проектування. Центр важкості функціональних властивостей сучасних цифрових систем знаходиться саме в програмних засобах.
Основним інструментом для професійної розробки програм є асемблер, що припускає деталізацію на рівні команд МК. Тільки асемблер дозволяє максимально використовувати ресурси кристала.
Для мікроконтролерів PIC випущена велика кількість різних засобів розробки. В даному розділі мова піде про засоби, що надаються фірмою Microchip, які вельми ефективні і широко використовуються на практиці.

6.2.1. Асемблер MPASM

Асемблер MPASM є інтегрованим програмним середовищем для розробки програмних кодів PIC мікроконтролерів всіх сімейств. Випускається фірмою Microchip в двох варіантах: для роботи під DOS і для роботи під Windows 95/98/NT. Асемблер MPASM може використовуватися як самостійно, так і у складі інтегрованого середовища розробки MPLAB. Він включає декілька програм: власне MPASM, MPLINK і MPLIB, причому кожна з них володіє власним інтерфейсом.
Програма MPASM може використовуватися для двох цілей:

Виконуваний код є для MPASM вихідним кодом за замовчанням. При цьому всі змінні джерела повинні бути явно описані в тексті програми або у файлі, що підключається за допомогою директиви INCLUDE <filename>. Якщо при асемблюванні не виявляється помилок, то генерується вихідний .hex-файл, який може бути завантажений в МК за допомогою програматора.
При використовуванні асемблера MPASM в режимі генерації переміщуваного об'єктного коду формуються об'єктні модулі, які можуть бути згодом з'єднані з іншими модулями за допомогою компонувальника MPLINK. Програма-компонувальник MPLINK перетворить переміщувані об'єктні коди у виконуваний бінарний код, прив'язаний до абсолютних адрес МК. Бібліотечна утиліта MPLIB дозволяє для зручності роботи згрупувати переміщувані об'єкти в один файл або бібліотеку. Ці бібліотеки можуть бути зв'язані компонувальником MPLINK у файл вихідного об'єктного коду асемблера MPASM.
Програми MPASM і MPLINK доступні через оболонку MPASM, тоді як MPLIB доступна тільки з свого командного рядка.
Початковим файлом для асемблера MPASM за умовчанням є файл з розширенням .ASM. Текст початкового файлу повинен відповідати вимогам синтаксису, приведеним далі.
Асемблер MPASM може бути викликаний командним рядком
MPASM [/<Option>[ /<Option>...]] <file_name>
де /<Option> означає вибір режиму роботи асемблера в командному рядку; <file_name> - ім'я файлу на асемблювання.
Режими роботи асемблера, вибрані за умовчанням, приведені в табл. 6.1.
Таблиця 6.1. Режими роботи асемблера за умовчанням.                      

Тут і далі використовуються наступні угоди по використовуванню символів:
[ ] - для аргументів вибору;
< > - для виділення спеціальних ключів <TAB>, <ESC> або додаткового вибору;
| - для аргументів, що взаємовиключають один одного (вибір АБО);
рядкові символи - для позначення типу даних.

Вибір за умовчанням, приведений в табл. 6.1, може бути змінений командним рядком:
/<option>      дозволяє вибір;
/<option>+    дозволяє вибір;
/<option>-    забороняє вибір.

Початковий асемблерний файл створюється з використанням будь-якого ASCII текстового редактора. Кожна лінія початкового файлу може містити до чотирьох типів інформації:

Порядок і положення кожного типу має значення. Мітка повинна починатися в колонці номер один. Мнемоніка може починатися в колонці два або далі. Операнди йдуть за мнемонікою. Коментар може слідувати за операндом, мнемонікою або міткою або може починатися в будь-якому стовпці, якщо як перший не порожній символ використовується * або ;.
Максимальна довжина рядка 255 символів.
Один або декілька пропусків повинні відділяти мітку і мнемоніку або мнемоніку і операнд(и). Операнди можуть відділятися комами. Наприклад:

List  p=16C54, r=HEX
ORG 0x1FF         ;Вектор скидання
GOTO START        ;Повернення на початок
ORG 0x000         ;Адрес початку виконання програми
START
MOVLW 0x0A        ;Виконання програми
;PIC МК
MOVLW 0x0B        ;Виконувати завжди
GOTO START
END

Мітки
В полі мітки розміщується символічне ім'я елемента пам'яті, в якій зберігається відзначений операнд. Всі мітки повинні починатися в колонці 1. За ними може слідувати двокрапка (:), пропуск, табуляція або кінець рядка. Коментар може також починатися в колонці 1, якщо використовується одне з позначень коментаря.
Мітка може починатися з символу або нижнього тире (_) і містити буквені символи, числа, нижні тире і знак питання. Довжина мітки може бути до 32 символів.
Мнемоніки
Мнемоніки є мнемонічними позначеннями команди, які безпосередньо транслюються в машинний код. Мнемоніки асемблерних інструкцій, директиви асемблера і макровиклики повинні починатися, принаймні, в колонці 2. Якщо є мітка на тій же лінії, вона повинна бути відокремлена від цієї мітки двокрапкою або одним або більше пропусками або табуляцією.
Операнди
В цьому полі визначаються операнди (або операнд), що беруть участь в операції. Операнди повинні бути відокремлені від мнемоніки одним або більш пропусками або табуляцією. Операнди відділяються один від одного комами. Якщо операція вимагає фіксованого номера (числа) або операндів, то все на лінії після операндів ігнорується. Коментарі дозволяються в кінці лінії. Якщо мнемоніки дозволяють використовувати різне число операндів, кінець списку операндів визначається кінцем рядка або коментарем.
Вирази використовуються в полі операнда і можуть містити константи, символи або будь-які комбінації констант і символів, розділених арифметичними операторами. Перед кожною константою або символом може стояти + або -, що указує на позитивний або негативний вираз.
В асемблері MPASM використовуються наступні формати виразів:

Текстовий рядок - це послідовність будь-яких допустимих ASCII символів (в десятковому діапазоні від 0 до 127), укладена в подвійні лапки. Рядок може мати будь-яку довжину в межах 132 колонок. За відсутності обмеження рядка вона вважається до кінця лінії. Якщо рядок використовується як буквений операнд, вона повинна мати довжину в один символ, інакше буде помилка.
Числова константа є числом, вираженим в деякій системі числення. Перед константою може стояти + або -. Проміжні величини в константах розглядаються як 32-розрядні цілі без знака.
MPASM підтримує наступні системи числення (представлення значень або Radix): шістнадцяткову, десяткову, вісімкову, двійкову і символьну. За умовчанням приймається шістнадцяткова система. Табл. 6.2 представляє різні системи числення.
Оператори - це арифметичні символи, подібні + і -, які використовуються при формуванні виразів. Кожний оператор має свій пріоритет. В загальному випадку пріоритет встановлюється зліва направо, а вирази в дужках оцінюються першими. В табл. 6.3 приведені позначення, описи і приклади вживання основних операторів MPASM.

  Таблиця 6.2. Системи числення   (Radix).                                             

Таблица 6.3. Основні арифметичні оператори MPASM                      

                           
Оператори high, low і upper використовуються для отримання одного байта з багатобайтового значення, відповідного мітці. Застосовуються для управління розрахунком точок динамічного переходу при читанні таблиць і запису програм.
Оператори інкремента і декремента можуть застосовуватися до змінної тільки як єдиний оператор в рядку. Вони не можуть бути вбудованим фрагментом складнішого виразу.
Коментарі
Поле коментаря може використовуватися програмістом для текстового або символьного пояснення логічної організації програми. Поле коментаря повністю ігнорується асемблером, тому в ньому можна застосовувати будь-які символи. Коментарі, які використовуються в рядку самі по собі, повинні починатися з символу коментаря (* або ;). Коментарі в кінці рядка повинні бути відокремлені від решти рядка одним або більше пропусками або табуляцією.
Розширення файлів, MPASM, що використовуються, і утилітами
Існує ряд розширень файлів, вживаних за умовчанням MPASM і зв'язаними утилітами. Призначення таких розширень приведені в табл. 6.4.
Таблиця 6.4. Призначення розширень файлів, що використовуються за умовчанням.                                                                               

                  
Лістинг є текстовим файлом у форматі ASCII, який містить машинні коди, що згенерували відповідно до кожної асемблерної команди, директиви асемблера або макрокоманди початкового файлу. Файл лістингу містить: ім'я продукту і версії, дату і час, номер сторінки зверху кожної сторінки.
До складу лістингу входять також таблиця символів і карта розподілу пам'яті. В таблиці символів перераховуються всі символи, які є в програмі, і де вони визначені. Карта розподілу пам'яті дає графічне уявлення про витрачання пам'яті МК.

Директиви мови
Директиви мови - це асемблерні команди, які зустрічаються в початковому коді, але не транслюються прямо у виконувані коди. Вони використовуються асемблером при трактуванні мнемоніки вхідного файлу, розміщенні даних і формуванні файлу лістингу.
Існує чотири основні типи директив в MPASM:

Директиви даних управляють розподілом пам'яті і забезпечують доступ до символічних позначень даних.
Директиви лістингу управляють лістингом файлу MPASM і форматом. Вони визначають специфікацію заголовків, генерацію сторінок і інші функції управління лістингом.
Директиви управління дозволяють провести секціонування звичайного асемблерного коду.
Макро-директиви управляють виконанням і розподілом даних в межах визначень макротіла.
Нижче приводиться опис деяких директив асемблера MPASM, що використовуються в даному навчальному посібнику.

CODE - початок секції об'єктного коду
Синтаксис:
[<label>] code [ROM address>]
Використовується при генерації об'єктних модулів. Оголошує початок секції програмного коду. Якщо <label> не вказана, секція буде названа code. Стартова адреса встановлюється рівним вказаному значенню або нулю, якщо адреса не була вказана.
Приклад:
RESET code H'01FF'
goto START
#DEFINE - визначити мітку заміни тексту
Синтаксис:
#define <name> [<string>]
Директива задає рядок <string>, що заміщає мітку <name> всякий раз, коли та зустрічатиметься в початковому тексті.
Символи, які визначені директивою #DEFINE, не можуть бути проглянуті симулятором. Використовуйте замість цієї директиви EQU.
Приклад

#define length 20
#define control 0x19,7
#define position (X,Y,Z) (y-(2 * Z +X)).
test_label dw position(1, length, 512)
bsf control     ; встановити в 1 біт 7 в f19
END - кінець програмного блоку
Синтаксис:
end
Визначає кінець програми. Після зупинки програми таблиця символів скидається у файл лістингу.
Приклад:
start   ;виконуваний код
;
end     ; кінець програми
EQU - визначити асемблерну константу
Синтаксис:
<label> equ <expr>
Тут <expr> - цей правильний MPASM вираз. Значення виразу привласнюється мітці <label>.
Приклад:
four equ 4   ; привласнює чисельне значення
; мітці four
INCLUDE - включити додатковий файл джерела
Синтаксис:
include <<include_file>>
include "<include_file>"
Визначуваний файл прочитується як джерело коду. Після закінчення файлу, що включається, продовжуватиметься асемблювання вихідного коду програми. Допускається до шести рівнів вкладеності. <include_file> може бути укладений в лапки або кутові дужки. Якщо вказаний повний шлях до файлу, то пошук відбуватиметься тільки по цьому шляху. Інакше порядок пошуку наступний: поточний робочий каталог, каталог, в якому знаходиться вихідний код програми, каталог MPASM.
Приклад:
include "з:\sys\sysdefs.inc" ; system defs
include <addmain.asm> ; register defs
LIST - встановити параметри лістингу
Синтаксис:

list [<list_option>, <list_option>]                  
Директива <list> дозволяє вивід лістингу, якщо він до цього був заборонений. Крім того, один з параметрів лістингу може бути змінений для управління процесом асемблювання відповідно до табл. 6.5.
Таблиця 6.5. Параметри, що використовуються директивою list.    

NOLIST - вимкнути вихід лістингу
Синтаксис:
NOLIST
ORG - встановити початкову адресу програми
Синтаксис:
<label> org <expr>
Встановлює початкову адресу програми для подальшого коду відповідно до адреси в <expr>. MPASM виводить переміщуваний об'єктний код, а MPLINK розмістить код за певною адресою. Якщо мітка <label> визначена, то їй буде привласнена величина <expr>. За умовчанням початкова адреса має нульове значення. Директива може не використовуватися, якщо створюється об'єктний модуль.
Приклад:
int_1 org 0x20; Перехід по вектору 20
int_2 org int_1+0x10; Перехід по вектору 30
PROCESSOR - встановити тип процесора
Синтаксис:
processor <processor_type>
Встановлює тип процесора <processor_type>, що використовується: [16C54 | 16C55 | 16C56 | 16C57 | 16C71 | 16C84 | 16F84 | 17C42]. Загальні процесорні сімейства можуть бути вибрані як:[16C5X | 16CXX | 17CXX]
Для підтримки сумісності з новими виробами вибирається максимум доступної пам'яті.
SET - визначити асемблерну змінну
Синтаксис:
<label> set <expr>
Директива SET функціонально еквівалентна директиві EQU, за винятком того, що величина, визначувана SET, може бути змінена директивою SET.
Приклад:
area set 0
widthset 0x12
length set 0x14
area set length * width
length set length + 1
TITLE - Визначити програмний заголовок
Синтаксис:
title "<title_text>"
Ця директива встановлює текст, який використовується у верхній лінії сторінки лістингу. <title_text> - це  ASCII послідовність, укладена в подвійні дужки. Вона може бути до 60 символів завдовжки.
Приклад
title "operational code, rev 5.0"

6.2.2. Компонувальник MPLINK

Абсолютний (непереміщуваний) код програми генерується безпосередньо при асемблюванні і розташовується в програмній пам'яті в порядку проходження операторів програми. Оператори переходу на мітку зразу ж замінюються відповідним кодом переходу на адресу мітки.
При генерації переміщуваного коду кожна секція програмного коду повинна починатися директивою CODE. Остаточне розміщення програмних кодів, розстановку фізичних адрес переходів виконує компонувальник MPLINK.
Компонувальник MPLINK виконує наступні задачі:

Для більш докладного вивчення роботи компонувальника слід звернутися до спеціальної літератури.

6.2.3. Менеджер бібліотек MPLIB

Менеджер бібліотек дозволяє створювати і модифікувати файли бібліотек. Бібліотечний файл є колекцією об'єктних модулів, які розміщені в одному файлі. MPLIB використовує об'єктні модулі з ім'ям типу «filename.o» формату COFF (Common Object File Format).
Використовування бібліотечних файлів спрощує компоновку програми, робить її більш структурованою і полегшує її модифікацію.

6.2.4. Симулятор MPSIM

Симулятор MPSIM є симулятор подій, призначений для відладки програмного забезпечення PIC-контролерів. MPSIM моделює всі функції контролера, включаючи всі режими скидання, функції таймера/лічильника, роботу сторожового таймера, режими SLEEP і Power-down, роботу портів вводу/виводу.
MPSIM запускається з командного рядка DOS, конфігурується користувачем і безпосередньо застосовує вихідні дані асемблера MPASM.
Перед використовуванням симулятора необхідно відасемблювати початковий файл <file_name>.asm і одержати файл об'єктного коду у форматі INHX8M, створюваний MPASM за умовчанням:

MPASM <file_name>.asm <RETURN>
Щоб запустити симулятор, необхідно набрати в командному рядку
MPSIM<RETURN>.

Мал. 6.2. Вид робочого вікна симулятора MPSIM.

Вид екрану, одержуваного при запуску MPSIM, показаний на мал. 6.2. Екран роздільний на три частини, або вікна. У верхньому вікні показаний поточний стан моделювання, включаючи модельовану програму, тип МК, число виконаних командних циклів і час, що затрачується на них. Середнє вікно використовується для виводу вмісту регістрів користувача. Набір регістрів і формат даних, що виводяться на екран, визначаються файлом MPSIM.INI, який далі буде описаний докладніше. Нижнє вікно містить запрошення на введення команд, а також поточні операції і результат їх виконання.
При запуску симулятор MPSIM починає шукати командний файл MPSIM.INI. Цей текстової файл створюється користувачем і використовується для завдання всіх задіяних в програмі параметрів.
Один з прикладів файлу MPSIM.INI приведений нижче.
Приклад файлу MPSIM.INI
;******************************************************
;*листинг исходной программы
;****************************************************** 
LIST P=16C84, R=HEX    ;директива, определяющая тип
;процессора и систему счисления
;по умолчанию 
;******************************************************
;*описание используемых переменных и назначения адресов
;*ячеек для хранения переменных пользователя
;****************************************************** 
;  INTCON    EQU         0x0B
;  OPTION    EQU         0x81
;  TMR0      EQU         0x01
;  INTF      EQU         1
;  T0IF      EQU         5
PCL       EQU         0x02
STATUS    EQU         0x03
RP0       EQU         5
PORTA     EQU         0x05
PORTB     EQU         0x06
TRISA     EQU         0x05
TRISB     EQU         0x06
W         EQU         0
F         EQU         1
TEMPA     EQU         0x0C
TEMPB     EQU         0x0D
COUNT1    EQU         0x0E
COUNT2    EQU         0x0F
COUNT3    EQU         0x10
;******************************************************
;*определение меток замены текста
;******************************************************
#DEFINE   Z           STATUS,2  ;бит нулевого результата
#DEFINE   BA1         PORTA,0   ;динамик BA1
#DEFINE   VD2         PORTA,1   ;светодиод VD2
#DEFINE   SA1         PORTA,2   ;тумблер SA1
#DEFINE   SA2         PORTA,3   ;тумблер SA2
#DEFINE   SB1         PORTA,4   ;кнопка SB1
#DEFINE   SB2         PORTB,0   ;кнопка SB2
#DEFINE   HL1_A       PORTB,1   ;индикатор-сегмент A
#DEFINE   HL1_B       PORTB,2   ;индикатор-сегмент B
#DEFINE   HL1_C       PORTB,3   ;индикатор-сегмент C
#DEFINE   HL1_D       PORTB,4   ;индикатор-сегмент D
#DEFINE   HL1_E       PORTB,5   ;индикатор-сегмент D
#DEFINE   HL1_F       PORTB,6   ;индикатор-сегмент E
#DEFINE   HL1_G       PORTB,7   ;индикатор-сегмент F
;******************************************************
;*исполняемая программа
;******************************************************
ORG    0x000       ;установка начального адреса по
;сбросу
GOTO   BEGIN       ;переход на начало программы
ORG    0x005       ;установка начального адреса
;размещения программы
BEGIN
CALL   INIT_PORTS  ;вызов подпрограммы
;инициализации портов МК
;*****************************************************
;*программа пользователя
;
;*****************************************************
;
INIT_PORTS                ;подпрограмма инициализации
;портов
MOVLW    0xFF          ;установка линий портов
MOVWF    PORTA         ;A и B в единичное
MOVWF    PORTB         ;состояние
BSF      STATUS,RP0    ;переход на банк 1
MOVLW    0x1C          ;настройка линий RA0 и
MOVWF    TRISA         ;RA1 порта A на вывод –
;остальных – на ввод
MOVLW    0x01          ;настройка линии RB0
MOVWF    TRISB         ;порта B на ввод -
;остальных – на вывод
BCF      STATUS,RP0    ;возврат в банк 0
RETURN                 ;возврат из подпрограммы
;
END                    ;конец программы

В представленому файлі вказані: тип мікроконтролера, система числення даних за умовчанням, регістри, вміст яких виводиться на екран, спосіб представлення даних, робочі параметри. Будь-яка команда, яка виконується MPSIM, може бути задана у файлі MPSIM.INI, який визначає початковий стан програми. При роботі MPSIM створює файл MPSIM.JRN, в якому зберігаються всі відомості про натиснення клавіш в процесі роботи.
У файлі MPSIM.INI допускається вводити коментарі, які даються після знака «;», але не допускається використовування порожніх рядків.
Основні команди, вживані в симуляторі MPSIM, приведені в табл. 6.6. Коли ці команди вводяться в сеансі роботи з MPSIM, вони заносяться у файл MPSIM.JRN, який використовується при створенні розширеного файлу MPSIM.INI. Даний файл можна задіювати для виявлення помилок і забезпечення нормального виконання програми після виправлення коду.

Таблиця 6.6. Основні команди симулятора MPSIM.                            

                                                                                                                 

Для моделювання зовнішніх тестових подій (дій) на модельований МК використовуються файли стимуляції з розширенням .STI. Ці файли використовуються MPSIM для того, щоб забезпечити подачу однократних і повторюються вхідних сигналів в процесі виконання програми. При цьому можна спостерігати на екрані, як МК реагує на сигнали.
Як приклад нижче приведений файл для тестування програми, що виконує опит стану лінії 1 порту А.
! test1.STI
STEP  RA1
1   1 !Установка на вході RA1 стану "1"
200   0 !Поступлення на вхід RA1 сигналу "0"
1000   1 !Перехід сигналу на вході RA1 в "1"
1200   0 !Повторна подача нульового сигналу

попередня тема наступна тема