3.13.1. Технология создания программного кода

Процесс программирования кажется достаточно простой монотонной деятельностью до тех пор, пока задача управления, которую требуется реализовать, достаточно проста. Однако программисты с опытом знают, что большинство технических заданий удивительно быстро превращается достаточно сложный проект, часть задач которого разработчиком ранее не реализовывалась. Именно по этой причине необходимо правильно организовать исполнение проекта, даже если первоначальная задача кажется простой. Поэтому авторы настоятельно советуют читателю приобрести навыки системного подхода к написанию программ, независимо от языка программирования, на котором реализуется проект. Поскольку данная книга не претендует на системное изложение вопросов теории программирования, то наши советы по данной теме будут достаточно краткими.

При написании программы первым делом необходимо как можно более полно понять принцип действия и особенности работы того устройства, для которого программа предназначена. На основе этих знаний следует создать такую структуру программы, которая позволит удовлетворить как текущему техническому заданию, так и возможным будущим его дополнениям. На первых порах Вы можете начать самостоятельную работу, следуя рекомендациям главы 2. Вы уже умеете перейти от произвольного описания алгоритма управления к структуре функций управления и блок схемам алгоритмов. Рассмотренные в главе 2 методы структурного проектирования позволят Вам сначала увидеть задачу управления целиком, а затем произвести ее разбиение на отдельные блоки (подзадачи). Каждая такая подзадача должна быть оформлена в виде законченной подпрограммы или функции. Выделенные функции впоследствии будут объединены в один программный модуль, который должен быть отлажен и тестирован до того, как все другие составляющие модули программы будут объединены. Процессы написания, тестирования и отладки программ близко связаны. Вы никогда не должны сначала собрать полный текст программы, а затем начать ее отлаживать. Правильным подходом является написание, тестирование и отладка каждого программного модуля по отдельности перед тем, как эти модули будут объединены вместе. Процесс объединения должен использовать тот же подход: добавлять уже оттестированные модули к отлаженной части общей программы следует последовательно. И после добавления каждого нового модуля не лениться тестировать функционирование получившегося нового промежуточного программного продукта, в том числе убедиться в исполнении новых добавленных функциональных возможностей.

Напомнив Вам основные моменты структурного подхода к процессу написания исходного кода и его отладке, рассмотрим процесс превращения файла исходного кода на Си в файл исполняемого кода для определенного типа микроконтроллера. Мы рассмотрим эту технологию с использованием интегрированной среды разработки ICC12 версии 6.12B от компании ImageCraft. Если Вы используете программную среду разработки от другого производителя, то этот материал не будет для Вас бесполезным, поскольку принципы преобразования кодов в процессе создания исполняемого модуля прикладной программы одинаковы для всех аналогичных программных продуктов.

Рис. 3.1. Интерфейс пользователя интегрированной среды разработки ICC12

На рис. 3.1 представлен интерфейс пользователя (картинка на экране монитора), возникающая при запуске среды ICC12. Большое пустое окно в центре экрана предназначено для ввода и редактирования исходного текста программы на Си. Окно меньшего размера в правой части экрана — окно менеджера проектов. Оно предназначено для отображения списка всех используемых в текущем проекте файлов. Окно состояния в нижней части экрана предназначено для отображения текущей информации о режимах работы и состоянии обрабатываемых в среде файлов. В этом окне будут выводиться сообщения об ошибках, возникающих при работе программ компилятора, Ассемблера, линковщика и загрузчика/программатора в процессе обработки файлов текущего проекта. Теоретически, для ввода и редактирования файлов исходного текста программ могут быть использованы любые текстовые редакторы, однако программные продукты класса «интегрированная среда разработки» обязательно содержат собственный редактор текста, которым и следует воспользоваться. Пакет ICC12, как и любая другая интегрированная среда разработки, предоставляет программисту удобный интерфейс пользователя для работы с встроенными в среду программами компилятора, Ассемблера, линковщика, загрузчика и программатора. Каждая из программ может быть запущена на исполнение, как из контекстного меню, так и с помощью кнопок на панели управления. На рис. 3.2 показан интерфейс пользователя среды ICC12 с текстом программы в окне редактирования и сообщениями о результатах ее компиляции в окне состояния.

Рис. 3.2. Интерфейс пользователя интегрированной среды разработки ICC12

В окне редактирования загружен файл исходного текста программы на Си. 

В окне состояния сообщение об успешной компиляции этого файла.

После того, как исходный текст программы написан и находится в окне редактирования, файл программы должен быть обработан препроцессором компилятора Си. Препроцессор – это часть программы компилятора, которая анализирует выражения в исходном тексте, которые начинаются с символа «#». Вспомните, с этого символа начинаются директивы подключения заголовочных файлов, директивы условной компиляции и директивы для объявления подпрограмм прерывания. Если препроцессор не зафиксировал синтаксических ошибок, то вступает в работу синтаксический анализатор и генератор ассемблерного текста компилятора Си. В результате, после обработки компилятором исходного текста программы на Си, будет получен текст исходной программы на языке Ассемблера для данного типа МК. В нашем случае это МК семейства 68HC12. Сгенерированный компилятором текст будет содержать как мнемоники команд ассемблера МК данного семейства, так и псевдокоманды и директивы для программы Ассемблер в составе пакета ICC12. Смысловые названия и шаблоны имен входных и выходных файлов компилятора Си для среды ICC12 приведены на рис. 3.3. Программы компиляторов, которые способны генерировать инструкции языка ассемблера для процессорного ядра, отличающегося (т.е. программно несовместимо) от ядра, на котором программа компилятора исполняется, называют кросс-компилятора ми. Так в нашем случае программа кросс-компилятора, исполняемая на персональном компьютере, генерирует ассемблерный текст для МК 68HC12.

Рис. 3.3. Последовательность работы программ в процессе генерации файла исполняемого кода прикладной программы

Исходный текст программы не обязательно должен быть написан на Си. Однако его написание на языке ассемблера для больших задач приводит к большому числу ошибок, что требует длительного процесса отладки. В проектах, которые связаны с программным обслуживанием быстропротекающих процессов, целесообразно наиболее критичные по времени исполнения фрагменты программы писать на ассемблере, в то время, как основную часть программы — на Си. Компиляторы Си допускают объединение этих двух языков в файле исходного текста программы.

Полученный после обработки программой компилятора файл прикладной программы далее обрабатывается программой Ассемблер. Эта программа преобразует файл программы в файл объектного кода с расширением «o» (см. рис. 3.3).

В соответствие с методом системного проектирования, разрабатываемая прикладная программа должна состоять из нескольких файлов, каждый из которых содержит отдельный модуль программы. Часть этих модулей может быть разработана и отлажена в составе другого проекта, и поэтому не требует повторной компиляции. В этом случае для создания конечного варианта разрабатываемой программы необходимо объединить в один файл ранее полученные объектные файлы модулей и вновь разработанные, прошедшие обработку компилятором и Ассемблером файлы. Для объединения нескольких объектных модулей в один файл исполняемого кода используется программа линковщика. Линковщик генерирует три типа файлов с расширениями «s19», «map» и «lst». Файл карты памяти «xxx.map» содержит в себе информацию о расположении кодов прикладной программы в адресном пространстве МК. Файл листинга «xxx.lst» отражает процесс перевода мнемоник команд ассемблера в машинные коды. Файл в формате «s19» именуют файлом исполняемого кода или загрузочным модулем, поскольку именно этот файл заносится в постоянную память МК и исполняется им в процессе управления проектируемым устройством. Таким образом, в результате работы специальных программ в составе пакета интегрированной среды разработки, один или несколько файлов на Си были обработаны программами компилятора, Ассемблера и линковщика с целью получения одного исполняемого на выбранном типе МК файла машинных кодов прикладной программы.

Процесс разбиения задачи для программирования на множество программных модулей, каждый из которых функционально завершен и предназначен для реализации отдельной функции управления, называется структурным программированием. Для объединения отдельных программных модулей в одну программу управления с возможностью независимой модификации и отладки каждого модуля недостаточно располагать только исходными текстами или объектными файлами этих модулей. Необходим также достаточно большой набор служебных файлов, которые вместе с файлами модулей составляют так называемый проект задачи. Поэтому программа в составе интегрированной среды разработки, которая осуществляет управление процессом компиляции, ассемблирования, объединения модулей программой линковщика и загружает полученный исполняемый код в память микроконтроллера на отладочной плате, называется менеджером проектов (Project Manager или Project Builder). Это еще одна программа в составе пакета интегрированной среды разработки типа ICC12.

Программа менеджера проектов считается основной в составе IDE, поскольку она управляет доступом пользователя и взаимодействием с обрабатываемыми файлами всех остальных программ пакета интегрированной среды разработки и отладки программного обеспечения (ПО) микропроцессорных систем. Кроме используемого в книге пакета ICC12, для создания прикладного ПО микроконтроллеров семейства 68HC12 могут также использоваться другие аналогичные пакеты, например CodeWarrior компании Metrowerks.

В параграфе 3.14 на примере простой программы управления светодиодами мы рассмотрим особенности генерации всех промежуточных файлов при работе комплекта программ в составе интегрированной среды ICC12. В настоящем параграфе на рис. 3.4 мы демонстрируем лишь смысловые преобразования исходного текста на Си в процессе получения исполняемого кода прикладной программы.

Рис. 3.4. Форматы представления прикладной программы на разных этапах создания файла исполняемого кода