Рассмотрим процесс создания программы для МК на языке Си. В процессе разработки потребуется персональный компьютер.
После уяснения поставленной задачи разработчик пишет исходный текст своей программы на языке Си с помощью любого текстового редактора. Затем он запускает программу-транслятор с языка Си, которая преобразует исходный текст в промежуточный объектный файл. Транслятор управляется с помощью набора ключей (их описание можно найти в его документации), которые указываются в его командной строке. Если при написании программы разработчик допустил синтаксические ошибки, транслятор выдаёт на экран их список с указанием для каждой номера строки в файле исходного текста. Разработчик должен исправить все ошибки. После успешной трансляции объектные файлы нужно обработать редактором связей (линкером), который и генерирует файл программы в машинных кодах.
При использовании языка высокого уровня возникает одна проблема. Преобразование конструкций языка в машинные коды возложено на компилятор, а выполнить это преобразование можно с различной степенью эффективности. Критериями эффективности являются размер машинного кода (чем он меньше, тем, естественно, лучше) и скорость машинного кода. Задача генерации компактного и быстрого кода весьма сложна, и от её решения зависит общее качество компилятора. Современные компиляторы Си используют многоуровневую оптимизацию, особенности архитектуры конкретного МК, позволяют создавать смешанные программы, в которых часть подпрограмм написана на ассемблере.
Описанный процесс выглядит довольно громоздким: разработчик должен вручную запускать разнообразные программы (текстовый редактор, компилятор Си, линкер), помнить управляющие ключи, искать ошибки в программе по номерам строк в файле. Последним на сегодняшний день шагом в облегчении труда разработчика программ для МК стало появление интегрированных сред разработки (IntegratedDevelopmentEnvironment, IDE). Интегрированная среда разработки – это компьютерная программа, связывающая воедино все этапы разработки программы. Она совмещает в себе текстовый редактор для написания исходных текстов, трансляторы с ассемблера и Си, линкер, отладчик, справочную информацию по МК и другие средства, необходимые разработчику. Настройка трансляторов, линкера и других компонентов производится не методом указания ключей в командной строке, а в виде диалоговых окон, где нужно только расставить «галочки» в нужных местах. Преобразование исходных текстов программ в файл машинных кодов запускается одной клавишей.
Появление интегрированных сред разработки программ ещё больше повысило эффективность создания программ для МК, позволило разработчику сосредоточиться на сути решаемой задачи и отвлечься от конкретных деталей её реализации.
Интегрированные пакеты для разработки программ выпускают несколько фирм. Пакеты разных производителей схожи между собой по функциям, но различаются предоставляемыми сервисными возможностями, удобством работы и качеством генерируемого машинного кода.
Основные характеристики наиболее популярных пакетов средств разработки приведены в таблице.
За редким исключением программы для МК из-за содержащихся в них ошибок не начинают работать с первого раза и требуют отладки. К вопросам отладки разработчики относятся по-разному. Некоторые из них считают, что достаточно внимательно проанализировать исходный текст, посмотреть с помощью осциллографа, что происходит на выводах МК, и можно исправить все ошибки. Такой способ применим, если разработчик имеет большой опыт, отлично знает применяемый МК и располагает транслятором, который всегда генерирует правильный код (обычно это ассемблер), и достаточным временем.
Другие используют в своей практике самодельные отладочные мониторы – наборы специальных подпрограмм, загружаемых в МК вместе с основной программой. Последняя вызывает в контрольных точках подпрограммы монитора, а те выдают информацию о состоянии ресурсов МК. Таким способом можно отладить практически любую программу, но у него есть недостатки, которые могут оказаться существенными. Во-первых, отладочному монитору необходимо предоставить для работы часть ресурсов МК: как минимум – часть адресного пространства кода и некоторое число ячеек стека, а как максимум – ещё часть ОЗУ и периферийные устройства МК, используемые монитором для отображения информации. Выделить ресурсы отладочному монитору бывает непросто, если основная программа сама активно загружает МК. Например, у МК PIC16C5x(Microchip) всего две ячейки стека, и использовать вызовы подпрограмм отладочного монитора затруднительно. Во-вторых, вызовы монитора отнимают время у основной программы и, следовательно, его нельзя вызывать из критичных ко времени частей программы. В-третьих, создание отладочного монитора, само по себе, требует времени.
Самый эффективный способ отладки программ для МК – применение специализированных профессиональных отладочных средств, к которым следует отнести отладчики-симуляторы и внутрисхемные эмуляторы.
Прежде чем рассказывать о возможностях, предоставляемых такими отладчиками, необходимо коснуться выбора компилятора, с помощью которого исходные тексты программ преобразуются в машинный код. В подавляющем большинстве случаев предпочтительно программирование на языке высокого уровня. Использование ассемблера необходимо, если к размеру и быстродействию генерируемого кода предъявляются очень жёсткие требования, В настоящее время таких случаев становится всё меньше, так как практически всегда можно взять более «быстрый» МК с большим объёмом памяти. Кроме того, современные пакеты кросс-средств позволяют легко писать смешанные программы, где часть модулей написана на Си, а наиболее критичные к быстродействию части – на ассемблере. Компиляторы Си позволяют также вставлять в исходные тексты ассемблерные инструкции.
Каковы же преимущества программирования на Си по сравнению с программированием на ассемблере? Вкратце они заключаются в следующем:
- отпадает необходимость заботиться об операциях с числами большой разрядности. Компилятор автоматически сгенерирует правильный код для операции a + b, если a и b будут 8-, 16-, 32-битными числами, числами с плавающей запятой и даже числами разных типов;
- в комплекте с компилятором поставляется обширная библиотека функций (подпрограмм), реализующих различные математические операции (тригонометрические функции, возведение в степень и т.п.), работу с символьными строками, форматированный ввод / вывод и т.д.;
- многие ошибки программиста диагностируются компилятором: он, например, не позволит передать функции неверное число параметров или параметры неверных типов, забыть поставить оператор возврата и т.п.;
- исходный текст, написанный на Си, гораздо легче читается, он компактнее, легче модифицируется;
- программы, написанные на Си, легче переносятся на MК других семейств.
Чтобы эффективно отлаживать программы, написанные на языке высокого уровня, разработчик должен иметь в своём распоряжении отладочные средства, предоставляющие адекватные возможности по отображению используемых в программе данных, а также по отслеживанию выполнения программы по её исходному тексту. Для обеспечения таких возможностей необходимы два условия:
- компилятор должен предоставлять достаточную информацию о структуре программы и используемых ею данных. Эту информацию называют символьной (отладочной);
- отладчик должен уметь интерпретировать эту информацию.
Все современные компиляторы и ассемблеры в том или ином виде генерируют символьную информацию, но в настоящее время ещё не разработано универсального формата, и каждый компилятор генерирует её в собственном формате. Это создаёт дополнительные трудности для отладчиков, которые должны уметь «понимать» несколько символьных форматов.