После получения объектного кода программы неизбежно наступает этап отладки, т.е. установления факта ее работоспособности, а также выявления и устранения ошибок. Без этого этапа разработки никакое программное обеспечение вообще не имеет права на существование.
Обычно отладка прикладного программного обеспечения осуществляется в несколько этапов. Простые (синтаксические) ошибки выявляются уже на этапе трансляции. Далее необходимо выполнить:
автономную отладку каждой процедуры в статическом режиме, позволяющую проверить правильность проводимых вычислений, правильность последовательности переходов внутри процедуры (отсутствие «зацикливания») и т.п.;
комплексную отладку программного обеспечения в статическом режиме, позволяющую проверить правильность алгоритма управления (по последовательности формирования управляющих воздействий);
комплексную отладку в динамическом режиме без подключения объекта для определения реального времени выполнения программы и ее отдельных фрагментов.
Эти этапы отладки осуществляются обычно с использованием кросс систем. В состав кросс систем входят программы-отладчики, интерпретирующие выполнение программ написанных для МК. Но как бы ни был хорош интерпретатор, он все равно не может полностью заменить реальный МК.
С использованием разрабатываемого устройства можно будет выполнять рассмотренные этапы отладки уже непосредственно на «живом» МК, подключая к нему реальные физические объекты. Эти этапы отладки можно будет объединить со следующими этапами разработки устройства – отладка отдельных фрагментов программного обеспечения на отладочном модуле в режиме реального времени. Можно будет исключить этап комплексной отладки прикладного программного обеспечения на инструментальной микроЭВМ с внутрисхемным эмулятором.
Разрабатываемое устройство должно обеспечить все необходимые возможности, доступные в кросс системах:
доступ к любому ресурсу МК;
пошаговое исполнение программ.
Разрабатываемое устройство позволит промоделировать практически все возможные варианты работы программы и тем самым убедиться в ее работоспособности. Здесь возможна проверка работоспособности программы при нештатных ситуациях в условиях поступления некорректных входных воздействий.
Можно будет моделировать среду обитания МК, т.е. различного рода объекты и датчики, подключаемые к нему.
Это устройство устраняет главный недостаток кросс систем – невозможность прогона программы в реальном масштабе времени, т.е. со скоростью близкой к скорости выполнения программы в самом МК, а также невозможность комплексирования аппаратурных и программных средств разрабатываемой системы. Именно эти причины влияют на достоверность прикладных программ, отлаженных в кросс системах. Эта достоверность, как правило, не достаточно высока.
Задачей данной работы является разработка необходимого программного обеспечения и аппаратных средств сопряжения МК и ПК.
1.1 Постановка глобальных задач
Организация обмена информацией предполагает:
- рассмотрение вопросов аппаратных средств;
- создание необходимого программного обеспечения.
Аппаратные средства должны обеспечить:
- физическое сопряжение портов ПК и микроконтроллера;
- сопряжение МК с внешней памятью программ.
Программное обеспечение должно обеспечить решение следующего ряда задач:
- запись программы, отлаженной на ПК, в память программ и данных МК;
- выполнение программы в режиме реального времени;
- выполнение программы в пошаговом режиме;
- запись информации из ПК в программно-доступные узлы МК;
- чтение содержимого программно-доступных узлов и индикация их на мониторе ПК.
Вопрос об организации обмена информацией между персональным компьютером и микроконтроллером семейства Intel MCS-51 был уже рассмотрен в бакалаврской работе [3]. В этой работе были рассмотрены проблемы аппаратного и программного сопряжения МК с ПК в составе планируемой лабораторной установки.
В работе [3] было предложено использовать в качестве интерфейса сопряжения с ПК интерфейс RS-232C. Выбор данного интерфейса основывался на простоте подключения, а также минимальных затратах связанных с аппаратным подключением. Положительным фактом для выбора этого интерфейса служит также возможность удаленного подключения и возможность дуплексной передачи данных, что не могут обеспечить внутренняя шина ПК и интерфейс Centronics.
Кроме того каждый компьютер оборудован хотя бы одним асинхронным последовательным адаптером. Асинхронный адаптер обычно содержит несколько СОМ – портов, через которые к компьютеру можно подключить внешние устройства.
Используя СОМ – порт данные не надо синхронизировать. Для синхронизации передающего и принимающего устройства группе битов предшествует специальный стартовый бит, а после группы битов следуют один или два стоповых бита. Также в конце группы передаваемых битов может следовать бит четности. Наличие или отсутствие бита четности, количество стартовых и стоповых битов определяют формат передачи данных.
В работе [3] был предложен формат состоящий из одного стартового бита, семи информационных битов, бита четности и двух стоповых битов. Данный формат не является удобным, т.к. передавать информацию, разбивая ее на семь информационных битов не удобно. Гораздо удобнее использовать побайтовую пересылку.
Одним из основных плюсов данной работы является предложение использовать в качестве памяти программ ОЗУ вместо ПЗУ, что позволяет существенно увеличить скорость перезаписи программ пользователя.
ОЗУ используется для размещения программ пользователя. При записи программ в ОЗУ, обращение к памяти программ осуществляется как обращение к памяти данных, чтение как к памяти программ.
Использование памяти программ во время записи как память данных обуславливается тем, что во время работы микроконтроллера память программ доступна пользователю только для чтения.
Одним из минусов работы [3] является предложение о согласовании уровней между интерфейсом RS-232C и последовательным портом МК. Были разработаны схемы приемника и передатчика. Эти схемы имеют ряд недостатков. Одним из недостатков является необходимость в дополнительных источниках питания на +12 и –12 вольт. Данные схемы не являются надежными. Они используют устаревшую электронную базу и не удовлетворяют реальным требованиям, поставленным перед ними. В настоящее время имеется ряд микросхем, позволяющий осуществить согласование уровней сигналов между интерфейсом RS-232C и последовательным портом МК. Такие схемы более надежны и не требуют дополнительного питания на +12 и –12 вольт.
В работе [3] предлагалось использовать МК 8031. Данный МК не имеет внутренней памяти программ. В связи с этим возникла необходимость в установке внешней памяти программ. Эта память программ разбивалась на ПЗУ, для хранения программы «Монитор» и ОЗУ, как память программ пользователя. Это ограничивает общую внешнюю память программ, используемую как память программ пользователя.
В работе 3 не были решены вопросы с доступом к программно-доступным узлам микроконтроллера. При переходе к подпрограмме микроконтроллер сохраняет в стеке только содержимое счетчика команд. Поэтому перед началом приема или передачи данных необходимо позаботиться о сохранение содержимого аккумулятора и регистров, которые будут использоваться при приеме или передачи данных.
Программа «Монитор» учитывала только ряд задач, которые могут возникнуть у пользователя на этапах разработки программного обеспечения, тестирования его или использования системы на практике.
Из проведенного выше анализа следует, что при реализации процесса обмена информацией между микроконтроллером MCS-51 и персональным компьютером необходимо решить следующий ряд вопросов:
- Вопросы аппаратных средств.
Þ Разработка схемы сопряжения портов ПК и микроконтроллера с использованием современной электронной базы. Данная схема должна обеспечить согласование уровней сигналов между СОМ – портом ПК и микроконтроллером, не должна требовать дополнительных источников питания, должна иметь небольшие масса - габаритные характеристики, должна быть дешевой и надежной.
Þ Разработка схемы подключения памяти к микроконтроллеру. Данная схема должна обеспечить возможность использования ОЗУ в качестве памяти программ. Во время записи программы пользователя память программ должна использоваться, как память данных. Адресное пространство внешней памяти данных и памяти программ не должно перекрываться.
- Вопросы программного обеспечения.