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1 引言 Freescale(其前身為Motorola半導(dǎo)體部)公司推出的系列MCU，具有單一電源供電、支持在線編程的內(nèi)部Flash。在線寫(xiě)入、讀出穩(wěn)定，為研制新型嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具提供了技術(shù)基礎(chǔ)。Freescale公司的MCU應(yīng)用非常廣泛，銷(xiāo)量已多年名列前茅，其中HC08系列MCU，功耗低、運(yùn)用靈活．占銷(xiāo)量中的重要部分。開(kāi)發(fā)廉價(jià)且實(shí)用的Freescale HC08系列MCU的編程調(diào)試開(kāi)發(fā)工具對(duì)該系列MCU在我國(guó)的推廣應(yīng)用具有重要價(jià)值。目前市面上能支持HC08的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)．除了CodeWarrior，雖對(duì)HC08系列MCU都支持。但系統(tǒng)龐大，功能復(fù)雜。價(jià)格貴，另外一些高校如清華、復(fù)旦等，只能支持某幾款芯片，對(duì)于有200多款的HC08 MCU，較大局限，使用不便，不利于應(yīng)用開(kāi)發(fā)，更不便于教學(xué)實(shí)踐。 本實(shí)驗(yàn)室從1999年開(kāi)始研制集成開(kāi)發(fā)環(huán)境．在分析了各種嵌入式系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)系統(tǒng)后．推出了一種新型的HC08MCU通用型的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境．每年不斷進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)．現(xiàn)已基本成型。本IDE具有結(jié)構(gòu)清晰、操作簡(jiǎn)潔的特點(diǎn)．集成了程序編輯、編譯、下載、聯(lián)機(jī)調(diào)試、硬件評(píng)估等功能，有較好的實(shí)用前景。在闡述本IDE的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，本文簡(jiǎn)要分析了IDE的Pc方軟件主要技術(shù)要點(diǎn)和簡(jiǎn)單介紹了本IDE配套的硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。 2 設(shè)計(jì)思路與技術(shù)優(yōu)勢(shì) 對(duì)HC08系列MCU。進(jìn)行深入的研究。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐與探索，研制了新型的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。軟件分兩大部分：PC方軟件和MCU方軟件，配套硬件分三大部分：PC機(jī)、寫(xiě)入器(也稱(chēng)調(diào)試器或編程器)和實(shí)驗(yàn)箱(或評(píng)估板或嵌入式產(chǎn)品)。 1) IDE主要設(shè)計(jì)思路是： (1)PC方軟件提供程序管理、編輯、編譯、下載、聯(lián)機(jī)調(diào)試等功能，源程序經(jīng)過(guò)編輯和編譯成S19目標(biāo)文件后．通過(guò)USB接口與寫(xiě)入器中的MCU(稱(chēng)主控MCU)方軟件通信．將該目標(biāo)文件發(fā)給主控MCU，然后寫(xiě)人器又與實(shí)驗(yàn)箱MCU(稱(chēng)目標(biāo)MCU)芯片串行通信，將該目標(biāo)文件寫(xiě)入目標(biāo)MCU芯片的FIash中。成功后可以試運(yùn)行。檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)MCU中的程序能否正常運(yùn)行．否則聯(lián)機(jī)調(diào)試該程序。 (2)HC08系列MCU間資源差異較大，進(jìn)入監(jiān)控的支撐電路有差別，為了設(shè)計(jì)適用于不同MCU的通用IDE，解決這些問(wèn)題是關(guān)鍵，具體方法參考文獻(xiàn)，即MCU間資源差異的問(wèn)題是通過(guò)PC機(jī)中的數(shù)據(jù)庫(kù)保存其差異而得到解決。進(jìn)入監(jiān)控的支撐電路問(wèn)題是通過(guò)在PC機(jī)和目標(biāo)MCU間加一個(gè)主控MCU而得到解決從而為實(shí)現(xiàn)通用的IDE奠定基礎(chǔ)。 (3)作為以MC908GP32(舊稱(chēng)MC68HC908GP32)MCU為藍(lán)本進(jìn)行“單片機(jī)原理與嵌入式應(yīng)用”教學(xué)的實(shí)驗(yàn)箱配套軟件，實(shí)驗(yàn)箱提供了基本實(shí)驗(yàn)所需的接線端口．還提供了擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的接線排孔。運(yùn)用本開(kāi)發(fā)環(huán)境根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)軟件要求．可完成所有基于MC908GP32 MCU的接口實(shí)驗(yàn)。對(duì)于Freescale該系列其他MCU。可通過(guò)置換核心板(MCU與其支撐電路構(gòu)成的)，而達(dá)到更換HC08 MCU的目的，便于進(jìn)行其他MCU的實(shí)驗(yàn)。 2) 本開(kāi)發(fā)環(huán)境與傳統(tǒng)的仿真器相比具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)： (1)傳統(tǒng)仿真器的“仿真系統(tǒng)”一般是使用軟件仿真的技術(shù)，在宿主機(jī)上通過(guò)軟件的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)的功能。這種方式雖可以模擬大部分目標(biāo)機(jī)的功能。但是這種方式并非是真正的目標(biāo)系統(tǒng)．往往在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的程序．一旦移到目標(biāo)系統(tǒng)上運(yùn)行．卻會(huì)出現(xiàn)一些在仿真軟件中無(wú)法遇到的問(wèn)題。而本開(kāi)發(fā)環(huán)境是基于硬件之上的，對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)可以達(dá)到完美的模擬，即在本開(kāi)發(fā)環(huán)境上開(kāi)發(fā)出來(lái)的程序在移到目標(biāo)系統(tǒng)上時(shí)，由于硬件基礎(chǔ)相同．因此不會(huì)發(fā)生任何兼容性問(wèn)題。 (2)與傳統(tǒng)仿真器相比，提供的調(diào)試功能為在線調(diào)試方式，操作界面為Windows界面，操作猶如調(diào)試純軟件，方法簡(jiǎn)潔。 3 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的設(shè)計(jì) 為方便開(kāi)發(fā)和調(diào)試嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于C編譯的HC08 MCU集成開(kāi)發(fā)環(huán)境．軟件總體分兩大部分：PC方軟件與MCU方軟件．PC方軟件可分為脫機(jī)編輯編譯和聯(lián)機(jī)下載調(diào)試兩部分。MCU方軟件設(shè)計(jì)請(qǐng)參考文獻(xiàn)。 PC方軟件采用標(biāo)準(zhǔn)的Win32界面．利用Visual C++MFC編寫(xiě)．主界面設(shè)計(jì)如圖1所示，其中左邊為工程管理窗口，右邊為代碼編輯窗口．下面為編譯輸出及調(diào)試窗口。 
圖1 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境主界面 本IDE的主要設(shè)計(jì)功能和技術(shù)特點(diǎn)如下： (1)標(biāo)準(zhǔn)的Win32視窗界面，充分體現(xiàn)Windows平臺(tái)的特性。具有安裝方便、操作簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)。并配置內(nèi)容豐富的幫助系統(tǒng)，幫助用戶快速入門(mén)，學(xué)習(xí)HC08 MCU的編程方法。 (2)工程管理。工程管理分別對(duì)c文件和頭文件兩種源文件進(jìn)行管理．對(duì)匯編也支持．在主界面上以文件樹(shù)的形式呈現(xiàn)。工程屬性根據(jù)編程要求而設(shè)置，通過(guò)“編譯設(shè)置”對(duì)話框進(jìn)行，它包括MCU類(lèi)型、Flash區(qū)程序的起始地址、RAM起始地址和終止地址、堆棧起始地址等設(shè)置。工程管理的主要功能是管理源程序文件和生成編譯器所需的文件。在保存T程的同時(shí)后臺(tái)生成了該工程的make file文件(包含編譯選項(xiàng)和工程屬性)、src文件(包含工程中使用到的文件和資源)。 (3)下載程序。下載程序是將生成的目標(biāo)機(jī)器碼寫(xiě)入目標(biāo)MCU中的．包括通信模塊和S19文件分析模塊兩部分。通信模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與主控MCU的USB通信。發(fā)送命令、參數(shù)和程序代碼等，和主控MCU一起對(duì)目標(biāo)MCU完成相應(yīng)的擦除、寫(xiě)入和調(diào)試等操作功能。S19文件分析模塊負(fù)責(zé)先對(duì)S19文件進(jìn)行分析和打包．將文件的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)母袷剑⑴袛辔募谐绦虻钠鹗嫉刂贰㈨?yè)數(shù)以及是否越界等．然后進(jìn)行發(fā)送通信。 (4)調(diào)試器以及寄存器查看器和內(nèi)存變量查看器。寫(xiě)入器也兼有調(diào)試功能．所以也稱(chēng)調(diào)試器。調(diào)試的功能設(shè)計(jì)是參照通用IDE的調(diào)試方法而設(shè)計(jì)的，進(jìn)入調(diào)試模式(即監(jiān)控模式)，可以單步調(diào)試或斷點(diǎn)調(diào)試。調(diào)試時(shí)可以通過(guò)寄存器查看器和內(nèi)存變量查看器觀察目標(biāo)MCU運(yùn)行的當(dāng)前值，以便發(fā)現(xiàn)程序問(wèn)題所在．實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試功能。 4 技術(shù)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 在系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，遇到許多的問(wèn)題。下面把主要問(wèn)題的一些處理方法作簡(jiǎn)要分析說(shuō)明，供大家借鑒。限于篇幅．HC08系列MCU的調(diào)試器通用性設(shè)計(jì)具體見(jiàn)文獻(xiàn)。 4．1中文和語(yǔ)法高亮的實(shí)現(xiàn) 語(yǔ)法高亮在集成開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的代碼編寫(xiě)過(guò)程中是主要的問(wèn)題之一。已有的一些控件雖然語(yǔ)法高亮功能比較全，但是對(duì)中文支持不是很好．最突出的就是半個(gè)漢字問(wèn)題(在選擇和刪除字符的時(shí)候漢字當(dāng)兩個(gè)字符處理，一次只能刪除半個(gè)，會(huì)出現(xiàn)亂碼)。使用MFC的RichEdit控件雖可以解決中文問(wèn)題，但又沒(méi)有語(yǔ)法高亮的功能，為此，就以RichEdit為基類(lèi)編寫(xiě)了語(yǔ)法高亮類(lèi)，才解決語(yǔ)法高亮和中文的顯示問(wèn)題。其主要編程的思路是：通過(guò)捕獲用戶鍵盤(pán)輸入的事件．判斷用戶輸入的單詞是否為c語(yǔ)言中的關(guān)鍵字．如果是，則改變其顏色。 4．2 GNU編譯器的整合 本系統(tǒng)使用的是由GNU移植的HC08編譯器，該軟件不僅是開(kāi)源、免費(fèi)的。而且執(zhí)行效率高，功能強(qiáng)，對(duì)c代碼具有優(yōu)化的功能。但是唯一的問(wèn)題是。該編譯器是Win32控制臺(tái)程序，輸出的編譯信息都是在不同控制臺(tái)下的．不易整合在一個(gè)IDE中。更甚的是編譯器的輸出信息都是非標(biāo)準(zhǔn)的輸出流，無(wú)法使用ShellExecute函數(shù)捕獲，也無(wú)法輸出到管道文件中。為了解決該問(wèn)題參考了一些國(guó)內(nèi)外的資料，受此啟發(fā)。采用CreateThread的方法，也就是創(chuàng)建子線程的辦法，通過(guò)線程的管道，將編譯輸出信息捕獲．并顯示在窗口中。同時(shí)在此基礎(chǔ)上也實(shí)現(xiàn)了從編譯錯(cuò)誤信息跳轉(zhuǎn)到源代碼的功能。 4．3 PC機(jī)與寫(xiě)入器的USB通信設(shè)計(jì) 寫(xiě)入器和PC機(jī)建立USB通信除了MCU與PC的通信程序設(shè)計(jì)外．PC方必須要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。本設(shè)計(jì)使用的USB開(kāi)發(fā)包USBIO_EL是由德國(guó)Thesycon Systemsoftware&Consulting GmbH公司提供的免費(fèi)軟件，該開(kāi)發(fā)包提供的功能是限制版本的USB驅(qū)動(dòng)程序usbio_el．sys和USB動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)usbiocom．dll文件。usbio_el.sys 的限制部分為：廠商ID只能為0x0C70．僅支持一個(gè)中斷IN端點(diǎn)和中斷OUT端點(diǎn)，支持的端點(diǎn)緩沖區(qū)大小最大為8字節(jié)。而本設(shè)計(jì)寫(xiě)入器中使用的MC68HC908JB8芯片的USB模塊恰好滿足限制版本的條件，故可使用該驅(qū)動(dòng)程序；usbiocom．dll可以直接加載至程序中，使用其中的類(lèi)；表1為本設(shè)計(jì)中所用到的該庫(kù)中的類(lèi)及函數(shù)的說(shuō)明。可以調(diào)用這些類(lèi)及其函數(shù)實(shí)現(xiàn)建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的程序功能，從而實(shí)現(xiàn)指令的通信以及程序代碼的傳輸。 表1本設(shè)計(jì)中使用到的USB庫(kù)的類(lèi)及函數(shù)說(shuō)明
4．4 C語(yǔ)言程序調(diào)試功能的設(shè)計(jì) 調(diào)試功能實(shí)現(xiàn)對(duì)匯編和c語(yǔ)言的源碼級(jí)在線調(diào)試。兩者實(shí)現(xiàn)過(guò)程大體相似，但C語(yǔ)言調(diào)試的實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜。在此只針對(duì)C程序進(jìn)行說(shuō)明。 匯編程序和C程序在編譯后都會(huì)產(chǎn)生調(diào)試信息文件(后綴名為．dbg)。dbg文件包含有相應(yīng)的信息以供調(diào)試時(shí)使用。該文件詳細(xì)記錄了調(diào)試所需要的行號(hào)與存儲(chǔ)地址等信息．包括文件首地址、函數(shù)的首末地址、每行源代碼的行號(hào)和首地址、局部變量以及全局變量的名稱(chēng)地址類(lèi)型等，如圖2所示。對(duì)C語(yǔ)言程序的調(diào)試主要是基于對(duì)該調(diào)試信息文件的調(diào)用和判斷。調(diào)試動(dòng)作的設(shè)計(jì)首先是“設(shè)置斷點(diǎn)”，接著點(diǎn)擊“開(kāi)始調(diào)試”，進(jìn)入調(diào)試模式．然后選擇“單步步入(Step Into)”、“單步步過(guò)(Step Over)”或“執(zhí)行”至下一斷點(diǎn)處等調(diào)試操作根據(jù)程序運(yùn)行或變量的值判斷調(diào)試。 下面分別闡述設(shè)計(jì)思路。 (1)設(shè)置斷點(diǎn) 如在文件main．c中選擇所需中斷的一代碼行．假設(shè)選擇第33行，點(diǎn)擊菜單“調(diào)試”一>“設(shè)置斷點(diǎn)”，則在調(diào)試文件．dbg文件中找到“FILE main．c"行下的“LINE 33 8096”(如圖2的雙下劃線)， 該LINE后的33(十進(jìn)制)等于當(dāng)前設(shè)置斷點(diǎn)的行號(hào)33，然后提取該“LINE”行中的8096(十六進(jìn)制．本語(yǔ)句的首地址)，作為當(dāng)前的斷點(diǎn)地址。則在界面上顯示當(dāng)前所選擇斷點(diǎn)的代碼行呈紅色高亮顯示。否則所選擇的不是代碼行。
圖2 dbg文件結(jié)構(gòu) (2)開(kāi)始調(diào)試 設(shè)置斷點(diǎn)后。點(diǎn)擊菜單“調(diào)試" -> “開(kāi)始調(diào)試”，程序運(yùn)行至斷點(diǎn)地址處．產(chǎn)生斷點(diǎn)中斷．則返回目標(biāo)MCU運(yùn)行的有關(guān)信息至PC機(jī)，在IDE界面中當(dāng)前斷點(diǎn)行呈藍(lán)色高亮顯示，在寄存器跟蹤窗口和變量跟蹤窗口中顯示目標(biāo)MCU中相應(yīng)的值。接著選擇不同的調(diào)試操作繼續(xù)進(jìn)行．如“單步步入”("單步步過(guò)"或“執(zhí)行”至下一斷點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路與之類(lèi)似)。 (3)單步步入 “單步步入”即從當(dāng)前斷點(diǎn)處按程序執(zhí)行的流程一條一條語(yǔ)句的運(yùn)行調(diào)試。設(shè)計(jì)調(diào)試的方法是．從程序“開(kāi)始調(diào)試”運(yùn)行至斷點(diǎn)起，點(diǎn)擊“單步步入”，程序先計(jì)算下一個(gè)斷點(diǎn)地址。從斷點(diǎn)開(kāi)始．MCU的斷點(diǎn)模塊自動(dòng)將當(dāng)前斷點(diǎn)地址加1．作為下一個(gè)斷點(diǎn)地址．但C語(yǔ)言一條語(yǔ)句編譯后往往不止一條匯編語(yǔ)句，可能幾十條．甚至幾百條．如此計(jì)算．則加1還不是下一條C語(yǔ)句的首地址。這時(shí)須將返回的PC寄存器值繼續(xù)加1。直至下一條C語(yǔ)句首地址．即PC寄存器里的值等于下一條C語(yǔ)句對(duì)應(yīng)的首地址，這樣一次“單步步人”完成。若需繼續(xù)執(zhí)行，則再點(diǎn)擊“單步步入”命令。 5 實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng) 為了配合本IDE，根據(jù)HC08系列MCU電氣特征、功能，設(shè)計(jì)了一個(gè)通用的實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)，方便了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，方便了嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和測(cè)試。 實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)的實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 HC08嵌入式實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：①M(fèi)C908GP32和支撐電路構(gòu)成核心板(更換MCU只要更換該板即可)。本系統(tǒng)為其提供的支撐電路主要由5v電源、晶振電路和PLL電路構(gòu)成。其中晶振電路采用了一個(gè)32．768KHz的晶振為MCU提供振蕩信號(hào)，PLL電路是主要由電容和濾波網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的負(fù)反饋環(huán)路，使頻率穩(wěn)定地提高至2．4576MHz。②串行通信(SCI)電路。早期的電平轉(zhuǎn)換集成電路由MC1488、MC1489構(gòu)成．但需另配12V供電，使接線繁瑣。本系統(tǒng)采用目前較多用的MAX232將MCU的TTL電平轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS-232電平，它僅需共用5V供電實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。③外圍接口和元件。為了給用戶提供足夠的接口，充分考慮不同用戶和開(kāi)發(fā)者的需要．本系統(tǒng)提供2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)9芯串口、LCD接口、鍵盤(pán)接口、8組指示燈和開(kāi)關(guān)、電位器、蜂鳴器、模擬量接口、繼電器以及各種通信口等，不僅滿足MCU的教學(xué)，也滿足MCU開(kāi)發(fā)評(píng)估及測(cè)試的需要。④IC插線和擴(kuò)展槽。本系統(tǒng)還具有一定的可擴(kuò)展性，通過(guò)提供的Ic插線和擴(kuò)展槽，用戶可自行擴(kuò)展其它的IC和設(shè)備。 6 結(jié)束語(yǔ) 以上所闡述的Freescale HC08 MCU集成開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)思路．以及技術(shù)要點(diǎn)．對(duì)于開(kāi)發(fā)者，具有一定的啟發(fā)和借鑒作用。本系統(tǒng)的推出．有力地解決了國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)Freescale HC08嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)主要依賴國(guó)外開(kāi)發(fā)平臺(tái)的現(xiàn)狀。經(jīng)過(guò)幾年的研制和推廣應(yīng)用．配合Freescale公司的大學(xué)計(jì)劃已經(jīng)獲得較好的應(yīng)用效果。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)： (1)編譯器的整合以及中文和語(yǔ)法高亮的實(shí)現(xiàn)解決一個(gè)WindOWS平臺(tái)中難實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題； (2)充分利用免費(fèi)開(kāi)發(fā)包實(shí)現(xiàn)了PC方USB的驅(qū)動(dòng)； (3)調(diào)試文件的利用解決了MCU方程序調(diào)試的問(wèn)題。 作者：曹金華，劉曉升，王宜懷 來(lái)源：《微計(jì)算機(jī)信息》(嵌入式與SOC)2009年第9-2期 |
