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1 引言 Freescale(其前身為Motorola半導體部)公司推出的系列MCU，具有單一電源供電、支持在線編程的內部Flash。在線寫入、讀出穩定，為研制新型嵌入式應用開發工具提供了技術基礎。Freescale公司的MCU應用非常廣泛，銷量已多年名列前茅，其中HC08系列MCU，功耗低、運用靈活．占銷量中的重要部分。開發廉價且實用的Freescale HC08系列MCU的編程調試開發工具對該系列MCU在我國的推廣應用具有重要價值。目前市面上能支持HC08的集成開發環境(IDE)．除了CodeWarrior，雖對HC08系列MCU都支持。但系統龐大，功能復雜。價格貴，另外一些高校如清華、復旦等，只能支持某幾款芯片，對于有200多款的HC08 MCU，較大局限，使用不便，不利于應用開發，更不便于教學實踐。 本實驗室從1999年開始研制集成開發環境．在分析了各種嵌入式系統集成開發系統后．推出了一種新型的HC08MCU通用型的集成開發環境．每年不斷進行改進升級．現已基本成型。本IDE具有結構清晰、操作簡潔的特點．集成了程序編輯、編譯、下載、聯機調試、硬件評估等功能，有較好的實用前景。在闡述本IDE的設計基礎上，本文簡要分析了IDE的Pc方軟件主要技術要點和簡單介紹了本IDE配套的硬件系統的基本結構。 2 設計思路與技術優勢 對HC08系列MCU。進行深入的研究。經過長期的實踐與探索，研制了新型的嵌入式應用系統的集成開發環境。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、寫入器(也稱調試器或編程器)和實驗箱(或評估板或嵌入式產品)。 1) IDE主要設計思路是： (1)PC方軟件提供程序管理、編輯、編譯、下載、聯機調試等功能，源程序經過編輯和編譯成S19目標文件后．通過USB接口與寫入器中的MCU(稱主控MCU)方軟件通信．將該目標文件發給主控MCU，然后寫人器又與實驗箱MCU(稱目標MCU)芯片串行通信，將該目標文件寫入目標MCU芯片的FIash中。成功后可以試運行。檢驗目標MCU中的程序能否正常運行．否則聯機調試該程序。 (2)HC08系列MCU間資源差異較大，進入監控的支撐電路有差別，為了設計適用于不同MCU的通用IDE，解決這些問題是關鍵，具體方法參考文獻，即MCU間資源差異的問題是通過PC機中的數據庫保存其差異而得到解決。進入監控的支撐電路問題是通過在PC機和目標MCU間加一個主控MCU而得到解決從而為實現通用的IDE奠定基礎。 (3)作為以MC908GP32(舊稱MC68HC908GP32)MCU為藍本進行“單片機原理與嵌入式應用”教學的實驗箱配套軟件，實驗箱提供了基本實驗所需的接線端口．還提供了擴展實驗的接線排孔。運用本開發環境根據實驗項目開發軟件要求．可完成所有基于MC908GP32 MCU的接口實驗。對于Freescale該系列其他MCU。可通過置換核心板(MCU與其支撐電路構成的)，而達到更換HC08 MCU的目的，便于進行其他MCU的實驗。 2) 本開發環境與傳統的仿真器相比具有如下技術優勢： (1)傳統仿真器的“仿真系統”一般是使用軟件仿真的技術，在宿主機上通過軟件的方式實現目標機的功能。這種方式雖可以模擬大部分目標機的功能。但是這種方式并非是真正的目標系統．往往在此基礎上開發出來的程序．一旦移到目標系統上運行．卻會出現一些在仿真軟件中無法遇到的問題。而本開發環境是基于硬件之上的，對目標系統可以達到完美的模擬，即在本開發環境上開發出來的程序在移到目標系統上時，由于硬件基礎相同．因此不會發生任何兼容性問題。 (2)與傳統仿真器相比，提供的調試功能為在線調試方式，操作界面為Windows界面，操作猶如調試純軟件，方法簡潔。 3 集成開發環境的設計 為方便開發和調試嵌入式系統，設計了基于C編譯的HC08 MCU集成開發環境．軟件總體分兩大部分：PC方軟件與MCU方軟件．PC方軟件可分為脫機編輯編譯和聯機下載調試兩部分。MCU方軟件設計請參考文獻。 PC方軟件采用標準的Win32界面．利用Visual C++MFC編寫．主界面設計如圖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試窗口。 
圖1 集成開發環境主界面 本IDE的主要設計功能和技術特點如下： (1)標準的Win32視窗界面，充分體現Windows平臺的特性。具有安裝方便、操作簡潔等特點。并配置內容豐富的幫助系統，幫助用戶快速入門，學習HC08 MCU的編程方法。 (2)工程管理。工程管理分別對c文件和頭文件兩種源文件進行管理．對匯編也支持．在主界面上以文件樹的形式呈現。工程屬性根據編程要求而設置，通過“編譯設置”對話框進行，它包括MCU類型、Flash區程序的起始地址、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程的同時后臺生成了該工程的make file文件(包含編譯選項和工程屬性)、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機器碼寫入目標MCU中的．包括通信模塊和S19文件分析模塊兩部分。通信模塊負責實現PC機與主控MCU的USB通信。發送命令、參數和程序代碼等，和主控MCU一起對目標MCU完成相應的擦除、寫入和調試等操作功能。S19文件分析模塊負責先對S19文件進行分析和打包．將文件的內容轉換成便于傳輸的格式，并判斷文件中程序的起始地址、頁數以及是否越界等．然后進行發送通信。 (4)調試器以及寄存器查看器和內存變量查看器。寫入器也兼有調試功能．所以也稱調試器。調試的功能設計是參照通用IDE的調試方法而設計的，進入調試模式(即監控模式)，可以單步調試或斷點調試。調試時可以通過寄存器查看器和內存變量查看器觀察目標MCU運行的當前值，以便發現程序問題所在．實現在線調試功能。 4 技術設計要點 在系統的開發設計過程中，遇到許多的問題。下面把主要問題的一些處理方法作簡要分析說明，供大家借鑒。限于篇幅．HC08系列MCU的調試器通用性設計具體見文獻。 4．1中文和語法高亮的實現 語法高亮在集成開發系統的代碼編寫過程中是主要的問題之一。已有的一些控件雖然語法高亮功能比較全，但是對中文支持不是很好．最突出的就是半個漢字問題(在選擇和刪除字符的時候漢字當兩個字符處理，一次只能刪除半個，會出現亂碼)。使用MFC的RichEdit控件雖可以解決中文問題，但又沒有語法高亮的功能，為此，就以RichEdit為基類編寫了語法高亮類，才解決語法高亮和中文的顯示問題。其主要編程的思路是：通過捕獲用戶鍵盤輸入的事件．判斷用戶輸入的單詞是否為c語言中的關鍵字．如果是，則改變其顏色。 4．2 GNU編譯器的整合 本系統使用的是由GNU移植的HC08編譯器，該軟件不僅是開源、免費的。而且執行效率高，功能強，對c代碼具有優化的功能。但是唯一的問題是。該編譯器是Win32控制臺程序，輸出的編譯信息都是在不同控制臺下的．不易整合在一個IDE中。更甚的是編譯器的輸出信息都是非標準的輸出流，無法使用ShellExecute函數捕獲，也無法輸出到管道文件中。為了解決該問題參考了一些國內外的資料，受此啟發。采用CreateThread的方法，也就是創建子線程的辦法，通過線程的管道，將編譯輸出信息捕獲．并顯示在窗口中。同時在此基礎上也實現了從編譯錯誤信息跳轉到源代碼的功能。 4．3 PC機與寫入器的USB通信設計 寫入器和PC機建立USB通信除了MCU與PC的通信程序設計外．PC方必須要有相應的驅動程序。本設計使用的USB開發包USBIO_EL是由德國Thesycon Systemsoftware&Consulting GmbH公司提供的免費軟件，該開發包提供的功能是限制版本的USB驅動程序usbio_el．sys和USB動態鏈接庫usbiocom．dll文件。usbio_el.sys 的限制部分為：廠商ID只能為0x0C70．僅支持一個中斷IN端點和中斷OUT端點，支持的端點緩沖區大小最大為8字節。而本設計寫入器中使用的MC68HC908JB8芯片的USB模塊恰好滿足限制版本的條件，故可使用該驅動程序；usbiocom．dll可以直接加載至程序中，使用其中的類；表1為本設計中所用到的該庫中的類及函數的說明。可以調用這些類及其函數實現建立連接、發送數據和接收數據的程序功能，從而實現指令的通信以及程序代碼的傳輸。 表1本設計中使用到的USB庫的類及函數說明
4．4 C語言程序調試功能的設計 調試功能實現對匯編和c語言的源碼級在線調試。兩者實現過程大體相似，但C語言調試的實現相對復雜。在此只針對C程序進行說明。 匯編程序和C程序在編譯后都會產生調試信息文件(后綴名為．dbg)。dbg文件包含有相應的信息以供調試時使用。該文件詳細記錄了調試所需要的行號與存儲地址等信息．包括文件首地址、函數的首末地址、每行源代碼的行號和首地址、局部變量以及全局變量的名稱地址類型等，如圖2所示。對C語言程序的調試主要是基于對該調試信息文件的調用和判斷。調試動作的設計首先是“設置斷點”，接著點擊“開始調試”，進入調試模式．然后選擇“單步步入(Step Into)”、“單步步過(Step Over)”或“執行”至下一斷點處等調試操作根據程序運行或變量的值判斷調試。 下面分別闡述設計思路。 (1)設置斷點 如在文件main．c中選擇所需中斷的一代碼行．假設選擇第33行，點擊菜單“調試”一>“設置斷點”，則在調試文件．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(十進制)等于當前設置斷點的行號33，然后提取該“LINE”行中的8096(十六進制．本語句的首地址)，作為當前的斷點地址。則在界面上顯示當前所選擇斷點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文件結構 (2)開始調試 設置斷點后。點擊菜單“調試" -> “開始調試”，程序運行至斷點地址處．產生斷點中斷．則返回目標MCU運行的有關信息至PC機，在IDE界面中當前斷點行呈藍色高亮顯示，在寄存器跟蹤窗口和變量跟蹤窗口中顯示目標MCU中相應的值。接著選擇不同的調試操作繼續進行．如“單步步入”("單步步過"或“執行”至下一斷點的設計思路與之類似)。 (3)單步步入 “單步步入”即從當前斷點處按程序執行的流程一條一條語句的運行調試。設計調試的方法是．從程序“開始調試”運行至斷點起，點擊“單步步入”，程序先計算下一個斷點地址。從斷點開始．MCU的斷點模塊自動將當前斷點地址加1．作為下一個斷點地址．但C語言一條語句編譯后往往不止一條匯編語句，可能幾十條．甚至幾百條．如此計算．則加1還不是下一條C語句的首地址。這時須將返回的PC寄存器值繼續加1。直至下一條C語句首地址．即PC寄存器里的值等于下一條C語句對應的首地址，這樣一次“單步步人”完成。若需繼續執行，則再點擊“單步步入”命令。 5 實驗硬件系統 為了配合本IDE，根據HC08系列MCU電氣特征、功能，設計了一個通用的實驗硬件系統，方便了實驗教學，方便了嵌入式系統的開發和測試。 實驗硬件系統的實物結構如圖3所示。
圖3 HC08嵌入式實驗硬件系統 硬件系統主要由以下幾部分構成：①MC908GP32和支撐電路構成核心板(更換MCU只要更換該板即可)。本系統為其提供的支撐電路主要由5v電源、晶振電路和PLL電路構成。其中晶振電路采用了一個32．768KHz的晶振為MCU提供振蕩信號，PLL電路是主要由電容和濾波網絡構成的負反饋環路，使頻率穩定地提高至2．4576MHz。②串行通信(SCI)電路。早期的電平轉換集成電路由MC1488、MC1489構成．但需另配12V供電，使接線繁瑣。本系統采用目前較多用的MAX232將MCU的TTL電平轉換為標準的RS-232電平，它僅需共用5V供電實現電平轉換。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發者的需要．本系統提供2個標準9芯串口、LCD接口、鍵盤接口、8組指示燈和開關、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，也滿足MCU開發評估及測試的需要。④IC插線和擴展槽。本系統還具有一定的可擴展性，通過提供的Ic插線和擴展槽，用戶可自行擴展其它的IC和設備。 6 結束語 以上所闡述的Freescale HC08 MCU集成開發環境設計思路．以及技術要點．對于開發者，具有一定的啟發和借鑒作用。本系統的推出．有力地解決了國內開發Freescale HC08嵌入式應用系統主要依賴國外開發平臺的現狀。經過幾年的研制和推廣應用．配合Freescale公司的大學計劃已經獲得較好的應用效果。 本文作者創新點： (1)編譯器的整合以及中文和語法高亮的實現解決一個WindOWS平臺中難實現的問題； (2)充分利用免費開發包實現了PC方USB的驅動； (3)調試文件的利用解決了MCU方程序調試的問題。 作者：曹金華，劉曉升，王宜懷 來源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第9-2期 |
