Андрей Олегович Матюшин - Программирование микроконтроллеров: стратегия и тактика

возможность конструктивно объединить аппаратные и программные средства в одном узле – «интеллектуальном» датчике
или исполнительном механизме, что, в частности, повышает его надежность, обеспечивая при этом требуемую функциональность.
Датчик угла поворота руля, необходимый в системе динамической стабилизации
автомобиля ESP/DSC, содержит интегрированный микроконтроллер, передающий

8

ВВЕДЕНИЕ

данные блоку управления по двухпроводной цифровой шине CAN (рис. 1). Таким образом, длина аналоговых сигнальных цепей сведена к минимуму.

(a)

(б)

Рис. 1. Датчик угла поворота руля автомобиля (а) и его функциональная схема (б) [5]

Тем не менее микроконтроллерам присущ и ряд недостатков: малая емкость
оперативной и постоянной памяти, низкое (по сравнению с полнофункциональными универсальными микропроцессорными системами) быстродействие, отсутствие, в подавляющем большинстве, аппаратно-реализованных механизмов
управления памятью и разграничения доступа, необходимость модификации
программного обеспечения под конкретную аппаратную реализацию. Из-за этого программирование для микроконтроллеров превращается в балансирование
между большим количеством жестких функциональных требований и весьма
ограниченными аппаратными возможностями.
Например, емкость встроенной оперативной памяти микроконтроллера недостаточна для реализации подходящего алгоритма. Замена микроконтроллера
на модель с большей емкостью памяти нецелесообразна из-за унификации производства, требований по потреблению или наличию в используемом микроконтроллере специфических аппаратных средств. Это заставляет либо модифицировать алгоритм, выполняя большее число действий для экономии памяти,
либо добавлять в схему внешнюю память, ограничив число доступных портов

ВВЕДЕНИЕ

9

ввода-вывода. Выбор первого решения в большей степени определяется профессионализмом программиста и влияет лишь на трудоемкость разработки, что при
серийном производстве несущественно увеличивает стоимость конечного изделия. Второе решение, облегчающее программисту жизнь, приводит не только
к удорожанию каждого изделия, но и снижает надежность за счет установки
дополнительных компонентов, менее устойчивых к внешним помехам, например
к электростатическим разрядам.
В целом программирование для микроконтроллеров имеет ряд специфических
особенностей:
•• состав и функции оборудования, а также перечень программно решаемых
задач определяются на этапе разработки;
•• разработка программного и аппаратного обеспечения проводится в тесной
взаимосвязи;
•• обязательно используется постоянная и/или стираемая энергонезависимая
память;
•• программное обеспечение не модифицируется во время работы: обновление проводится путем замены микроконтроллера, с помощью внутрисхемных программаторов (in-circuit programmers) или встроенных загрузчиков
(bootloaders);
•• применяются эффективные и не требовательные к ресурсам алгоритмы;
•• программное обеспечение монолитно, разработчик полностью отвечает за
его качество даже при использовании сторонних программных модулей
или библиотек;
•• программное обеспечение разрабатывается на другой, более мощной платформе, исполняемый код загружается в микроконтроллер для отладки или
в процессе производства готового изделия;
•• отсутствуют специфические для универсальных микропроцессорных систем проблемы: многопользовательский доступ, защита от компьютерных
вирусов и т. п.
Перечисленные особенности разработки программного обеспечения характерны не только для микроконтроллеров, но и для более широкого класса так называемых «встраиваемых систем» (embedded systems). Программирование для
них в настоящее время считается отдельным направлением [30].
Средства разработки программного обеспечения для встраиваемых систем
и микроконтроллеров также достаточно разнообразны [65]. Они включают как
полноценные инструменты, позволяющие получить исполняемый код:
•• императивные процедурные языки (C, ассемблер),
•• системы визуального программирования;
так и вспомогательные инструментальные средства:
•• языки описания и моделирования (VHDL, verilog),
•• средства статической и динамической проверки исходного кода,
•• системы управления проектами (RCS, CVS).
К системам визуального программирования можно отнести Actum® --">