在《嵌入式編程之單片機(jī)的基本構(gòu)成、工作原理》和《嵌入式編程之單片機(jī)的外圍功能電路》我們介紹了單片機(jī)硬件方面的知識(shí)。本文將介紹單片機(jī)的開(kāi)發(fā)環(huán)境和編程語(yǔ)言。

CPU懂的機(jī)器語(yǔ)言

單片機(jī)的CPU從存儲(chǔ)器讀取程序，但是一次只能讀取一條指令，然后解釋每條指令，并執(zhí)行。存儲(chǔ)器中保存的內(nèi)容，不管是程序還是數(shù)據(jù)，都是二進(jìn)制代碼“0”和“1”組成的字符串。指令二進(jìn)制代碼告訴CPU要做什么，而數(shù)據(jù)二進(jìn)制代碼則是CPU操作或處理指令時(shí)要使用的值。CPU的操作包含加、減運(yùn)算等指令。這些像密碼一樣排列的“0”和“1”字符串就是機(jī)器語(yǔ)言。比如圖1左邊顯示的就是一個(gè)機(jī)器語(yǔ)言指令，意思是“將2放入寄存器A(寄存器是CPU內(nèi)部的儲(chǔ)存區(qū)域)。

CPU總是按存儲(chǔ)器地址的順序讀取指令代碼，除非遇到跳躍指令。例如，如果復(fù)位后的地址是0000，則從0000開(kāi)始按0001、0002、0003的順序讀取并執(zhí)行指令。也可以說(shuō)，一個(gè)程序就是按處理要求排列一系列的機(jī)器語(yǔ)言。

CPU只能理解如上所述的機(jī)器語(yǔ)言。因此，為了使CPU運(yùn)行，就必須使用機(jī)器語(yǔ)言的程序。但是，機(jī)器語(yǔ)言不易為人們識(shí)別和讀寫(xiě)。因此，人們用了更簡(jiǎn)單易懂的字符串來(lái)代替機(jī)器語(yǔ)言，這就是匯編語(yǔ)言。例如，在“給寄存器A賦值2”這樣的處理時(shí)，如果用匯編語(yǔ)言來(lái)表示，就很簡(jiǎn)單，請(qǐng)看圖1的右邊部分。匯編語(yǔ)言中，用MOV字符串表示賦值，所以“給寄存器A賦值2”的處理就可用“MOV A，#02”表示。

圖1：機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的比較

雖然匯編語(yǔ)言比機(jī)器語(yǔ)言更加簡(jiǎn)單易懂了，但是人們讀起來(lái)還是挺難理解的。而且，匯編語(yǔ)言還存在另一個(gè)問(wèn)題，就是不同的CPU，機(jī)器語(yǔ)言的描述方式也不同。因此，如果更換了CPU，就必須改寫(xiě)與機(jī)器語(yǔ)言有著密不可分關(guān)系的匯編語(yǔ)言，工作量比較大。(以上例子中的機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言均為瑞薩的RL78族單片機(jī)中的語(yǔ)言。)

如上所述，每更換一次CPU都必須對(duì)程序進(jìn)行改編，不但造成生產(chǎn)性低下，還加重了編程人員的負(fù)擔(dān)。

人性化的C語(yǔ)言

能夠解決上述問(wèn)題的編程語(yǔ)言就是C語(yǔ)言。C語(yǔ)言具有不依存于特定的CPU，又具有程序移植性高等的特點(diǎn)。另外，由于編程時(shí)可使用人們熟悉的英文單詞，所以對(duì)編程人員來(lái)說(shuō)C語(yǔ)言是最容易使用的編程語(yǔ)言。下面我們將C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言做一個(gè)簡(jiǎn)單地比較。(圖2)

圖2：　匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言的比較

雖然C語(yǔ)言不依存于CPU而且還是人們最容易使用的編程語(yǔ)言，但對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)，C語(yǔ)言卻是一種完全無(wú)法理解的語(yǔ)言。因此，就需要一種可以將C語(yǔ)言翻譯為機(jī)器語(yǔ)言的軟件，這就是被稱(chēng)為編譯器 (編譯程序) 的軟件。 經(jīng)過(guò)編譯器翻譯的程序的文件格式被稱(chēng)為目標(biāo)文件格式。如果目標(biāo)文件格式最終沒(méi)有被配置到存儲(chǔ)器中，CPU就無(wú)法執(zhí)行該程序。

另外，近來(lái)由于程序越來(lái)越趨于復(fù)雜化，所以幾乎都采取了將一個(gè)程序分割為多個(gè)C語(yǔ)言程序文件的結(jié)構(gòu)。所以，還需要一個(gè)工具將多個(gè)目標(biāo)文件格式匯總成一個(gè)機(jī)器語(yǔ)言并配置到存儲(chǔ)器上，能夠擔(dān)當(dāng)起此重任的就是連接編輯程序(linkage editor，也被稱(chēng)為“linker(鏈接器)”)。

能夠找出程序錯(cuò)誤的調(diào)試器

由人進(jìn)行編程的應(yīng)用程序難免會(huì)存在錯(cuò)誤(bug)。而用來(lái)發(fā)現(xiàn)和幫助人們修正程序錯(cuò)誤的工具被稱(chēng)為調(diào)試器(Debugger)。下面簡(jiǎn)單介紹調(diào)試器的類(lèi)型。

電路內(nèi)仿真器(In-Circuit Emulator ， 簡(jiǎn)稱(chēng)：ICE) ：ICE可取代實(shí)際的單片機(jī)，與仿真專(zhuān)用的評(píng)價(jià)單片機(jī)(evaluation chip，評(píng)價(jià)芯片)連接并進(jìn)行調(diào)試。其中，“In-Circuit Emulator”為美國(guó)英特爾公司的注冊(cè)商標(biāo)，瑞薩將其命名為“Full-spec Emulators”并向市場(chǎng)提供。

J-TAG仿真器：J-TAG仿真器使用單片機(jī)內(nèi)事先預(yù)留的調(diào)試電路進(jìn)行調(diào)試。也就是說(shuō)通過(guò)實(shí)際使用的單片機(jī)來(lái)進(jìn)行調(diào)試。和ICE相比，J-TAG仿真器的價(jià)格較低。瑞薩將其命名為“On-chip Debug Emulator”并向市場(chǎng)提供。

簡(jiǎn)易仿真器：簡(jiǎn)易仿真器是使調(diào)試用的監(jiān)視程序在單片機(jī)上運(yùn)行，在與PC通信的同時(shí)進(jìn)行調(diào)試。除了調(diào)試對(duì)象的程序之外，還需啟動(dòng)其他監(jiān)視程序，所以，與ICE或J-TAG仿真器相比，簡(jiǎn)易仿真器的程序運(yùn)行速度慢而且還有各種功能限制。其最大的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格非常低廉。

綜合開(kāi)發(fā)環(huán)境

正如上面所講的，在進(jìn)行單片機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，使用了上述的編譯器、連接編輯程序、調(diào)試器等各種工具。以前，這些軟件都是作為單個(gè)軟件分別提供的，一般是通過(guò)命令提示符調(diào)出各個(gè)程序、或是通過(guò)批處理程序調(diào)出使用。但是，最近開(kāi)始以綜合開(kāi)發(fā)環(huán)境的方式給予提供，綜合開(kāi)發(fā)環(huán)境就是將各種程序綜合到一個(gè)程序包中，只需通過(guò)Renesas CS+ 等便可很容易地將程序調(diào)出使用。

例如，瑞薩針對(duì)RL78族產(chǎn)品提供了“簡(jiǎn)單”“快速”“安心”的“CS+”的綜合開(kāi)發(fā)環(huán)境。在綜合開(kāi)發(fā)環(huán)境中，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單操作便可利用各種功能，因此，綜合開(kāi)發(fā)環(huán)境最適合用來(lái)提高軟件開(kāi)發(fā)的效率。

* 在2014年10月1日發(fā)布， 瑞薩電子集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CubeSuite+的產(chǎn)品名稱(chēng)已經(jīng)從V3.00.00版本中改為“C++”。