Freescale+HC08+MCU集成开发环境的设计 - 单片机/处理器 - 电子

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<strong>1 引言</strong>

Freescale(其前身为Motorola半导体部)公司推出的系列MCU，具有单一电源供电、支持在线编程的内部Flash。在线写入、读出稳定，为研制新型嵌入式应用开发工具提供了技术基础。Freescale公司的MCU应用非常广泛，销量已多年名列前茅，其中HC08系列MCU，功耗低、运用灵活．占销量中的重要部分。开发廉价且实用的Freescale HC08系列MCU的编程调试开发工具对该系列MCU在我国的推广应用具有重要价值。目前市面上能支持HC08的集成开发环境(IDE)．除了CodeWarrior，虽对HC08系列MCU都支持。但系统庞大，功能复杂。价格贵，另外一些高校如清华、复旦等，只能支持某几款芯片，对于有200多款的HC08 MCU，较大局限，使用不便，不利于应用开发，更不便于教学实践。

本实验室从1999年开始研制集成开发环境．在分析了各种嵌入式系统集成开发系统后．推出了一种新型的HC08MCU通用型的集成开发环境．每年不断进行改进升级．现已基本成型。本IDE具有结构清晰、操作简洁的特点．集成了程序编辑、编译、下载、联机调试、硬件评估等功能，有较好的实用前景。在阐述本IDE的设计基础上，本文简要分析了IDE的Pc方软件主要技术要点和简单介绍了本IDE配套的硬件系统的基本结构。

<strong>2 设计思路与技术优势</strong>

对HC08系列MCU。进行深入的研究。经过长期的实践与探索，研制了新型的嵌入式应用系统的集成开发环境。软件分两大部分：PC方软件和MCU方软件，配套硬件分三大部分：PC机、写入器(也称调试器或编程器)和实验箱(或评估板或嵌入式产品)。

1) IDE主要设计思路是：

(1)PC方软件提供程序管理、编辑、编译、下载、联机调试等功能，源程序经过编辑和编译成S19目标文件后．通过USB接口与写入器中的MCU(称主控MCU)方软件通信．将该目标文件发给主控MCU，然后写人器又与实验箱MCU(称目标MCU)芯片串行通信，将该目标文件写入目标MCU芯片的FIash中。成功后可以试运行。检验目标MCU中的程序能否正常运行．否则联机调试该程序。

(2)HC08系列MCU间资源差异较大，进入监控的支撑电路有差别，为了设计适用于不同MCU的通用IDE，解决这些问题是关键，具体方法参考文献，即MCU间资源差异的问题是通过PC机中的数据库保存其差异而得到解决。进入监控的支撑电路问题是通过在PC机和目标MCU间加一个主控MCU而得到解决从而为实现通用的IDE奠定基础。

(3)作为以MC908GP32(旧称MC68HC908GP32)MCU为蓝本进行“单片机原理与嵌入式应用”教学的实验箱配套软件，实验箱提供了基本实验所需的接线端口．还提供了扩展实验的接线排孔。运用本开发环境根据实验项目开发软件要求．可完成所有基于MC908GP32 MCU的接口实验。对于Freescale该系列其他MCU。可通过置换核心板(MCU与其支撑电路构成的)，而达到更换HC08 MCU的目的，便于进行其他MCU的实验。

2) 本开发环境与传统的仿真器相比具有如下技术优势：

(1)传统仿真器的“仿真系统”一般是使用软件仿真的技术，在宿主机上通过软件的方式实现目标机的功能。这种方式虽可以模拟大部分目标机的功能。但是这种方式并非是真正的目标系统．往往在此基础上开发出来的程序．一旦移到目标系统上运行．却会出现一些在仿真软件中无法遇到的问题。而本开发环境是基于硬件之上的，对目标系统可以达到完美的模拟，即在本开发环境上开发出来的程序在移到目标系统上时，由于硬件基础相同．因此不会发生任何兼容性问题。

(2)与传统仿真器相比，提供的调试功能为在线调试方式，操作界面为Windows界面，操作犹如调试纯软件，方法简洁。

<strong>3 集成开发环境的设计</strong>

为方便开发和调试嵌入式系统，设计了基于C编译的HC08 MCU集成开发环境．软件总体分两大部分：PC方软件与MCU方软件．PC方软件可分为脱机编辑编译和联机下载调试两部分。MCU方软件设计请参考文献。

PC方软件采用标准的Win32界面．利用Visual C++MFC编写．主界面设计如图1所示，其中左边为工程管理窗口，右边为代码编辑窗口．下面为编译输出及调试窗口。


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图1 集成开发环境主界面

本IDE的主要设计功能和技术特点如下：

(1)标准的Win32视窗界面，充分体现Windows平台的特性。具有安装方便、操作简洁等特点。并配置内容丰富的帮助系统，帮助用户快速入门，学习HC08 MCU的编程方法。

(2)工程管理。工程管理分别对c文件和头文件两种源文件进行管理．对汇编也支持．在主界面上以文件树的形式呈现。工程属性根据编程要求而设置，通过“编译设置”对话框进行，它包括MCU类型、Flash区程序的起始地址、RAM起始地址和终止地址、堆栈起始地址等设置。工程管理的主要功能是管理源程序文件和生成编译器所需的文件。在保存T程的同时后台生成了该工程的make file文件(包含编译选项和工程属性)、src文件(包含工程中使用到的文件和资源)。

(3)下载程序。下载程序是将生成的目标机器码写入目标MCU中的．包括通信模块和S19文件分析模块两部分。通信模块负责实现PC机与主控MCU的USB通信。发送命令、参数和程序代码等，和主控MCU一起对目标MCU完成相应的擦除、写入和调试等操作功能。S19文件分析模块负责先对S19文件进行分析和打包．将文件的内容转换成便于传输的格式，并判断文件中程序的起始地址、页数以及是否越界等．然后进行发送通信。

(4)调试器以及寄存器查看器和内存变量查看器。写入器也兼有调试功能．所以也称调试器。调试的功能设计是参照通用IDE的调试方法而设计的，进入调试模式(即监控模式)，可以单步调试或断点调试。调试时可以通过寄存器查看器和内存变量查看器观察目标MCU运行的当前值，以便发现程序问题所在．实现在线调试功能。

<strong>4 技术设计要点</strong>

在系统的开发设计过程中，遇到许多的问题。下面把主要问题的一些处理方法作简要分析说明，供大家借鉴。限于篇幅．HC08系列MCU的调试器通用性设计具体见文献。

4．1中文和语法高亮的实现

语法高亮在集成开发系统的代码编写过程中是主要的问题之一。已有的一些控件虽然语法高亮功能比较全，但是对中文支持不是很好．最突出的就是半个汉字问题(在选择和删除字符的时候汉字当两个字符处理，一次只能删除半个，会出现乱码)。使用MFC的RichEdit控件虽可以解决中文问题，但又没有语法高亮的功能，为此，就以RichEdit为基类编写了语法高亮类，才解决语法高亮和中文的显示问题。其主要编程的思路是：通过捕获用户键盘输入的事件．判断用户输入的单词是否为c语言中的关键字．如果是，则改变其颜色。

4．2 GNU编译器的整合

本系统使用的是由GNU移植的HC08编译器，该软件不仅是开源、免费的。而且执行效率高，功能强，对c代码具有优化的功能。但是唯一的问题是。该编译器是Win32控制台程序，输出的编译信息都是在不同控制台下的．不易整合在一个IDE中。更甚的是编译器的输出信息都是非标准的输出流，无法使用ShellExecute函数捕获，也无法输出到管道文件中。为了解决该问题参考了一些国内外的资料，受此启发。采用CreateThread的方法，也就是创建子线程的办法，通过线程的管道，将编译输出信息捕获．并显示在窗口中。同时在此基础上也实现了从编译错误信息跳转到源代码的功能。

4．3 PC机与写入器的USB通信设计

写入器和PC机建立USB通信除了MCU与PC的通信程序设计外．PC方必须要有相应的驱动程序。本设计使用的USB开发包USBIO_EL是由德国Thesycon Systemsoftware&Consulting GmbH公司提供的免费软件，该开发包提供的功能是限制版本的USB驱动程序usbio_el．sys和USB动态链接库usbiocom．dll文件。usbio_el.sys 的限制部分为：厂商ID只能为0x0C70．仅支持一个中断IN端点和中断OUT端点，支持的端点缓冲区大小最大为8字节。而本设计写入器中使用的MC68HC908JB8芯片的USB模块恰好满足限制版本的条件，故可使用该驱动程序；usbiocom．dll可以直接加载至程序中，使用其中的类；表1为本设计中所用到的该库中的类及函数的说明。可以调用这些类及其函数实现建立连接、发送数据和接收数据的程序功能，从而实现指令的通信以及程序代码的传输。

表1本设计中使用到的USB库的类及函数说明

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4．4 C语言程序调试功能的设计

调试功能实现对汇编和c语言的源码级在线调试。两者实现过程大体相似，但C语言调试的实现相对复杂。在此只针对C程序进行说明。

汇编程序和C程序在编译后都会产生调试信息文件(后缀名为．dbg)。dbg文件包含有相应的信息以供调试时使用。该文件详细记录了调试所需要的行号与存储地址等信息．包括文件首地址、函数的首末地址、每行源代码的行号和首地址、局部变量以及全局变量的名称地址类型等，如图2所示。对C语言程序的调试主要是基于对该调试信息文件的调用和判断。调试动作的设计首先是“设置断点”，接着点击“开始调试”，进入调试模式．然后选择“单步步入(Step Into)”、“单步步过(Step Over)”或“执行”至下一断点处等调试操作根据程序运行或变量的值判断调试。

下面分别阐述设计思路。

(1)设置断点

如在文件main．c中选择所需中断的一代码行．假设选择第33行，点击菜单“调试”一>“设置断点”，则在调试文件．dbg文件中找到“FILE main．c"行下的“LINE 33 8096”(如图2的双下划线)， 该LINE后的33(十进制)等于当前设置断点的行号33，然后提取该“LINE”行中的8096(十六进制．本语句的首地址)，作为当前的断点地址。则在界面上显示当前所选择断点的代码行呈红色高亮显示。否则所选择的不是代码行。


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图2 dbg文件结构

(2)开始调试

设置断点后。点击菜单“调试" -> “开始调试”，程序运行至断点地址处．产生断点中断．则返回目标MCU运行的有关信息至PC机，在IDE界面中当前断点行呈蓝色高亮显示，在寄存器跟踪窗口和变量跟踪窗口中显示目标MCU中相应的值。接着选择不同的调试操作继续进行．如“单步步入”("单步步过"或“执行”至下一断点的设计思路与之类似)。

(3)单步步入

“单步步入”即从当前断点处按程序执行的流程一条一条语句的运行调试。设计调试的方法是．从程序“开始调试”运行至断点起，点击“单步步入”，程序先计算下一个断点地址。从断点开始．MCU的断点模块自动将当前断点地址加1．作为下一个断点地址．但C语言一条语句编译后往往不止一条汇编语句，可能几十条．甚至几百条．如此计算．则加1还不是下一条C语句的首地址。这时须将返回的PC寄存器值继续加1。直至下一条C语句首地址．即PC寄存器里的值等于下一条C语句对应的首地址，这样一次“单步步人”完成。若需继续执行，则再点击“单步步入”命令。

<strong>5 实验硬件系统</strong>

为了配合本IDE，根据HC08系列MCU电气特征、功能，设计了一个通用的实验硬件系统，方便了实验教学，方便了嵌入式系统的开发和测试。

实验硬件系统的实物结构如图3所示。


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图3 HC08嵌入式实验硬件系统

硬件系统主要由以下几部分构成：①MC908GP32和支撑电路构成核心板(更换MCU只要更换该板即可)。本系统为其提供的支撑电路主要由5v电源、晶振电路和PLL电路构成。其中晶振电路采用了一个32．768KHz的晶振为MCU提供振荡信号，PLL电路是主要由电容和滤波网络构成的负反馈环路，使频率稳定地提高至2．4576MHz。②串行通信(SCI)电路。早期的电平转换集成电路由MC1488、MC1489构成．但需另配12V供电，使接线繁琐。本系统采用目前较多用的MAX232将MCU的TTL电平转换为标准的RS-232电平，它仅需共用5V供电实现电平转换。③外围接口和元件。为了给用户提供足够的接口，充分考虑不同用户和开发者的需要．本系统提供2个标准9芯串口、LCD接口、键盘接口、8组指示灯和开关、电位器、蜂鸣器、模拟量接口、继电器以及各种通信口等，不仅满足MCU的教学，也满足MCU开发评估及测试的需要。④IC插线和扩展槽。本系统还具有一定的可扩展性，通过提供的Ic插线和扩展槽，用户可自行扩展其它的IC和设备。

<strong>6 结束语</strong>

以上所阐述的Freescale HC08 MCU集成开发环境设计思路．以及技术要点．对于开发者，具有一定的启发和借鉴作用。本系统的推出．有力地解决了国内开发Freescale HC08嵌入式应用系统主要依赖国外开发平台的现状。经过几年的研制和推广应用．配合Freescale公司的大学计划已经获得较好的应用效果。

本文作者创新点：

(1)编译器的整合以及中文和语法高亮的实现解决一个WindOWS平台中难实现的问题；
(2)充分利用免费开发包实现了PC方USB的驱动；
(3)调试文件的利用解决了MCU方程序调试的问题。


作者：曹金华，刘晓升，王宜怀  来源：《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第9-2期