單片機的編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境

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

　　CPU懂的機器語(yǔ)言

　　單片機的CPU從存儲器讀取程序，但是一次只能讀取一條指令，然后解釋每條指令，并執行。存儲器中保存的內容，不管是程序還是數據，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，而數據二進(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、減運算等指令。這些像密碼一樣排列的“0”和“1”字符串就是機器語(yǔ)言。比如圖1左邊顯示的就是一個(gè)機器語(yǔ)言指令，意思是“將2放入寄存器A（寄存器是CPU內部的儲存區域）。

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

　　CPU只能理解如上所述的機器語(yǔ)言。因此，為了使CPU運行，就必須使用機器語(yǔ)言的程序。但是，機器語(yǔ)言不易為人們識別和讀寫(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：機器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的比較

　　雖然匯編語(yǔ)言比機器語(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)與機器語(yǔ)言有著(zhù)密不可分關(guān)系的匯編語(yǔ)言，工作量比較大。（以上例子中的機器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言均為瑞薩的RL78族單片機中的語(yǔ)言。）

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

　　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)為目標文件格式。如果目標文件格式最終沒(méi)有被配置到存儲器中，CPU就無(wú)法執行該程序。

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

　　能夠找出程序錯誤的調試器

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

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

　　J-TAG仿真器：J-TAG仿真器使用單片機內事先預留的調試電路進(jìn)行調試。也就是說(shuō)通過(guò)實(shí)際使用的單片機來(lái)進(jìn)行調試。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)易仿真器是使調試用的監視程序在單片機上運行，在與PC通信的同時(shí)進(jìn)行調試。除了調試對象的程序之外，還需啟動(dòng)其他監視程序，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)命令提示符調出各個(gè)程序、或是通過(guò)批處理程序調出使用。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出使用。

　　例如，瑞薩針對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++”。