8 Programacion en C Para Sistemas Embebidos

Programación en “C” para Sistemas Embebidos

Aplicado sobre la Plataforma de diseño Codewarrior

Cátedra de Circuitos Digitales y Microprocesadores – Curso 2012

12/11/2012 1Cátedra de CDM – Facultad de Ingiería

UNLP

Programación en “C” para Sistemas Embebidos

• Segunda parte de Introducción a C

• Programación Eficiente para sistemas Embebidos

• Descripción de codewarrior

• Interrupciones aplicadas sobre Codewarrior

• Inclusión de funciones en C y en Assembler

• Ejemplos


UNLP

Segunda parte de Introducción a C

Typedef, funciones recursivas, Gestion Dinámica de memoria


UNLP

Segunda parte de Introducción a CTypedef

• sirve para la creación de nuevos nombres de tipos de datos

• El usuario puede definir tipos de variables propios no incorporados en el lenguaje

• Se definen a partir de tipos de datos existentes


UNLP

Segunda parte de Introducción a CTypedef

#define MAX_NOM 30#define MAX_ALUMNOS 400struct s_alumno { // se define la estructura s_alumnochar nombre[MAX_NOM];short edad;};typedef struct s_alumno ALUMNO; // ALUMNO es un nuevo tipo de variabletypedef struct s_alumno *ALUMNOPTR;struct clase {ALUMNO alumnos[MAX_ALUMNOS];char nom_profesor[MAX_NOM];};typedef struct clase CLASE;typedef struct clase *CLASEPTR;//se crearon cuatro palabras reservadas para tipos; alumno, alumpoptr, clase,

claseptr


UNLP

Segunda parte de Introducción a CFunciones Recursivas

La recursividad es la posibilidad de que una función se llame a sí misma, bien directa o indirectamente.

La función factorial, escrita de forma recursiva, sería como sigue:unsigned long factorial(unsigned long numero)

{

if ( numero == 1 || numero == 0 )

return 1;

else

return numero*factorial(numero-1);

}

12/11/2012Cátedra de CDM – Facultad de Ingiería

UNLP6

Segunda parte de Introducción a CGestión Dinámica de Memoria

• la reserva o asignación de memoria para vectoresy matrices se hace de forma automática con ladeclaración de dichas variables

• Es muy útil el poder reservar más o menosmemoria en tiempo de ejecución, A esto se llamareserva o gestión dinámica de memoria

• Existen 2 funciones que reservan memoria en tiempo de ejecución, malloc() y calloc(), y sus declaraciones están en la librería stdlib.h


UNLP7


• La función malloc() busca en la memoria el espacio requerido, lo reserva y devuelve un puntero al primer elemento de la zona reservada.

• La función calloc() necesita dos argumentos: el nº de celdas de memoria deseadas y el tamaño en bytes de cada celda. se devuelve un puntero a la primera celda de memoria.

• Existe también una función llamada free() que deja libre la memoria reservada por malloc() o calloc() y que ya no se va a utilizar.


UNLP8


producto de matriz por vector {y}=[a]{x}

// declaracionesdouble **a, *x, *y;void prod(int , double **, double *, double *);...// reserva de memoria para la matriz aa = calloc(N, sizeof(double *));for (i=0; i<N; i++)a[i]=calloc(N, sizeof(double));...// reserva de memoria para los vectores x e yx = calloc(N, sizeof(double);y = calloc(N, sizeof(double);...prod(N, a, x, y);...// definicion de la funcion prod()void prod(int N, double **mat, double *x, double *y){...}


UNLP9


Matriz definida como vectores de punteros

// declaracionesdouble **a, *x, *y;void prod(int , double **, double *, double *);...// reserva de memoria para el vector de punteros a[]a = calloc(N, sizeof(double *));// reserva de memoria para toda la matriz a[][]a[0] = calloc(N*N, sizeof(double));// asignación de valor para los elementos del vector de punteros a[]for (i=1; i<N; i++)a[i] = a[i-1]+N;// el resto del programa sería idéntico...


UNLP10

Referencias

• [1] Javier Garcia de La Fuente, José Ignacio Rodriguez Garrido, “Aprenda Lenguaje C como si estuviera Primero”, Universidad de Navarra, 1998


UNLP11

Programación C Eficiente para Sistemas Embebidos

Aspectos a tener en cuenta al realizar un programa en C orientado a Microcontroladores de 8 bits


UNLP

Programación C EficienteTipos de Datos

• Los tipos de datos “int” y “long int” deben ser usados,solo donde se requiere, por el tamaño de datos a serrepresentado

• Las operaciones de doble precisión y punto flotanteson ineficientes y deben ser evitadas donde laeficiencia es importante

• para el tipo ‘char el signo debe ser definidoexplícitamente: ‘unsigned char’ o ‘signed char’

• Es buena práctica crear definiciones de tipos paraestos tipos de datos en un encabezado de archivo quese incluye en todos los otros archivos.


UNLP

Programación C EficienteTipos de Datos

Se pueden crear definiciones de datos como sigue:

typedef unsigned char UINT8;

typedef signed char SINT8;

typedef unsigned int UINT16;

typedef int SINT16;

typedef unsigned long int UINT32;

typedef long int SINT32;


UNLP

Programación C EficienteVariables Locales Vs Variables Globales

• Las variables globales son accesibles por cualquier parte delprograma y son almacenadas permanentemente en RAM

• Las variables locales son accesibles sólo por la función dentrode la cual son declaradas y son almacenadas en la pila.

• Para acceder a las variables locales el compilador puede usarel modo de direccionamiento del puntero de pila.

• La memoria ocupada por una variable global no puede serreusada por cualquier otra variable

• El uso de variables globales generalmente no resultasignificativamente más eficiente en código que las variableslocales.

• Los datos variables globales podrían ser corrompidos si unaparte de la variable proviene de un valor y el resto de lavariable proviene de otro valor.


UNLP

Programación C EficienteVariables de Página Directa

• La parte inferior de la página directa siempre contienelos registros I/O y de control

• la parte superior de la página directa siempre contieneRAM.

• Algunas instrucciones altamente eficientes sólosurtirán efecto con operandos de la página directa.

• Ej: BSET, BCLR, BRSET y BRCLR.• Muchos I/O y registros de control están ubicados en la

página directa y ellos deberán estar declarados comosigue.#define PortA (*((volatile UINT8 *)(0x0000)))#define PortB (*((volatile UINT8 *)(0x0001)))


UNLP

Programación C EficienteBucles

• Si un bucle debe ser ejecutado menos de 255 veces, seusa 'unsigned char'

• Si el bucle debe ser ejecutado más que 255 veces, se usa'unsigned int‘

• Es más eficiente el contador para decrementar ycomparar con cero que para incrementar y comparar conun valor distinto de cero

• Esta optimización no es efectiva si el bucle debe serejecutado con el bucle contador igual a cero, comocuando el bucle contador se usa para indexar un arreglode elementos y se debe acceder al primer elemento.

• Cuando un bucle se ejecuta un número fijo de veces yaquel número es pequeño, se recomienda no usar bucle.


UNLP

Programación C EficienteEstructuras de Datos

• En C es fácil crear estructuras de datos complejas, por ejemploun arreglo de estructuras, donde cada estructura contiene unnúmero de tipos de datos diferentes.

• Esto producirá código complejo y lento en un microcontroladorde 8 bits que tiene un número limitado de registros de CPU parausar por indexado.

• Cada nivel de referencia resultará en una multiplicación delnúmero de elementos por el tamaño del elemento, con elresultado probablemente puesto encima de la pila en orden,para hacer el siguiente cálculo.

• Las estructuras deberán ser evitadas donde sea posible y lasestructuras de datos mantenerse simples.

• Si las estructuras son inevitables, entonces no deberán hacersepasar como un argumento de función.


UNLP

Programación C EficienteEjemplos

Los siguientes ejemplos están basados en las siguientes definiciones de tipos:

typedef unsigned char UINT8;

typedef signed char SINT8;

typedef unsigned int UINT16;

typedef int SINT16;


UNLP

Programación C EficienteEjemplo de Paginado directo

Código C Código Ensamblador Bytes Ciclos

#define PORTA (*((volatile UINT8 *)(0x0000)))#define CMCR0 (*((volatile UINT8 *)(0x0500)))

voidregister1(void){CMCR0 &= ~0x01; /* clr bit1 */PORTA |= 0x03; /* set b1,2 */PORTA &= ~0x02; /* clr bit2 */}

LDHX #0x0500LDA ,XAND #0xFESTA ,XLDA 0x00ORA #0x03STA 0x00BSET 0,0x00RTS

312122221

322232344


UNLP

Programación C EficienteEjemplo - uso inapropiado de índice i

Código C Código Ensamblador

Código Ensamblador

Bytes Bytes Ciclos Ciclos

UINT8 buffer[4];

voiddatacopy1(UINT8 * dataPtr){int i;for (i = 0; i < 4; i++){buffer[i] = dataPtr[i];}}

PSHAPSHXAIS #-2TSXCLR 1,XCLR ,XTSXLDA 3,XADD 1,XPSHALDA ,XADC 2,XPSHAPULHPULXLDA ,XTSX

LDX ,XPSHXLDX 3,SPPULHSTA buffer,XTSXINC 1,XBNE *1INC ,XLDA ,XPSHALDX 1,XPULHCPHX #0x0004BLT *-39AIS #4RTS

11212112211211111

11313122111213221

22223223322322222

22424243322323324


UNLP

Programación C EficienteEjemplo - uso apropiado de índice i

Código C Código Ensamblador

Código Ensamblador

Bytes Bytes Ciclos Ciclos

UINT8 buffer[4];

voiddatacopy2(UINT8 * dataPtr){UINT8 i;for (i = 0; i < 4; i++){buffer[i] = dataPtr[i];}}//103 ciclos menos//17 bytes menos

PSHAPSHXPSHHTSXCLR ,XLDA ,XADD 2,XPSHACLRAADC 1,XPSHAPULHPULX

LDX ,XTXATSXLDX ,XCLRHSTA buffer,XTSXINC ,XLDA ,XCMP #0x04BCS *-25AIS #3RTS

1111112112111

1111131112221

2222223213222

2122142322324


UNLP

Programación C EficienteEjemplo – copia de datos sin bucle


UINT8 buffer[4];

voiddatacopy3(UINT8 * dataPtr){buffer[0] = dataPtr[0];buffer[1] = dataPtr[1];buffer[2] = dataPtr[2];buffer[3] = dataPtr[3];}//10 bytes menos de ROM //144 ciclos menos de CPU

PSHXPULHTAXLDA ,XSTA bufferLDA 1,XSTA buffer:0x1LDA 2,XSTA buffer:0x2LDA 3,XSTA buffer:0x3RTS

111132323231

221243434344


UNLP

Programación C EficienteEjemplo –bucle con decremento


Void

loop1(void)

{

UINT8 i;

for(i=4; i!=0; i--)

{

/* code */

}

}

//2 bytes menos de ROM por iteración//9 ciclos de CPU por iteración

PSHH

LDA #0x04

TSX

STA ,X

TSX

DBNZ ,X,*-offset

PULH

RTS

1

2

1

1

1

2

1

1

2

2

2

2

2

4

2

4


UNLP

Programación C EficienteReferencias

[1] Stuart Robb, “Creating Efficient C Code for theMC68HC08”, Nota de Aplicación, East Kilbride, Scotland, 2000.

*2+ “Embedded C Development tools, ” http://www.imagecraft.com, 1994.

*3+Reference Manual: “Software ICCHCxx”, ImageCraftCreations Inc.,2000.

*4+ “Ing. Gabriel Dubatti”, http://www.ingdubatti.com.ar, 2007


UNLP25

Programación en C Estructurada

Portabilidad del código


UNLP26

Ventajas de programar en C

Posee las ventajas del diseño "Top-Down":

- Enfoque orientado a la problemática (No es necesario que el desarrollador conozca el funcionamiento interno del sistema).

- Tiempos de desarrollo reducidos.

- Se simplifica la detección de errores.

- Facilita el seguimiento del desarrollo


UNLP27

Objetivos de la Programación en C

• Fácil de entender

• Fácil de depurar

• Fácil de verificar

• Fácil de mantener

Regla de Oro: “Escribe software para otros como te gustaría que lo escriban para vos.”


UNLP28

Diseño de Código Reusable

• Código Documentado

• Abstracción

• Modularidad

• Software en capas


UNLP29

Código documentado

• Comentar el código sirve para entender programas escritos con mucha anterioridad

• Sirve para que otro pueda modificar nuestro código

• Existen software que en base al código te realizan comentarios automáticamente.


UNLP30

Código documentado

En el Mantenimiento de software se requiere:

• Corrección de errores,

• Nuevas características,

• Optimizaciones de velocidad de ejecución o uso de memoria,

• Migración hacia otro hardware,

• Adaptación a distintas situaciones.


UNLP31

Código Documentado• Error Común:• X = X + 4; /* sumo 4 a X */• Flag = 0; /* pongo flag en cero */

Comentar cada línea del programa impide leer lafunción real que cumple el código

• X = X + 4; /* Se suman 4 (mV) para corregir el offset del transductor */

• Flag = 0; /* Significa que no se presiono ninguna tecla*/


UNLP32

Niveles de Abstracción


UNLP33

MODULARIDAD

• Razones:

• Abstracción funcional: Permite reutilizar módulosde software desde múltiples lugares

• Abstracción en complejidad: Dividir un sistemacomplejo en componentes pequeños y simples.

• Portabilidad: Permite programar un mismocódigo em diferentes plataformas de HW .


UNLP34

Programación en capas o niveles

Reglas:• Un módulo puede hacer una llamada a otro modulo en la

misma capa

• Un módulo puede llamar a un módulo de una capa inferiorsolo utilizando la API

• Un módulo no puede acceder directamente a ningunafunción o variable en otra capa (sin utilizar la API)

• Un módulo no puede llamar a una rutina de mayor nivel.

Nora: API (application program interface)


UNLP35

Programación en capas o niveles


UNLP36

Descripción del software codewarrior

Herramienta de programación en C, Simulación y Debugger para sistemas

Embebidos de la Firma Freescale


UNLP

Codewarrior

Características

• Entorno de desarrollo integrado

• Destinado a Controladores de señales digitalesde Freescale

• Programación en C o Assembler


UNLP

CodewarriorVentana de inicio

•Crear proyecto

•Abrir un proyecto existente

•Ejecutar ejemplos

•Usar el IDE


UNLP

Codewarrior – Dialogo de EntradaLa opción FILE->STARTUP DIALOG permite al usuario seleccionar, el tipo de proyecto, el dispositivo, el nombre y su ubicación.12/11/2012 40

Cátedra de CDM – Facultad de Ingiería UNLP

CodewarriorNuevo Proyecto


UNLP

CodewarriorLenguaje de Programación

El IDE de CWsoporta tres tiposde lenguajes:Assembly, C y C++también es posiblehacer la mezcla deellos en el mismoproyecto

La opción de C++ está habilitada en la versión

profesional


UNLP

CodewarriorCreación de un Proyecto


UNLP

CodewarriorVentana de Proyecto


UNLP

Codewarrior – Ventana de Proyecto

La ventana de proyecto contiene una lista de archivos pertenecientes al proyecto.

MCUinit.c es un archivo automáticamente generado por el IDE y contiene toda la secuencia de inicialización de la CPU


UNLP

CodewarriorVentana de Proyecto


UNLP

CodewarriorAgregar Archivos Fuente

Los archivos fuentede un proyecto sedeben agregar en lacarpeta sources


UNLP

CodewarriorInicialización del Dispositivo


UNLP



UNLP49



UNLP50



UNLP

CodewarriorCódigo Inicial de un Proyecto


UNLP

CodewarriorProyecto compilado


UNLP

CodewarriorDepurado de Proyecto

Para depurar unaaplicación lo quetenemos que haceres apretar el iconode depurado en laventana deproyecto.

Esta ventana solo seabrirá si no hayerrores


UNLP

CodewarriorReferencias

*1+ “Ing. Gabriel Dubatti”, http://www.ingdubatti.com.ar, 2007

*2+ User Guide: “PROCESSOR EXPERT FOR MOTOROLA HC(S)08 FAMILY” Codewarrior V 1.4 may,2004

[3] CodeWarrior™ Development Studio IDE 5.5 User’s Guide, Metrowerks corporation, 2003


UNLP55

Definición de interrupciones aplicadas sobre codewarrior

Forma rápida de habilitarlas


UNLP

Interrupciones en C

El empleo de ISR (Interrupt Service Routine, oRutina de Servicio de Interrupciones) es habitualen los programas con micros. Pueden emplearsepara responder a una interrupción externa, unainterrupción del timer o del conversor A/D.

Codewarrior provee dos mecanismos para escribirISRs:

• Usando la directiva #pragma TRAP_PROC y elarchivo de parametros del Linker

• Usando la instrucción interrupt


UNLP

Interrupciones en CLa instrucción interrupt

• Es una instrucción especial de codewarrior

• Debe usarse como si fuera un calificador de tipopero seguida de un número que especifica laentrada en la tabla de vectores de interrupción


UNLP

Interrupciones en CLa instrucción interrupt

Ejemplo:

interrupt 17 void Mi_ISR();

//Instala Mi_ISR en la entrada 17

//de la tabla de vectores,

//correspondiente al Timebase Module.

//Con esta modificación, el

//código de ejemplo quedaría

//de la siguiente forma:

#define TBON 2

#define TACK 8 //Ack del TBCR

#define ENABLE_INT {asm cli;}

#define DISABLE_INT {asm sei;}

interrupt 17 void Mi_ISR(void) { TBCR |= TACK; // Acknowledge IntPTA ^= 0x80; }//***************************// void main (void) { CONFIG1 = 1; //Parar COP DDRA = 0xFF; //PTA todo salida TBCR = 0x04; //Timebase divide por 8192 ENABLE_INT //Habilitar interrupciones TBCR |= TBON; //Prender el Timebasewhile (1) { //Hacer nada } }


UNLP

Interrupciones en CReferencias

Referencias

• MC68HC908GP32 Technical Data (Motorola)

• Motorola HC08 Compiler (Metrowerks)

• Manual Smart Linker (Metrowerks)


UNLP

Inclusión de funciones en “C” y en Assembler

Inclusión de instrucciones, variables y funciones en Assembler sobre código C.

Inclusión de Variables en C sobre código Assembler


UNLP

Inclusión de Subrutinas en Assembler sobre un Programa en C

Se pretende mostrar de que manera el Software Codewarrior permite agregar

subrutinas e instrucciones en AssemblerSobre un programa en C


UNLP62

Inclusión de Subrutinas en Assembleren un Programa en C

Acceso de Variables Assembler desde un Archivo C

Las Variables en Assembler se deben exportar usando la directiva XDEF para ser Visibles desde otros Módulos. Se recomienda usar un archivo Header por cada archivo en assembler.

Ejemplo:XDEF ASMData, ASMConst

Datasec: SECTIONASMData: DS.W 1 ; definición de una variableConstSec: SECTIONASMConst: DC.W $44A6 ;definición de una constante


UNLP


Acceso de Variables Assembler desde un Archivo C

La declaración externa de una variable o constante se hacer en el Archivo Header como se muestra a continuación:

/*declaración externa de una variable*/Extern int ASMData;/*declaración externa de una constante*/Extern const int ASMConst;

Las Variables o constantes se podrán usar mediante sus nombres:

ASMData = ASMConst + 3;


UNLP


Acceso de rutinas en Assembler desde un Archivo CUna Función mixasm.asm en assembler se puede llamar desde un

archivo en C. Archivo Assembler:

XREF CDataXDEF AddVarXDEF ASMData

DataSec: SECTIONASMData: DS.B 1CodeSec: SECTIONAddVar:

ADD CData ; suma Cdata al acumuladorSTA ASMData ; guarda el resultado en ASMDataRTS


UNLP


Acceso de rutinas en Assembler desde un Archivo C

La interfaz al archivo con la rutina en Assembler se hace desde un Archivo mixasm.h como sigue:

/*mixasm.h*/

#ifndef _MIXASM_H_

#define _MIXASM_H_

Void AddVar(unsigned char value);

//Funcion que suma el valor del parametro a Cdata

// y almacena el resultado en ASMData

/*Variable que recibe el resultado de AddVar */

Extern char ASMData;

#endif /* _MIXASM_H_ */


UNLP


Acceso de rutinas en Assembler desde un Archivo C

A continuación se muestra como un archivo C “mixc.c” llama a la función en Assembler AddVar().

Static int error =0;Const unsigned char Cdata = 12;#include “mixasm.h”

Void main (void) {AddVar(10);

if(ASMData != Cdata +10) {error=1; }

else {error=0;

}For(;;); // el for se ejecuta siempre}


UNLP

Inclusión de Variables en C desde un Archivo en Assembler

Muchas Veces es necesario utilizar una variable definida en C en un

archivo Asembler


UNLP68

Inclusión de Variables en C desde un Archivo en Assembler

Acceso de Variables C desde un Archivo Assembler

Las Variables en C se debe definir como sigue:Unsigned int CData; /*definición de una variable*/Unsigned const int Cconst; /*definición de una constante*/

La declaración externa de la variable o constante se debe agregar en un archivo separado, para luego incluirlo en el archivo Assembler, o en el archivo Assembler directamente:

XREF Cdata; declaración externa de una variableXREF CConst; declaración externa de una constante

Luego se puede acceder a las variables o constantes usando sus nombres:

LDA Cconst;………………LDA CData


UNLP

Referencias

[1] CodeWarrior™ Development Studio IDE 5.5 User’s Guide, Metrowerks corporation, 2003


UNLP70

8 Programacion en C Para Sistemas Embebidos

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