单片机入门 (3) 单片机的编程语言和开发环境

单片机

本连载讲解作为嵌入式系统开发技术人员所必需具备的基础知识。这些基础知识是硬件和软件技术人员都应该掌握的共通技术知识。

在“单片机入门①”和“单片机入门②”中，我们学习了单片机硬件方面的知识。本期我们将学习开发环境和编程语言吧。

CPU懂的机器语言

单片机的CPU从存储器读取程序，但是一次只能读取一条指令，然后解释每条指令，并执行。存储器中保存的内容，不管是程序还是数据，都是二进制代码“0”和“1”组成的字符串。指令二进制代码告诉CPU要做什么，而数据二进制代码则是CPU操作或处理指令时要使用的值。CPU的操作包含加、减运算等指令。这些像密码一样排列的“0”和“1”字符串就是机器语言。比如图1左边显示的就是一个机器语言指令，意思是“将2放入寄存器A（寄存器是CPU内部的储存区域）。

CPU总是按存储器地址的顺序读取指令代码，除非遇到跳跃指令。例如，如果复位后的地址是0000，则从0000开始按0001、0002、0003的顺序读取并执行指令。也可以说，一个程序就是按处理要求排列一系列的机器语言。

CPU只能理解如上所述的机器语言。因此，为了使CPU运行，就必须使用机器语言的程序。但是，机器语言不易为人们识别和读写。因此，人们用了更简单易懂的字符串来代替机器语言，这就是汇编语言。例如，在“给寄存器A赋值2”这样的处理时，如果用汇编语言来表示，就很简单，请看图1的右边部分。汇编语言中，用MOV字符串表示赋值，所以“给寄存器A赋值2”的处理就可用“MOV A,#02”表示。

图1：机器语言和汇编语言的比较

虽然汇编语言比机器语言更加简单易懂了，但是人们读起来还是挺难理解的。而且，汇编语言还存在另一个问题，就是不同的CPU，机器语言的描述方式也不同。因此，如果更换了CPU，就必须改写与机器语言有着密不可分关系的汇编语言，工作量比较大。（以上例子中的机器语言和汇编语言均为瑞萨的RL78族单片机中的语言。）

如上所述，每更换一次CPU都必须对程序进行改编，不但造成生产性低下，还加重了编程人员的负担。

人性化的C语言

能够解决上述问题的编程语言就是C语言。C语言具有不依存于特定的CPU，又具有程序移植性高等的特点。另外，由于编程时可使用人们熟悉的英文单词，所以对编程人员来说C语言是最容易使用的编程语言。下面我们将C语言和汇编语言做一个简单地比较。（图2）

图2：　汇编语言和C语言的比较

虽然C语言不依存于CPU而且还是人们最容易使用的编程语言，但对于CPU来说，C语言却是一种完全无法理解的语言。因此，就需要一种可以将C语言翻译为机器语言的软件，这就是被称为编译器 (编译程序) 的软件。经过编译器翻译的程序的文件格式被称为目标文件格式。如果目标文件格式最终没有被配置到存储器中，CPU就无法执行该程序。

另外，近来由于程序越来越趋于复杂化，所以几乎都采取了将一个程序分割为多个C语言程序文件的结构。所以，还需要一个工具将多个目标文件格式汇总成一个机器语言并配置到存储器上，能够担当起此重任的就是连接编辑程序（linkage editor，也被称为“linker（链接器）”）。

能够找出程序错误的调试器

由人进行编程的应用程序难免会存在错误（bug）。而用来发现和帮助人们修正程序错误的工具被称为调试器（Debugger）。下面简单介绍调试器的类型。

电路内仿真器(In-Circuit Emulator , 简称：ICE) ：ICE可取代实际的单片机，与仿真专用的评价单片机（evaluation chip，评价芯片）连接并进行调试。其中，“In-Circuit Emulator”为美国英特尔公司的注册商标，瑞萨将其命名为“Full-spec Emulators”并向市场提供。

J-TAG仿真器：J-TAG仿真器使用单片机内事先预留的调试电路进行调试。也就是说通过实际使用的单片机来进行调试。和ICE相比，J-TAG仿真器的价格较低。瑞萨将其命名为“On-chip Debug Emulator”并向市场提供。

简易仿真器：简易仿真器是使调试用的监视程序在单片机上运行，在与PC通信的同时进行调试。除了调试对象的程序之外，还需启动其他监视程序，所以，与ICE或J-TAG仿真器相比，简易仿真器的程序运行速度慢而且还有各种功能限制。其最大的优点是价格非常低廉。

综合开发环境

正如上面所讲的，在进行单片机的软件开发时，使用了上述的编译器、连接编辑程序、调试器等各种工具。以前，这些软件都是作为单个软件分别提供的，一般是通过命令提示符调出各个程序、或是通过批处理程序调出使用。但是，最近开始以综合开发环境的方式给予提供，综合开发环境就是将各种程序综合到一个程序包中，只需通过Renesas CS+ 等便可很容易地将程序调出使用。