單片機(jī)的編程語言和開發(fā)環(huán)境

　　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)的開發(fā)環(huán)境和編程語言。

　　CPU懂的機(jī)器語言

　　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)器語言。比如圖1左邊顯示的就是一個(gè)機(jī)器語言指令，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開始按0001、0002、0003的順序讀取并執(zhí)行指令。也可以說，一個(gè)程序就是按處理要求排列一系列的機(jī)器語言。

　　CPU只能理解如上所述的機(jī)器語言。因此，為了使CPU運(yùn)行，就必須使用機(jī)器語言的程序。但是，機(jī)器語言不易為人們識(shí)別和讀寫。因此，人們用了更簡單易懂的字符串來代替機(jī)器語言，這就是匯編語言。例如，在“給寄存器A賦值2”這樣的處理時(shí)，如果用匯編語言來表示，就很簡單，請(qǐng)看圖1的右邊部分。匯編語言中，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)器語言和匯編語言的比較

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

　　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語言

　　能夠解決上述問題的編程語言就是C語言。C語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)編程人員來說C語言是最容易使用的編程語言。下面我們將C語言和匯編語言做一個(gè)簡單地比較。（圖2）

　　圖2：　匯編語言和C語言的比較

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

　　另外，近來由于程序越來越趨于復(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）。而用來發(fā)現(xiàn)和幫助人們修正程序錯(cuò)誤的工具被稱為調(diào)試器（Debugger）。下面簡單介紹調(diào)試器的類型。

　　電路內(nèi)仿真器（In-Circuit Emulator ， 簡稱：ICE） ：ICE可取代實(shí)際的單片機(jī)，與仿真專用的評(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。也就是說通過實(shí)際使用的單片機(jī)來進(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。

　　簡易仿真器：簡易仿真器是使調(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。

　　綜合開發(fā)環(huán)境

　　正如上面所講的，在進(jìn)行單片機(jī)的軟件開發(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，一般是通過命令提示符調(diào)出各個(gè)程序、或是通過批處理程序調(diào)出使用。但是，最近開始以綜合開發(fā)環(huán)境的方式給予提供，綜合開發(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“簡單”“快速”“安心”的“CS+”的綜合開發(fā)環(huán)境。在綜合開發(fā)環(huán)境中，只需進(jìn)行簡單操作便可利用各種功能，因此，綜合開發(fā)環(huán)境最適合用來提高軟件開發(fā)的效率。

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