C und C++ für Embedded Systems

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1 C und C++ für Embedded Systems von Friedrich Bollow, Matthias Homann, Klaus-Peter Köhn Neuausgabe C und C++ für Embedded Systems Bollow / Homann / Köhn schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG mitp/bhv 2008 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN Inhaltsverzeichnis: C und C++ für Embedded Systems Bollow / Homann / Köhn

2 3., erweiterte Auflage Friedrich Bollow Matthias Homann Klaus-Peter Köhn inklusive CD-ROM C C++ und für Embedded Systems Hardwareübersicht für die Mikrocontroller HC08, C166/C167 und ATMEL ATmega Einführung in ARM Cortex-M3 Großer Praxisteil mit zahlreichen Aufgaben und Lösungen

3 Den Begriff»eingebettete Systeme«oder»Embedded Systems«gibt es seit Beginn der 90er Jahre. Davor gab es diese Systeme auch, nur wurden sie dem allgemeinen Begriff»Mikroprozessortechnik«untergeordnet. Durch den Einsatz der Sprache C steht nicht mehr der Prozessor im Mittelpunkt, sondern eher die Eigenschaften des prozessorgesteuerten Systems. Wurden die ersten Systeme in den 70er Jahren noch komplett in Assembler programmiert, erfolgte in den 80er Jahren der Übergang zu»assembler mit C«, während die gegenwärtige Situation»C und C++ mit etwas Assembler«darstellt. Bei der überwiegenden Anzahl der Systeme wird aber der Assembler nur noch als fertiges»startup«-modul eingesetzt und dient zum Booten und zur Systeminitialisierung. Da heute auch 16bit-Prozessoren preisgünstig sind, ist der Einsatz von C-Compilern weiter begünstigt worden. Der Einsatz der Sprache C++ in eingebetteten Systemen nimmt weiter zu. Die Hersteller der Programmier-Tools stellen angepasste C++-Dialekte mit Einschränkungen sowie bausteinspezifischen Erweiterungen der Standards zur Verfügung. Momentan gibt es noch kein einheitliches Bild, welcher Dialekt sich in der Embedded-Entwicklung etablieren wird. Kleinster gemeinsamer Nenner bei Entwicklungen ist die Sprache C. Die Entwicklungstools verändern sich zum Teil so stark, dass man bei einem Tool-Wechsel oder Tool-Update wie ein Anfänger von vorn beginnen muss. Die Prozessoren haben eine längere Standzeit, obwohl der Wandel auch innerhalb einer Prozessorfamilie spürbar ist. Spezialwissen über den Einsatz von Tools und Prozessor-Spezialitäten werden in diesem Buch nur zu Übersichtszwecken angerissen, den Schwerpunkt setzen übertragbare Gesichtspunkte. Die Programmbeispiele sind im wesentlichen in C realisiert und zusätzlich finden Sie in Kapitel 8 ein sehr umfangreiches Beispiel in C++. Das Buch versteht sich als Brücke zwischen der Sprache C und der Hardware (Software meets Hardware). Insbesondere diese Schnittstelle ist der Fokus. Allgemeine Hinweise zum Programmieren, zur Sprache C und zu den Hardware-Basics werden zwar angesprochen, es wird jedoch nicht breit in diese Grundlagen eingeführt. Die Autoren waren bemüht, insbesondere die Übertragbarkeit der Inhalte dieses Buches herauszustellen, um nicht nur die Wiederverwendbarkeit der Software, 9

4 sondern auch die Wiederverwendbarkeit des Buches bei anderen als den hier erwähnten Prozessoren zu ermöglichen. Alle Mitglieder des Autorenteams arbeiten seit vielen Jahren mit eingebetteten Systemen und sind als Trainer in Industriekursen bzw. als Hochschullehrer aktiv. Die Weitergabe von Informationen ist daher nicht nur auf einem technischen Level möglich, sondern auch auf didaktischer Ebene. Der Einsatz der Sprache C mindert Hardware-Abhängigkeiten, beseitigt diese aber nur teilweise. Gegenüber Standardsystemen wie Personalcomputern ist nicht vorgeschrieben, wie I/O, Interrupts und die Verwendung von verschiedenen Speicherbereichen erfolgen sollen. In der Programmentwicklung müssen diese Gegebenheiten und die stets begrenzten Ressourcen von eingebetteten Systemen berücksichtigt werden. Bei der Portierung auf andere Rechnerplattformen hilft hier nur die Software-Technik, um Anpassungen in einem erträglichen Rahmen zu halten. Der Einsatz der Sprache C hilft dabei auch bei der Simulationstechnik, ein Gerät im planbaren Zeit- und Kostenrahmen zu entwickeln. So kann man bis 98 % eines Codeumfangs auf PC- oder Workstation-Ebene entwickeln, ohne dass das Zielsystem, das Target, als Hardware bereitstehen muss. Der Begriff»eingebettetes System«ist nunmehr bereits unscharf geworden, einerseits spricht man vom»einbettenden System«und andererseits vom»eingebetteten System«. Zusätzlich verstehen die Chip-Designer den Begriff anders,»soc«steht hier für»system on Chip«. Nicht nur die CPU, sondern gleich das ganze Rechnersystem findet sich mit Speicher und I/O als nur eine Komponente auf einem Chip wieder. Systeme wie ARM sind deshalb nicht mehr als eigene CPUs oder Mikrocontroller präsent, sondern nur noch als»ip«-module (Intellectual Property). Bedarf für derartige 32bit-Systeme besteht immer dort, wo hohe Rechnerleistung bei minimalen Anforderungen an den Energiebedarf gefragt sind, wie heutige portable Multimedia- und Kommunikationssysteme. Unverändert stark ist der Wandel von Tools, der Software, der Hardware und auch der Entwicklungstechniken von eingebetteten Systemen. Momentan wird die Entwicklung der Hardware durch immer leistungsfähigere FPGAs angetrieben, wie schon erwähnt, können ganze CPUs integriert werden. Dies wird künftig auch Auswirkungen auf Mikrocontroller haben. Alle Systeme lösen das Problem unterschiedlicher Peripherie mit Makrozellen, die dann einen Mikrocontrollertyp bilden. Absehbar ist zumindestens für Entwicklungsprototypen ein Mikrocontroller, dessen Ausstattung mit Peripherie konfiguriert werden kann. Der Leser wird in diesem Buch mit konkreten Prozessortypen konfrontiert. Die Autoren haben eine Auswahl von 8-, 16- und 32bit unterschiedlichster Hersteller getroffen. Die jeweiligen Kapitel zu den Prozessoren sind kurz gehalten, enthalten 10

5 An wen wendet sich dieses Buch? aber oft übertragbare Hinweise auf andere Prozessoren, Compiler und Programmiertechniken. Sie sollten deshalb auch dann gelesen werden, wenn der gewünschte Prozessor nicht dabei ist. Gleiches gilt für die umfangreichen Beispiele, nicht immer ist die Entwicklung der Beispielprogramme so gradlinig verlaufen, wie es die abgebildeten Programme vermuten lassen. In den Erläuterungen zu den Programmen wird auf typische Hardware- oder Software-Probleme hingewiesen. An wen wendet sich dieses Buch? Der Leser sollte sich vorab schon einmal mit der Sprache C oder C++ befasst haben und mindestens einige kleinere Programme am PC (nicht notwendigerweise für ein Mikroprozessorboard) erstellt haben. In die Sprache C und in die Programmiergrundlagen führt dieses Buch nicht ein. Gleichwohl sind viele auch einfache Beispiele vollständig enthalten. Die in C wichtigen Parameterübergaben sind in einem eigenen Abschnitt durch Beispiele erläutert. Von der Hardware eines Rechnersystems sollte der Leser eine Vorstellung haben und auch wissen, was ein Interrupt ist und wie prinzipiell eine serielle Schnittstelle arbeitet. Eine günstige Voraussetzung ist die Beschäftigung mit einem 8bit-Mikroprozessorsystem, dessen Programmierung in Assembler erfolgte. Elektrotechnische Grundlagen sind schließlich bei der Inbetriebnahme und bei dem Anschluss von externen Hardwarekomponenten erforderlich, der Leser sollte wissen, welche Ströme in seinem System fließen und welche Spannungen vorhanden sind. Warum z.b. LEDs einen Vorwiderstand benötigen, wird in diesem Werk ebenfalls nicht erläutert sondern als Basiswissen vorausgesetzt. 11

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