EINSATZ VON "KNOWLEDGE ACQUISITION TOOLS" BEI DER PROGRAMMIERUNG VON MIKROCONTROLLERN

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1 EINSATZ VON "KNOWLEDGE ACQUISITION TOOLS" BEI DER PROGRAMMIERUNG VON MIKROCONTROLLERN Ioannis Kabitoglou Siemens AG, Bereich Halbleiter Zusammenfassung Bei der Entwicklung von Software für Embedded-Control-Applikationen benutzt der Entwicklungsingenieur heutzutage eine Reihe verschiedener Werkzeuge, die ihm helfen, die steigende Komplexität der zu steuernden Systeme bzw. des zu generierenden Quellcodes zu beherrschen. So kann er, z.b. mit Hilfe von CASE-Tools, sein System auf abstrakter Ebene beschreiben, es simulieren und dann den entsprechenden Quellcode dafür generieren, ohne jede Programmzeile selber schreiben zu müssen. Für diejenigen Entwickler jedoch, die die undankbare Aufgabe haben, die hardwarenahe Softwaremodule zu programmieren, d.h. die Module, die direkt mit den Komponenten des eingesetzten Mikrocontrollers interagieren und als Schnittstelle zwischen Systemsoftware und hardware fungieren, sind die einzigen verläßlichen Werkzeuge: das Datenbuch des Chipherstellers, möglichst große Erfahrung und eine gute Portion Geduld. In diesem Artikel wird am Beispiel von "DAvE", dem digitalen Applikationsingenieur von Siemens Halbleiter, dargestellt, wie durch den Einsatz moderner "Knowledge Acquisition Tools", also Werkzeugen, die das ganze Wissen zu einem komplexen Gegenstand in diesem Kontext die Anwendung eines Mikrocontrollers interaktiv und intuitiv zur Verfügung stellen, die Entwicklungszeit für hardwarenahe Software deutlich reduziert werden kann. 1. Einführung Computerbasierte Informationsnavigation, ist eine der neuesten Errungenschaften der Virtual-Reality-Technologie. Sie bietet die technologische Plattform für den interaktiven und intuitiven Zugriff auf große Mengen komplexer Daten und eignet sich für den Einsatz in verschiedenen Anwendungsgebieten, wie z.b. in der Lehre, in der technischen Dokumentation, sowie in der Entwicklung, Steuerung und Wartung komplexer Systeme. Der Zugriff auf die Daten bzw. auf das Wissen, das diese verkörpern, erfolgt mit Hilfe von sog. "Knowledge Acquisition Tools". Diese ermöglichen es dem Benutzer in eine vertraute, aus domänespezifischen Objekten bestehende virtuelle Welt einzutauchen ("true immersion") und mit einem passenden Satz von Werkzeugen sich das benötigte Wissen durch Interaktion mit den

2 entsprechenden Objekten anzueignen - genau auf der Abstraktionsebene, auf der das Wissen auch gebraucht wird, um direkt eingesetzt zu werden. Bei der Programmierung der Hardware/Software-Integrationsschicht (Treiberschicht) für mikrocontrollerbasierende Applikationen muß sich der Entwicklungsingenieur üblicherweise durch hunderte von Datenbuchseiten wälzen, in verschiedenen Applikationsnotizen und Codebeispielen suchen, und sich im Prinzip mit jedem Bit in jedem Register des Chips auseinandersetzen, um den Code zu schreiben, der die Module des Mikrocontrollers entsprechend der Anforderungen der Applikation treiben soll. Diese ineffiziente Prozedur erfordert viel Zeit, ist ziemlich fehleranfällig und zwingt den Entwickler sich mit Details eines Bausteins zu beschäftigen, den er eigentlich so weit wie möglich "einfach benutzen" möchte. Um genau dieses Problem zu lösen, hat Siemens Halbleiter ein "Knowledge Acquisition Tool" mit dem Namen "DAvE" entwickelt, das das ganze Wissen um die Anwendung eines Mikrocontrollers interaktiv und intuitiv zur Verfügung stellt und somit die Entwicklungszeit für hardwarenahe Software deutlich reduziert. 2. DAvE DAvE (Digital Application Engineer) ist ein CD-ROM-basierendes Software- Tool, das Entwickler von Embedded-Control-Applikationen bei der Anwendung der Siemens 8- und 16-Bit Mikrocontrollerderivate maßgeblich unterstützen soll. Es hilft dem Entwickler bei der Auswahl des geeigneten Mikrocontrollers für seine Applikation, bietet ihm objektorientierten und kontextsensitiven Zugriff auf alle Standardinformationen und -dokumente zu diesem Derivat an, führt ihn Schritt für Schritt durch die Konfiguration der einzelnen Module des Chips und generiert automatisch die benötigten Gerätetreiber (voll dokumentierter, getesteter und erweiterbarer C-Code) für seine Applikation. 2.1 Intuitiver Zugriff auf Informationen und Dokumentation Das zentrale Element der Benutzeroberfläche von DAvE ist - entsprechend der Ontologie von "Knowledge Acquisition Tools" - der Mikrocontroller selbst. Die Auswahl eines Derivates erfolgt über das Products Menü, entweder direkt, über die familienspezifischen Untermenüs, oder mit Hilfe des Smart Search Fensters. In diesem hat der Entwickler die Möglichkeit gezielt nach diejenigen Derivate zu suchen, die bezüglich der Zusammensetzung der On- Chip-Peripherie die Applikationsanforderungen am besten erfüllen. Ist ein bestimmter Mikrocontroller ausgewählt worden, so führt DAvE den Entwickler in das Innere des Chips und offenbart die einzelne Module, aus denen die Architektur des Bausteins zusammengesetzt ist (Bild 1). In einer sehr intuitiven Art u. Weise, kann jetzt auf alle benötigten Informationen und Dokumente zu diesem Derivat zugegriffen werden, entweder über den

3 dedizierten Menübutton, von dem aus eine Beschreibung der funktionalen Merkmale des Mikrocontrollers, sein Benutzerhandbuch und Datenblatt, sowie das entsprechende Befehlssatzhandbuch erreicht werden können, oder über kontextsensitive Menüs, die durch rechten Mausklick auf die einzelne Module aktiviert werden können, und den Entwickler direkt zu der Stelle innerhalb des Benutzerhandbuchs führen, an der das selektierte Modul näher erklärt wird. Bild 1: Das Hauptfenster von DAvE Zusätzlich bietet DAvE dem Benutzer die Möglichkeit, über eine Suchfunktion, die verschiedenen auf der CD-ROM vorhandenen Application Notes und technischen Artikel nach einem bestimmten Thema zu durchsuchen, um somit weitere Informationen bezüglich der Anwendung des Chips zu bekommen (Bild 2). Die Verfügbarkeit dieses konzentrierten und vielschichtigen Wissens direkt in der Entwicklungsumgebung des Benutzers, und die Möglichkeit mit einigen Mausklicks darauf zugreifen zu können, macht die Suche nach dem passenden Mikrocontrollerderivat für eine bestimmte Applikation, sowie die Suche nach Referenzinformationen während der Entwicklung zum virtuellen Spaziergang.

4 Bild 2: Übersichtsinformationen, Benutzerhandbücher, Datenblätter und Application Notes können per Mausklick von DAvE aus kontextsensitiv erreicht werden 2.2 Interaktive Konfiguration der On-Chip-Peripherie Bei der Programmierung der Hardware/Software-Integrationsschicht geht die Unterstützung von DAvE einen ganzen Schritt weiter als "nur" einen kontextsensitiven Zugriff auf Informationen und Dokumente anzubieten. DAvE kann, auf interaktive Art u. Weise, dem Entwickler bei der schwierigen und zeitaufwendigen Konfiguration der Module des ausgewählten Mikrocontrollers helfen und auf Knopfdruck einen vollständigen Satz von schlüsselfertigen, applikationsspezifischen Treiberfunktionen generieren. Diese initialisieren den Chip und ermöglichen der Systemsoftware, die Funktion der peripheren Module zu kontrollieren. Die Arbeitsweise ist, wie bei anderen Entwicklungswerkzeugen, projektorientiert. Nach dem Starten eines neues Projektes mit einem bestimmten Mikrocontroller und die Angabe des Verzeichnisses, in dem die C-Source-Dateien generiert werden sollen, führt DAvE den Entwickler wieder in das Innere des Chips, mit dem Unterschied, daß diesmal die kontextsensitiven Menüs der Module einen zusätzlichen Menüpunkt enthalten, der den sog. Configuration Wizard des Moduls aufruft.

5 Configuration Wizards (Bild 3) sind die wichtigsten Werkzeuge innerhalb eines DAvE-Projektes. Sie bestehen aus einem modulspezifischen, sequentiell angeordneten Satz von Tabulatoren, die unterschiedliche Aspekte der Konfiguration des Moduls behandeln. Die Tabulatoren selber beinhalten verschiedene Gruppen von Einstellungen, über die der Entwickler die genaue Funktion des Moduls innerhalb der Applikation festlegen kann. Bild 3: Der Configuration Wizard für das General-Puprose-Timer-1-Modul Das Besondere an den Wizards ist, daß sie die Sprache der Applikation sprechen. D.h. der Benutzer macht seine Einstellungen rein auf funktionaler Ebene, ohne sich um die chipinternen Details kümmern zu müssen. So braucht er z.b. gar nicht zu wissen, welches Bit in welchem Register des Chips die serielle Schnittstelle in den 8-bit-asynchronen Modus setzt; ein einfacher Klick auf dem entsprechend benannten Radiobutton reicht aus. Eine andere wichtige Eigenschaft der Wizards ist die semantische Überprüfung der Aktionen des Benutzers. Diese läuft automatisch im Hintergrund und hat den Effekt, daß Abhängigkeiten zwischen Einstellungen - sowohl innerhalb eines Moduls als auch zwischen unterschiedlichen Modulen - durch dynamische Anpassung der betroffen Steuerelemente entsprechend berücksichtigt werden. So wird eine fehlerhafte Konfiguration des Moduls praktisch unmöglich, was dem Entwickler die nervenaufreibende Suche nach Fehlern auf der Bit-Ebene erspart.

6 Natürlich wäre DAvE kein guter Applikationsingenieur, wenn er nicht zusätzlich in der Lage wäre, Fragen, die der Entwickler bezüglich einer bestimmten Einstellung haben könnte, direkt beantworten zu können. Aus diesem Grund, existiert für jede Gruppe von Einstellungen innerhalb eines Configuration Wizards ein kontextsensitives Menü, das mit der rechten Maustaste aufgerufen werden kann, und den Benutzer zu erklärenden Kurzinformationen sowie zu der Stelle im Benutzerhandbuch des Microcontrollers führen kann, an der die entsprechende Funktionalität im Detail erläutert wird. Vom gleichen Menü aus kann auch auf die von den Einstellungen beeinflußten Register zugegriffen werden. Deren Inhalt wird mit Hilfe des Register Viewers (Bild 4) angezeigt. Dieser hat die besondere Eigenschaft, daß er bei jeder Änderung einer Einstellung in einem Configuration Wizard dynamisch aktualisiert wird, womit er dem Entwickler die Beziehung zwischen der funktionalen Ebene und der Bit-Ebene des Chips direkt und visuell darstellen kann. Bild 4: Der Register Viewer Mit Hilfe der Configuration Wizards wird die Konfiguration des Mikrocontrollers und gleichzeitig das Kennenlernen der Arbeitsweise und des internen Aufbaus des Chips von einer unangenehmen Last zur leichten Aufgabe. So kann der Entwickler, nach Einstellung der genauen Variante des Derivates sowie des Typs des eingesetzten Compilers, Schritt für Schritt jedes Modul, das er in seine Applikation benutzen möchte konfigurieren und über den entsprechenden Functions Tabulator jedes Wizards, die Treiberfunktionen auswählen, die DAvE für ihn automatisch generieren soll. Zu jeder Zeit hat er die Möglichkeit einen Überblick (Overview) über das Projekt zu generieren, in dem die aktuelle Konfiguration jedes benutzten Moduls beschrieben ist.

7 2.3 Automatische Codegenerierung Ist der Entwickler mit der Konfiguration des Mikrocontrollers fertig, so kann er zur Codegenerierung fortschreiten, indem er auf dem entsprechenden Button drückt. Danach kann er sich mit Hilfe des File Viewers (Bild 5) die Dateien anschauen, die DAvE in das spezifizierte Projektverzeichnis hinein generiert hat. Bild 5: Der File Viewer Diese wären: die Dokumentationsdatei (docu.rtf), die eine maßgeschneiderte Beschreibung des Projektes, der generierten Dateien, der Konfiguration der einzelnen Module, sowie der Programmierschnittstelle (API) der generierten Treiberfunktionen enthält jeweils eine C-Source- und eine C-Header-Datei für jedes Modul, in denen der Code für die zu generierenden Funktionen /Makros enthalten ist (Bild 6) die main.c Datei, in der sich die Hauptinitialisierungsfunktion sowie eine leere main() Funktion befinden die main.h Datei mit allen allgemeinen Definitionen die Startup-Datei (start.asm), in der sich die entsprechend modifizierte Assembler-Start-Routine befindet sowie eine simple Batch-Datei (make.bat), mit der das Projekt compiliert und gelinkt werden könnte

8 Bild 6: Von DAvE automatisch generierter Treibercode Somit bekommt der Entwickler ein Basisgerüst für seine Applikation mit dem ausgewählten Mikrocontroller, zusammen mit einem Satz professionell geschriebener, voll kommentierter und getesteter Treiberfunktionen. Diese kann er von seiner Applikationssoftware aus aufrufen und sogar mit applikationsspezifischen User Code ergänzen, ohne daß dieser bei einer erneuten Codegenerierung verloren geht.

9 3. Fazit "Knowledge Acquisition Tools" wie DAvE können die Entwicklungszeit der Hardware/Software-Integrationsschicht von Embedded-Control-Applikationen deutlich verkürzen, da sie das ganze Wissen, welches für die hardwarenahe Programmierung eines Mikrocontrollers benötigt wird, direkt, interaktiv und intuitiv zur Verfügung stellen. Für die Zukunft ist es durchaus vorstellbar, daß die Technologie bzw. die Ontologie, die hinter solchen Tools steckt, ihren Einzug in andere Werkzeuge innerhalb einer Embedded-Systems-Entwicklungsumgebung findet. Somit könnten Bedienungsoberflächen von Emulatoren oder Compilern verbessert werden und die Arbeit der Entwicklungsingenieure noch ein Stückchen leichter gemacht werden. Nähere Informationen über DAvE sind unter erhältlich. Dipl.-Ing. Ioannis Kabitoglou Siemens AG Bereich Halbleiter Development Tools Support HL DC TO P.O. Box D München Tel Fax