Programmiersprachen für eingebettete Systeme Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 1

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1 Programmiersprachen für eingebettete Systeme 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 1

2 Programmiersprachen Kategorien Der Einsatz hängt von der Anforderung ab General Purpose Sprachen - z.b. Assembler, C, C++, Java,... Synchrone (zeitgetaktete) Programmiersprachen - Entwurfsparadigma für technische Systeme - z.b. Esterel, Lustre (sicherheitskritische Anw. Luftfahrt, A-Kraftwerke) - z.b. Statecharts (Kfz-Industrie) Hardwarebeschreibungssprachen - Chips direkt programmieren (z.b. FPGAs Altera, Xilinx) - z.b. VHDL, Verilog 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 2

3 General Purpose Sprachen #1 Assembler - für jeden Prozessor anders - zeitkritische Passagen - C Compiler liefert meist besseren Code - exotische Hardware oder Low Range Systeme C - kleiner Footprint (Programme kb-größe) (dietlibc) - systemnah - in-line Assembler (Assembler Quellcode in Compiler intgegriert) - ausgereifte, gut optimierende Compiler - allerdings übliche C-Probleme (Zeiger) 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 3

4 General Purpose Sprachen #2 C++ - prinzipiell wie bei C - zzgl. Option der Objektorientierung - Standard Template Library - bietet Exception-Konzept - jedoch relativ großer Footprint EC++ - C++ Dialekt fuer Embedded Bereich - reines Subset von C++ (keine Erweiterungen) - Verzicht auf Exceptions, Templates, Namespaces, STL, Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 4

5 General Purpose Sprachen #3 Ada (neueste Version ADA2005) - Entwicklung vom DoD gefördert - für sicherheitskritische Systeme (Flugsicherung, Eisenbahn, Militär, ) - strenges Typsystem - automatische Überprüfung der Code-Korrektheit - Versuch Schwächen von C zu umgehen - Laufzeit-Tests (Speicherüberläufe, Memory Access Violation, off-by-one-fehler, ) - Free Content ISO Standard PEARL - Realtime Sprache - einstiger Gegenspieler von Ada 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 5

6 General Purpose Sprachen #4 Java - kleiner Footprint möglich (J2ME) - Hardwarenähe durch JNI möglich - Exception Konzept - Byte Code Verification - Portabel - Geschwindigkeit ist Gerücht - Problem: undefiniertes Scheduling-Verhalten 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 6

7 Synchrone Sprachen #1 die meisten Programmkonstrukte benötigen keine Zeit (ideelle Sicht) "Zeitverbrauch wird programmiert" bei Esterel: pause Anweisung dabei wird stets eine logische Zeiteinheit verbraucht Threads synchronisieren sich an pause Anweisungen Zeit kann mit natürlichen Zahlen modelliert werden 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 7

8 Synchrone Sprachen #2 im Prinzip kann jede Programmiersprache zu einer synchronen erweitert werden Reactive-C als Erweiterung von C drei Kategorien von synchronen Sprachen imperative Sprachen: Esterel, SML, Reactive-C, etc. Datenflußsprachen: Lustre, SIGNAL, ELECTRE, etc. graphische Sprachen: Statecharts, Argos, SyncCharts etc. verschiedene Anwendungsdomänen 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 8

9 FPGA Programmierung Schaltung wird in Hardwarebeschreibungssprache definiert - VHDL - Verilog - (SystemC) Simulation der Schaltung generieren einer Netzliste physikalische Implementierung auf dem Chip beliebige Wiederholung 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 9

10 Interaktive und reaktive Systeme Interaktive Systeme: laufen kontinuierlich, fordern den Benutzer zur Interaktion auf Reaktive Systeme: kein vorgesehener Terminierungszeitpunkt fortwährende Interaktion mit der Umgebung Interaktionszeitpunkte werden von der Umgebung bestimmt und bestehen daher i.d.r. aus eng gekoppelten Prozessen Beispiele: Hardware, eingebettete Systeme, Echtzeitbetriebssysteme, Datenbanken, etc. Entwurfsprobleme: Reaktive Systeme müssen (harte) Echtzeitbedingungen erfüllen 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 10

11 ES als reaktive Systeme eingebettete Systeme: interagieren mit einem umgebenden System sind in der Regel reaktive Systeme Dr. Feldbusch, Uni Karlsruhe 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 11

12 Trends beim Entwurf von ES horizontale Verifikation vs. vertikale Verifikation vs. formale Synthese Dr. Feldbusch, Uni Karlsruhe 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 12

13 Entwicklung und Debugging 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 13

14 Off-line-Debugging Cross-Debugger, Simulator Struktur und Peripherien des MCU mit SW simuliert externe Signale (Tasten, LEDs) per Hand nachgebildet einfache Ausgabe (printf, printk,...) Programm auf das Target System z.b. via RS232 downgeloadet Problem: Zeitbelastung z.b. bei Übertragung via RS232 verändern von Echtzeitverhalten (Reaktionszeit >> Echtzeit) Simulation von Interrupts i.d.r. nicht möglich 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 14

15 Realtime-Debugging In Circuit Emulation (ICE) - Systemspezifischer Chip (Bound-out Chip) - ersetzt eigentliche CPU - Möglichkeit direkt auf Register zuzugreifen - Problem: nur bis Taktraten von MHz machbar - Kosten: Der MCU-Hersteller muss zu jedem MCU noch ein ICE-Chip Entwickeln lohnend nur bei großen Serien JTAG (Boundary Scan) - IEEE Norm - Chip enthält spezielle Testzellen an den Ein- und Ausgängen -- aneinander gekettet (Schieberegister) -- Werte können gesetzt und gelesen werden - Auch möglich um CPU/Controller zu programmieren 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 15

16 SW-Entwicklung mit LA Logic Analyzer vs. Oszilloskop Signale nicht analog erkannt, nur High und Low Beobachtung von vielen (8, 16,,60) Signalen gleichzeitig möglich Vorgehensweise Anschluss von Kontroll-, Adress- und Datenbus (geht nur falls Speicher draußen) Tracespeicher: Programmschritte Vorteil Exakte Zeitinformation Nachteile Zugriff auf Interna des Prozessors nicht möglich Programmcode kann nur als Assemblercode dargestellt werden 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 16

17 SW-Entwicklung mit ICE Originalprozessor muss zerlegt werden: Bond-out-Chips interne Signale nach außen geführt (Spezialentwicklung) Chip mit FPGA nachbilden (Aufwand, 100%-kompatibel?) Vorteile ICE meistens in Entw. System integriert Darstellung von Source code, event. Debugging in Hochsprache möglich alle Interna in real-time greifbar Echtzeit-tauglich Überwachung von Interrupts kein Problem Nachteile teuer (1k.. 1M ), Bond-out-chip leicht zerstörbar Werkzeuge bedingte Breakpoints (nach n-maligen Zugriff, bei bestimmten Patterns an best. Leitungen, usw.) Single Step Tracebuffer Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 17

18 SW-Entwicklung mit ISP In-System-Programmer, In-System-Debugger: HW zum Zugriff auf Register, Stack, usw. bereits im jeweiligen MCU enthalten ISP: Schnittstelle zu den chipinternen Debug-Möglichkeiten beliebte ISP: JTAG, andere: z.b. DBM-Inteface von Freescale geringere Funktionalität im Vgl. mit ICE, Kompromiss Preis/Leistung JTAG (Joint Test Action Group, Boundary Scan Test, IEEE ) JTAG-fähiges IC enthält spezielle JTAG-Komponenten, die: - im Normalbetrieb abgetrennt - im Testbetrieb durch Test Mode Select Input -Pin aktiviert a) alle IC-Pins b) alle interessanten internen Register haben im Testbetrieb die Möglichkeit, Werte von spez. JTAG-1-Bit-Registern (Scan-Zellen) zu empfangen bzw. in diese abzulegen Diese scan-zellen sind aus der JTAG-Sicht Schieberegister und können seriell beschrieben und gelesen werden 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 18

19 I/O an einem IC JTAG / Boundary scan 1 scan-zelle Testen von mehreren ICs 1 scan-zelle kann: Daten vom PI lesen Daten auf PO schreiben Daten seriell vom SO an SI seines Nachbarn zu übergeben Transparent sein: PI->PO 2008 Jiri Spale, Programmierung eingebetteter Systeme 19