單片機的編程語言和開發環境

　　在《嵌入式編程之單片機的基本構成、工作原理》和《嵌入式編程之單片機的外圍功能電路》我們介紹了單片機硬件方面的知識。本文將介紹單片機的開發環境和編程語言。

　　CPU懂的機器語言

　　單片機的CPU從存儲器讀取程序，但是一次只能讀取一條指令，然后解釋每條指令，并執行。存儲器中保存的內容，不管是程序還是數據，都是二進制代碼“0”和“1”組成的字符串。指令二進制代碼告訴CPU要做什么，而數據二進制代碼則是CPU操作或處理指令時要使用的值。CPU的操作包含加、減運算等指令。這些像密碼一樣排列的“0”和“1”字符串就是機器語言。比如圖1左邊顯示的就是一個機器語言指令，意思是“將2放入寄存器A（寄存器是CPU內部的儲存區域）。

　　CPU總是按存儲器地址的順序讀取指令代碼，除非遇到跳躍指令。例如，如果復位后的地址是0000，則從0000開始按0001、0002、0003的順序讀取并執行指令。也可以說，一個程序就是按處理要求排列一系列的機器語言。

　　CPU只能理解如上所述的機器語言。因此，為了使CPU運行，就必須使用機器語言的程序。但是，機器語言不易為人們識別和讀寫。因此，人們用了更簡單易懂的字符串來代替機器語言，這就是匯編語言。例如，在“給寄存器A賦值2”這樣的處理時，如果用匯編語言來表示，就很簡單，請看圖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：機器語言和匯編語言的比較

　　雖然匯編語言比機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問題，就是不同的CPU，機器語言的描述方式也不同。因此，如果更換了CPU，就必須改寫與機器語言有著密不可分關系的匯編語言，工作量比較大。（以上例子中的機器語言和匯編語言均為瑞薩的RL78族單片機中的語言。）

　　如上所述，每更換一次CPU都必須對程序進行改編，不但造成生產性低下，還加重了編程人員的負擔。

　　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。另外，由于編程時可使用人們熟悉的英文單詞，所以對編程人員來說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語言翻譯為機器語言的軟件，這就是被稱為編譯器 （編譯程序） 的軟件。 經過編譯器翻譯的程序的文件格式被稱為目標文件格式。如果目標文件格式最終沒有被配置到存儲器中，CPU就無法執行該程序。

　　另外，近來由于程序越來越趨于復雜化，所以幾乎都采取了將一個程序分割為多個C語言程序文件的結構。所以，還需要一個工具將多個目標文件格式匯總成一個機器語言并配置到存儲器上，能夠擔當起此重任的就是連接編輯程序（linkage editor，也被稱為“linker（鏈接器）”）。

　　能夠找出程序錯誤的調試器

　　由人進行編程的應用程序難免會存在錯誤（bug）。而用來發現和幫助人們修正程序錯誤的工具被稱為調試器（Debugger）。下面簡單介紹調試器的類型。

　　電路內仿真器（In-Circuit Emulator ， 簡稱：ICE） ：ICE可取代實際的單片機，與仿真專用的評價單片機（evaluation chip，評價芯片）連接并進行調試。其中，“In-Circuit Emulator”為美國英特爾公司的注冊商標，瑞薩將其命名為“Full-spec Emulators”并向市場提供。

　　J-TAG仿真器：J-TAG仿真器使用單片機內事先預留的調試電路進行調試。也就是說通過實際使用的單片機來進行調試。和ICE相比，J-TAG仿真器的價格較低。瑞薩將其命名為“On-chip Debug Emulator”并向市場提供。

　　簡易仿真器：簡易仿真器是使調試用的監視程序在單片機上運行，在與PC通信的同時進行調試。除了調試對象的程序之外，還需啟動其他監視程序，所以，與ICE或J-TAG仿真器相比，簡易仿真器的程序運行速度慢而且還有各種功能限制。其最大的優點是價格非常低廉。

　　綜合開發環境

　　正如上面所講的，在進行單片機的軟件開發時，使用了上述的編譯器、連接編輯程序、調試器等各種工具。以前，這些軟件都是作為單個軟件分別提供的，一般是通過命令提示符調出各個程序、或是通過批處理程序調出使用。但是，最近開始以綜合開發環境的方式給予提供，綜合開發環境就是將各種程序綜合到一個程序包中，只需通過Renesas CS+ 等便可很容易地將程序調出使用。

　　例如，瑞薩針對RL78族產品提供了“簡單”“快速”“安心”的“CS+”的綜合開發環境。在綜合開發環境中，只需進行簡單操作便可利用各種功能，因此，綜合開發環境最適合用來提高軟件開發的效率。

　　* 在2014年10月1日發布， 瑞薩電子集成開發環境CubeSuite+的產品名稱已經從V3.00.00版本中改為“C++”。