PDF de programación - Programación en C para Sistemas Embebidos (con ejemplos basados en MSP430)

SASE 2012

Programación en C

para Sistemas Embebidos

(con ejemplos basados en MSP430)

Mg. Guillermo Friedrich

UTN-FRBB

Tópicos destacados

- Generalidades sobre la arquitectura MSP430

- Paso de parámetros a funciones y variables locales

- Uso de estructuras y punteros a estructuras

- Estructuras y uniones “anónimas”

- Campos de bits

- Constantes

- Variables asociadas a SFR del micro

- Proteger la concurrencia sobre variables compartidas

- Atención de interrupciones

- Fijar direcciones de memoria usadas por código y datos

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MSP430

- Arquitectura RISC 16-Bit, Ciclo de Instrucción 62.5 o
125-ns

- MSP430F133: 8KB+256B Flash Memory, 256B RAM

- MSP430F135: 16KB+256B Flash Memory, 512B RAM

- MSP430F147: 32KB+256B Flash Memory, 1KB RAM

- MSP430F148: 48KB+256B Flash Memory, 2KB RAM

- MSP430F149: 60KB+256B Flash Memory, 2KB RAM

- MSP430G2553: 16KB+256B Flash Memory, 512 B
RAM

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MSP430: mapa de memoria

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MSP430

- La reducida cantidad de RAM obliga a tener en cuenta
algunos detalles al programar en C.

- Los parámetros y variables locales (auto) de las funciones
utilizan registros del procesador y a veces también la pila.

- Las variables con valores constantes (por ej. tablas de
parámetros, textos predefinidos, etc.) conviene declararlas
como const, para que sean ubicadas en memoria Flash.

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Codificación eficiente para aplicaciones embebidas

- Seleccionar los tipos de datos más adecuado.

- Controlar la ubicación de los objetos de código y
datos en memoria.

- Controlar las optimizaciones del compilador.

- Escribir código eficiente.

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Selección de los tipos de datos

- Usar los tipos más pequeños que sea posible.

- Tratar de evitar el uso de double y long long (64 bits)

- No usar campos de bit de tamaño mayor que 1.

- Tratar de evitar el uso de punto flotante.

- Si un puntero no se va a usar para modificar datos,
declararlo const (Por ej.: const char *p).

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Uso de punto flotante

- En un micro sin coprocesador matemático, las
operaciones de punto flotante son ineficientes en
tiempo de ejecución y uso de memoria.

- Si se puede, es preferible usar tipos float (32 bits)
en lugar de double (64 bits).

- Las constantes de punto flotante por defecto son
double, excepto que se las especifique como float.
a += 1.0f // float

a += 1.0 // double

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Campos de bits

- Por ejemplo, dada la siguiente estructura de campos de
bits:

union bits
{

struct
{

unsigned int b1:1;
unsigned int b2:2;
unsigned int b3:3;
unsigned int b4:4;
unsigned int b6:6;

}b;

unsigned int w;

}bf;

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Campos de bits

- Las operaciones sobre campos de un bit pueden
requerir una sola instrucción de máquina.

En C:

bf.b.b1 = 1;

En lenguaje ensamblador:

bis.w

#0x1,&bf

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Campos de bits

- Las operaciones sobre campos de más de un bit
requieren varias instrucciones de máquina:

En C:

bf.b.b3 = 5;

En lenguaje ensamblador:

mov.w
and.w
bis.w
mov.w

&bf,R15 ; copia
#0xFFC7,R15 ; borra
#0x28,R15 ; setea
R15,&bf ; copia

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Campos de bits

- La misma operación implementada sin campos de
bits es más eficiente:

En C:

w &= 0x00c7; // borra 3 bits

w |= 5 << 3; // escribe el 5

En lenguaje ensamblador:

and.w

bis.w

#0xC7,&w ; borra

#0x28,&w ; escribe

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Estructuras y Uniones anónimas

- Son propias del lenguaje C++

- Algunos compiladores de C tienen extensiones que
las admiten.

- Los nombres de los miembros tienen alcance fuera
de la estructura o unión.

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Estructuras y Uniones anónimas

union bits
{

struct
{

unsigned int b1:1;
unsigned int b2:2;
unsigned int b3:3;
unsigned int b4:4;
unsigned int b6:6;

}b;

unsigned int w;

}bf;

// unnamed
union
{

struct
{

unsigned int b1:1;
unsigned int b2:2;
unsigned int b3:3;
unsigned int b4:4;
unsigned int b6:6;

};

unsigned int w;

};

Estructuras y Uniones anónimas

// unnamed
union
{

struct
{

unsigned int b1:1;
unsigned int b2:2;
unsigned int b3:3;
unsigned int b4:4;
unsigned int b6:6;

};

unsigned int w;

};

}

// los miembros de las
// struct y union
// unnamed tienen
// alcance global,
// no pueden repetirse

main()
{ // Pone todo a 0

w = 0;
// asigna valores
// a algunos campos
b3 = 5;
b6 = 9;

Estructuras y Uniones anónimas

- Las estructuras y uniones anónimas son de utilidad
para manipular los registros del procesador que
están mapeados en direcciones de memoria.

- Por ejemplo: el registro U0CTL (Control de USART0)
está ubicado en la dirección 0x070, es de 8 bits y
tiene la siguiente estructura:

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Estructuras y Uniones “unnamed” (sin nombre)

__no_init volatile union
{

unsigned char U0CTL;
struct
{

unsigned char SWRST : 1;
unsigned char MM : 1;
unsigned char SYNC : 1;
unsigned char LISTEN: 1;
unsigned char CHAR : 1;
unsigned char SPB : 1;
unsigned char PEV : 1;
unsigned char PENA : 1;

};

} @ 0x0070; // mapea la variable a la dir 70h

Estructuras y Uniones “unnamed” (sin nombre)

// Configuración de USART0 como UART,

// 8 bits, paridad par, un bit de stop

USART0 = 0; // pone todo a cero

// setea los bits necesarios

CHAR = 1; // 8 bits

PENA = 1; // paridad habilitada

PEV = 1; // paridad par

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Estructuras y Uniones anónimas

- También son de utilidad para definir variables booleanas,
ahorrando memoria.

- Para ello se usan estructuras de campos de bits. Por ejemplo:

union {

struct {

unsigned int waitingSomeEvent: 1;
unsigned int ready4something : 1;
......
unsigned int someEvent
unsigned int anotherFlag

: 1;
: 1;

};
unsigned int flags;

};

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Estructuras y Uniones anónimas

- Poner a cero todos los flags:

flags = 0;

- Modificar o testear algún flag:

if( waitingSomeEvent && someEvent )

{

}

someEvent = 0;

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Manejo de registros mapeados en memoria usando máscaras

- Para el mismo ejemplo del registro U0CTL:

#define U0CTL (*(unsigned char *)0x0070)

#define SWRST 0x01

#define MM 0x02

......

#define CHAR 0x10

......

#define PENA 0x80

Manejo de registros mapeados en memoria usando máscaras

- Ej. poner a 1 CHAR y MM, el resto en cero:

U0CTL = CHAR | MM;

- Ej. poner a cero MM sin modificar el resto:

U0CTL &= ~MM;

Alineamiento de estructuras

- En el MSP430 (y otros micros de 16 bits), los datos de
tamaño mayor que un byte deben estar alineados en
direcciones pares.

- En los de 32 bits, se alínean en direcciones múltiplos de 4.

- El compilador agrega bytes de relleno para alinear variables

- También se hace alineamiento dentro de las estructuras.

- El acceso a variables desalineadas requiere de más
instrucciones de máquina.

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Alineamiento de estructuras

- Cuando no es admisible el relleno dentro de una
estructura (por ej. para respetar el formato de un
mensaje), se usa la directiva #pragma pack

- El acceso a una variable desalineada genera más
código de máquina y es más lento.

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Alineamiento de estructuras

- Por ejemplo, dada la siguiente estructura:

struct var{

char c; // entre c y n1
int n1; // un byte de relleno
int n2;

}v;

Veamos la operación v.n1 = w; con y sin
alineamiento

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Alineamiento de estructuras

- Con alineamiento de a 16 bits (por default):

mov.w

R10, &0x228

- Con alineamiento por byte ( #pragma pack(1) ):

mov.b R10,R14
swpb R10
and.w #0xFF,R10
mov.b R14,&0x24D ; LSB a dir impar
mov.b R10,&0x24E ; MSB a dir par

Paso de parámetros a funciones

El paso de parámetros a funciones consume tiempo
y puede consumir memoria de la pila.

Dependiendo de la arquitectura del procesador y del
compilador, los parámetros se pueden pasar en
registros y/o a través de la pila.

En los casos siguientes –sobre MSP430– se ven
ambas situaciones.

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Paso de parámetros a funciones

Una función con hasta 4 parámetros los recibe en registros
(R12, R13, R14 y R15).

Ejemplo:

void f2(unsigned char b, int n)

{

}

int a, i;

for(i=0, a=0; i<n; ++i)

a += b+i;

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Paso de parámetros a funciones

La llamada a ésta función queda así:

En C:

f2('a',32);

En lenguaje ensamblador:

mov.w #0x20,R13 ; 32

mov.b #0x61,R12 ; ‘a’

call #f2

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Paso de parámetros a funciones

Una función con más de 4 parámetros recibe 4 en registros
(R12, R13, R14 y R15) y el resto en la pila.

Ejemplo:

int f5(int a,int b,int c,int d,int e)

{

}

int suma = a + b + c + d + e;

return suma;

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Paso de parámetros a funciones

El llamado a ésta función se realiza así:

En C:

n = f5(10,20,30,40,50);

En lenguaje ensamblador:

push.w #0x32 ;el 5° a la pila
mov.w #0x28, R15 ;4° al 1° en reg.

mov.w #0x1E, R14

mov.w #0x14, R13

mov.w #0x0A, R12

call #f5

mov.w R12, R15 ; retorna en R12

Paso de parámetros a funciones

Un par de consejos prácticos serían:

• Tratar de usar la mínima de parámetros que sea necesario.

• Analizar si conviene usar variables globales:

Si bien no es una práctica recomendada en general, en
arquitecturas con poca cantidad de RAM puede ayudar a
optimizar el uso de memoria y la performance.

• Agrupar variables en estructuras y pasar como parámetro el
puntero a la estructura.

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Paso de estructuras a funciones

El paso de variables struct, ya sea como parámetro o como
valor retornado, conviene hacerlo mediante punteros.

Por ejemplo, dada la siguiente estructura y variables:

struct int5

{

};

int a, b, d, c, e;

struct int5 A, B;

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Paso de estructuras a funciones

Si en lugar de la función f5 del ejemplo anterior se
implementara mediante otra función f5s, que espera un
puntero a struct int5, en C quedaría así:

n = f5s(&A);

Y en lenguaje ensamblador:
mov.w

#0x220,R12 ; R12: puntero a A

call

#f5s

mov.w

R12,R10 ; R12: valor retorno

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Paso de estructuras a funciones

Las estructuras son muy útiles porque permiten
agrupar variables que tienen relación entre si.

También s