Luận văn Kiểm thử phần mềm nhúng

trong chương trình, các biến này thể hiện các thanh ghi hoặc các bit có chức năng đặc biệt của vi điều khiển. Các kiểu dữ liệu về cơ bản giống với C chuẩn, ngoài ra còn có một số kiểu dữ liệu đặc trưng cho vi điều khiển như kiểu sfr ( thanh ghi đặc biệt), kiểu bit, sbit…. Cấu trúc một chương trình C cho 8051[1]: //include các file #include #include //Khai báo biến toàn cục unsigned char x,y; int z=0; //Khai báo và định nghĩa các hàm Kiểu trả về Hàm1( đối số ) ko { …//Các câu lệnh } void Hàm2( đối số ) { …//Các câu lệnh } //Hàm main ( bắt buộc chương trình nào cũng phải có ) void main(void) 14 { …//Các câu lệnh } Các câu lệnh trong hàm main có thể có lời gọi các hàm đã khai báo ở trên hoặc không. Khi có lời gọi hàm nào thì chương trình nhảy đến hàm đó thực hiện hàm đó xong con rỏ lại quay về chương trình chính(hàm main) thực hiện tiếp các hàm hoặc câu lệnh. Các câu lệnh trong C kết thúc bằng dấu “;” Các comment được đặt trong dấu: Mở đầu bằng “/*” kết thúc bằng “*/” , nếu comment trên 1 dòng thì có thể dùng dấu: “//” . Khi lập trình nên comment các câu lệnh khối lệnh làm gì để về sau khi chương trình lớn dễ sửa lỗi. Ngoài các hàm cơ bản, lập trình C cho 8051 còn có các hàm ngắt để xử lý ngắt : Void Tênhàm(void) interrupt nguồnngắt using băngthanhghi { // các câu lệnh } Hàm ngắt không được phép trả lại giá trị hay truyền tham biến vào hàm, tên hàm là bất kì , Interrupt là từ khóa chỉ hàm ngắt 4.2.3. Trình biên dịch SDCC Giới thiệu SDCC SDCC là một trình biên dịch C rất phổ biến cho vi điều khiển, “SDCC” là viết tắt của Small Device C Compiler, nó là phần mềm tự do mã nguồn mở, ta có thể tải miễn phí từ . SDCC là chương trình dịch đa đích, nó có thể biên dịch và hỗ trợ cho nhiều loại vi điều khiển như 8051, PIC, Motorola, Zilog,...[9] SDCC được phát triển bởi một cộng đồng đông đảo lập trình viên khắp thế giới và rất phổ biến với người dùng Linux, SDCC cũng có phiên bản dành cho Windows. Trong khóa luận này, tôi sử dụng phiên bản SDCC 2.5.0 dành cho Windows để biên dịch các ví dụ về lập trình C cho 8051. Cài đặt 15 Sau khi tải phiên bản SDCC dành cho Windows tại ta tiến hành cài đặt, sau khi cài đặt, chương trình sẽ hỏi xem ta có muốn đưa đường dẫn của thư mục bin chứa các file thực thi SDCC vào biến môi trường PATH không ? Ta chọn yes và kết thúc cài đặt, lúc này ta có thể gọi trình biên dịch SDCC từ bất kì đâu. Hình 3. Cài đặt SDCC Ta kiểm tra phiên bản SDCC vừa cài bằng cách bật môi trường dòng lệnh của Windows ( Comand Prompt) gõ lệnh sdcc –version [9], kết quả như sau chứng tỏ ta đã cài đặt thành công: “SDCC : mcs51/gbz80/z80/avr/ds390/pic16/pic14/TININative/xa51/ds400/hc08 2.5.0 #1020 (May 8 2005) (MINGW32)”. Sử dụng SDCC Ta có thể biên dịch 1 file .c bằng lệnh : sdcc tênfile.c - ví dụ : sdcc test.c file thực thi được tạo ra sẽ có đuôi là .ihx chứa mã hexa để nạp lên vi điều khiển và chạy. 16 Khi ta có nhiều file mã nguồn, ta có thể biên dịch từng file thành các file .rel riêng rẽ, sau đó biên dịch file chính cùng với các file .rel mà nó cần dùng [9] ( điều này giống như biên dịch file .o khi dùng trình biên dịch GCC ). Ví dụ : ta có 2 file delay.c và blink.c, blink.c là file chính sử dụng file delay.c, ta biên dịch như sau : sdcc -c delay.c // tạo file delay.rel sdcc blink.c delay.rel // biên dịch file blink.c sử dụng delay.rel Khi ta biên dịch một file mã nguồn, SDCC sẽ tạo ra không phải chỉ một file đích .ihx, mà còn có một số file khác được trình biên dịch tạo ra, ta có danh sách các loại file sẽ được tạo khi biên dịch như sau : - File .asm : chứa mã assembly của chương trình - File .ihx : chứa mã hexa, để nạp và chạy trên vi điều khiển, đây là file mà ta cần - File lst: danh sách assembly code, khá có ích cho việc hiểu sâu và tối ưu mã, tại đây ta có thể thấy mã C dọc theo mã assembly và mã máy - File .map : chứa ánh xạ bộ nhớ được tạo bởi bộ liên kết (linker), đây là file khá quan trọng, nó cho ta biết cách sử dụng các phần khác nhau của bộ nhớ. - File .mem : tóm tắt về cách sử dụng bộ nhớ, thể hiện RAM và miêu tả bộ nhớ khác - File .rel : file chứa object được tạo ra dành cho bộ liên kết - File .rst : file danh sách assembly với lien kết chỉnh sửa thông tin - File .sym : chứa bảng các kí hiệu File chứa mã hexa cho các vi điều khiển có định dạng chuẩn là .hex, nên sẽ có một số loại chip không đọc được file .ihx do SDCC tạo ra. SDCC cung cấp một công cụ chuyển từ file .ihx sang file .hex chuẩn, đó là công cụ packihx, ta gõ lệnh như sau: packihx tênfile.ihx > tênfile.hex Lệnh này sẽ tạo file .hex để ta có thể nạp cho vi điều khiển. Trình biên dịch SDCC cũng cho phép ta nhúng mã assembly vào chương trình C, các câu lện assembly phải được đặt giữa 2 cặp từ khóa là _asm và _endasm và kết thúc khối lệnh bằng dấu ; sau _endasm [9]. 17 Ngoài ra SDCC còn cho phép ta có thể tạo các thư viện – các file .lib để có thể sử dụng lại, sử dụng chung cho nhiều chương trình, ta có thể tạo thư viện bằng lệnh sau: Sdcclib tênthưviện.lib tênfile.rel Khi viết mã nguồn cho 8051 với SDCC, các chân của các cổng được viết như sau: chân P0.0 được viết là P0_0, chân P0.1 được viết là P0_1 ….( sử dụng dấu gạch dưới phân tách giữa cổng và chân ). 4.2.4. IDE cho lập trình 8051 với SDCC Ta có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch SDCC trên môi trường dòng lệnh của Windows, tuy nhiên nếu ta sử dụng một IDE trợ giúp cho lập trình thì việc sử dụng SDCC sẽ hiệu quả và dễ sử dụng hơn. Ở đây, tôi sử dụng một IDE khá phổ biến cho 8051 đó là MIDE – 51. MIDE-51là một IDE dành cho vi điều khiển 8051 trên Windows, nó là một phần mềm tự do, ta có thể tại miễn phí tại trang . MIDE-51 có cả bản đóng gói đầy đủ và bản chỉ có trình soạn thảo (Editor) MIDE-51 [8]. Hình 4. trình soạn thảo MIDE-51 18 Với bản đầy đủ, nó đã tích hợp sẵn trình dịch SDCC, trình hợp ngữ, trình giả lập vi điều khiển, ta chỉ việc cài ra và sử dụng, không cần phải cấu hình. Với bản chỉ có trình soạn thảo, ta cần phải cấu hình cho nó, như đặt đường dẫn đến thư mục thực thi của SDCC, đường dẫn đến trình giả lập….Mọi cấu hình đều được thiết lập trong mục edit -> Preference. 4.2.5. Ví dụ về lập trình C cho 8051 với SDCC và MIDE-51 Ta có một chương trình C đơn giản như sau #include void delay( ) //hàm tạo trễ một khoảng thời gian { int i,j; for (i = 0;i<=1000;i++) for (j = 0;j<=1000;j++); } void main() { while (1) { P1_1 = 0; // led glow delay( ); P1_1 = 1; // led off delay( ); } } Đây là một chương trình đơn giản, nó làm nhấp một đèn nháy led được nối với chân P1.1, hàm delay( ) có tác dụng tạo trễ, để khi chạy ta có thể quan sát được sự nhấp nháy của đèn. Ta viết đoạn mã trên vào MIDE-51, lưu lại thành file example.c. Sau đó ta biên dịch bằng cách chọn Build hoặc bấm phím F9. 19 Sau khi biên dịch, MIDE-51 sẽ thông báo biên dịch thành công, nếu chương trình có lỗi, nó sẽ báo có lỗi và lỗi nằm ở dòng mã nào. Các file đích được tạo ra khi biên dịch, một điều quan trọng là MIDE sẽ tự động gọi lệnh packihx để tạo file .hex từ file .ihx, và tự động xóa file .ihx đi. Ta chỉ việc nạp file .hex để thực thi trên vi điều khiển. 20 Chương 5. Kiểm thử chương trình cho 8051 bằng công cụ giả lập 5.1. Chương trình giả lập vi điều khiển “8051 series microcontroller simulator”. 5.1.1. 8051 series microcontroller simulator Có rất nhiều các chương trình mô phỏng vi điều khiển 8051 trên Windows, các chương trình này là các vi điều khiển ảo, sau khi viết mã nguồn và biên dịch, ta có thể kiểm tra chương trình bằng cách chạy chương trình mô phỏng và kiểm tra kết quả thực thi chương trình mà không cần dùng đến vi điều khiển thật. Ở đây tôi chọn công cụ giả lập “8051 series microcontroller simulator” vì nó có giao diện đơn giản, dễ nhìn, dễ sử dụng và nó miễn phí. 8051 series microcontroller simulator có thể được tải về tại Chương trình giả lập này rất đơn giản, gọn nhẹ chỉ có một file thực thi duy nhất là file sim8051.exe, ta chạy file này, chương trình sẽ có giao diện như sau: Hình 5. chương trình giả lập 8051 series microcontroller simulator Cách sử dụng chương trình cũng rất dễ dàng, khi đưa con trỏ chuột đến một nút (biểu tượng) trên cửa sổ chương trình chính (hình vẽ trên), dòng status ( ở dưới cùng của khung cửa sổ chương trình ) sẽ hiển thị chức năng của nút, trong hình trên, khi ta chưa chọn file chương trình thực thi thì status thông báo ở đây là “Stopped”. Chức năng của các nút như sau: - nút : chọn file .hex để thực thi. - nút : thực thi file đã chọn. 21 - nút : tạm dừng thực thi và giữ nguyên trạng thái của vi điều khiển. - nút : dừng thực thi chương trình và reset vi điều khiển trở lại trạng thái ban đầu. - nút : chạy chương trình từng bước. - nút : chạy đến lệnh tiếp theo - 10 nút còn lại ở bên phải của cửa sổ chương trình có chức năng hiển thị các bảng thông số của vi điều khiển mà ta sẽ đề cập đến ở dưới đây. Ta có thể chọn File > open để chọn file thực thi .hex mà ta muốn kiểm thử. Các mục trong menu view là để chọn hiển thị các bảng thông số của vi điều khiển khi ta thực thi chương trình. Các bảng thông số ở đây là [10] : - Bảng Processor Core : hiển thị các thông số của các thanh ghi chính, thanh ghi đặc biệt, các cổng vào ra, thông số hiển thị ở đây là giá trị của từng bit và giá trị của toàn bộ thanh ghi dưới dạng số hexa. - Bảng Code viewer : hiển thị mã assembly của chương trình mà ta nạp để kiểm thử. - Bảng Core direct memory và Core indirect memory hiển thị bộ nhớ trực tiếp và không trực tiếp của vi điều khiển. - Bảng Break point giúp ta tạo các điểm dừng chương trình - Bảng ROM : hiển thị nội dung bộ nhớ ROM - Bảng RAM : hiển thị nội dung bộ nhớ RAM - Bảng Active Interrupt ( IQR): giúp ta tạo các ngắt - Bảng Processor Transmit Monitor : hiển thị output của cổng Serial - Bảng Input Data to Processor Serial Comms : hiển thị input của cổng Serial Bảng thông số mà ta hay dùng nhất, để quan sát chương trình là bảng “Processor Core”, ta bấm nút để hiển thị và ẩn bảng này 22 Hình 6. bảng Processor Core của chương trình giả lập 8051 series microcontroller simulator 5.1.2. Ví dụ kiểm thử chương trình cho 8051 trên chương trình giả lập 8051 series microcontroller simulator Trở lại với file ví dụ example.c đã biên dịch bằng SDCC và MIDE-51 ở trên, chương trình này có mục đích nhấp nháy đèn led được nối với chân P1.1, hay nói một cách khác, nó làm thay đổi giá trị bit của chân P1.1 liên tục từ 0 thành 1 rồi lại từ 1 thành 0. Ta sẽ kiểm thử xem chương trình này chạy có kết quả đúng như ta mong muốn không bằng cách thực thi nó trên 8051 series microcontroller simulator. 23 Test Case ở đây là : - Mục đích kiểm tra: Kiểm tra sự nhấp nháy của chân P1.1 khi thực thi chương trình example - Kết quả mong đợi : chân P1.1 nhấp nháy ( chuyển trạng thái liên tục từ 0 sang 1). Tiến hành test: Ta chọn File > open để chọn file thực thi example.hex đã được biên dịch. Lúc này, khi ta mở bảng Code viewer, nó sẽ hiển thị toàn bộ mã assembly của chương trình : Hình 7. mã Assembly của chương trình example 24 Ta mở bảng Processor Core để theo dõi chương trình thực thi như thế nào.Bấm để thực thi chương trình, ta sẽ thấy giá trị một số bit của một số thanh ghi thay đổi liên tục, sự thay đổi này có tính tuần hoàn lặp đi lặp lại, đó là do vòng lặp While vô hạn. Ta chỉ cần chú ý đến thanh ghi P1 để quan sát kết quả của chương trình, ta sẽ thấy bit P1.1 ( bit thứ 2 từ bên phải sang) thay đổi liên tục giữa 2 giá trị 0 và 1, giá trị của cổng P1 ở dạng số hexa sẽ thay đổi liên tục tử FD thành FF và ngược lại Cổng P1 Hình 8. bảng Processor Core khi chạy chương trình - Kết quả thực tế: chân P1.1 của vi điều khiển nhấp nháy. Kết quả thực tế trùng với kết quả mà ta mong đợi, vì thế ở đây ta thấy rằng chương trình example đã chạy đúng. Bây giờ ta sẽ kiểm thử một ví dụ khác. Ta thử sửa đổi chương trình example trên bằng cách thêm vào một hàm xử lý ngắt. Chương trình mới của ta bây giờ sẽ là chương trình có cho phép ngắt, nội dung thực thi của chương trình này là : hàm main thực hiện việc nhấp nháy chân P1.1, khi có ngắt xảy ra từ ngắt ngoài 0 ( interrupt 0), chương trình sẽ dừng việc nhấp nháy chân P1.1 và 25 chuyển sang nhấp nháy chân P1.0 mười lần (thực hiện hàm ngắt), sau đó chương trình sẽ quay lại nhấp nháy chân P1.1 Mã nguồn chương trình của ta bây giờ sẽ như sau #include void delay() //hàm tạo trễ một khoảng thời gian { int i,j; for (i = 0;i<=1000;i++) for (j = 0;j<=1000;j++); } void EX1_int0 (void) interrupt 0 { int i = 10; while (i>0) { P1_0 = 0; delay(); P1_0 = 1; delay(); i--; } } void main() { EX0 = 1; // cho phép ngắt ngoài 0 EA = 1; // cho phép sử dụng ngắt toàn cục while (1) { P1_1 = 0; // led bật delay(); P1_1 = 1; // led tắt delay(); 26 } } Hàm void EX1_int0 (void) interrupt 0 là hàm xử lý ngắt khi có tín hiệu ngắt từ ngắt ngoài 0 ( interrupt 0), ở đây hàm xử lý ngắt của tôi làm một việc đơn giản là nhấp nháy chân P1.0 mười lần thay vì việc nhấp nháy chân P1.1 của hàm main. Trong hàm main cần thiết lập hai biến EA và EX0, đây là hai bit của thanh ghi đặc biệt IE. Như đã đề cập ở phần triến trúc của 8051, thanh ghi đặc biệt có các bit có chức năng riêng và được đặt tên riêng, và hai bit EA và EX0 là hai bit như thế, bit EA được thiết lập có tác dụng cho phép chương trình sử dụng ngắt ( nếu EA = 0 thì chương trình sẽ không cho phép có ngắt khi nó đang thực hiện chương trình chính), bit EX0 được thiết lập có tác dụng cho phép ngắt từ ngắt ngoài 0 ( interrupt 0). Lưu đoạn mã trên thành file example1.c rồi biên dịch thành file example1.c, ta sẽ kiểm thử sự thực thi chương trình này với chương trình giả lập. Test Case: - Mục đích: Kiểm tra sự nhấp nháy của P1.1 và P1.0 khi thực thi chương trình example1. - Cách thực hiện test: Chạy chương trình, quan sát P1.1 và P1.0, sau tó tạo ngắt ngoài 0 ( interrupt 0), tiếp tục quan sát P1.1 và P1.0. - Kết quả mong đợi : Ban đầu P1.1 nhấp nháy, P1.0 giữ nguyên trạng thái, sau khi tạo ngắt, P1.1 giữ nguyên trạng thái, P1.0 nhấp nháy 10 lần, sau đó P1.1 lại nhấp nháy, P1.0 giữ nguyên. Tiến hành test: Ta chạy file example1.hex với chương trình giả lập, ban đầu ta thấy nó chạy giống như chương trình example ở lúc nãy. Bây giờ ta mở bảng Active Interrupt để tạo ngắt Hình 9. bảng active interrupt 27 Ta bấm vào nút EX0, nút này có tác dụng tạo một tín hiệu ngắt đến từ ngắt ngoài 0, sau đó ta sẽ thấy chân P1.1 không nhấp nháy nữa, mà chân P1.0 lại nhấp nháy 10 lần, sau đó P1.1 lại tiếp tục nhấp nháy. Hình 10. chương trình example1 khi có ngắt, bit P1.0 thay đổi giá trị liên tục Như vậy, khi có ngắt, vi điều khiển sẽ dừng chương trình chính, thực hiện hàm xử lý ngắt, sau đó lại quay lại chương trình chính. - Kết quả thực tế : Ban đầu P1.1 nhấp nháy, P1.0 giữ nguyên trạng thái, sau khi tạo ngắt, P1.1 giữ nguyên trạng thái, P1.0 nhấp nháy 10 lần, sau đó P1.1 lại nhấp nháy, P1.0 giữ nguyên. Kết quả thực tế của ta cũng trùng với kết quả mong đợi, cho thấy chương trình example1 của ta đã thực thi đúng với mong muốn. 5.1.3. Nhận xét Chương trình giả lập vi điểu khiển 8051 là một vi điều khiển ảo với các bảng thông số giúp cho ta theo dõi được một cách trực quan sự hoạt động của chương trình, các trạng thái của vi điều khiển khi thực thi chương trình, giúp ta có thể hiểu rõ hơn về chương trình của mình 28 5.2. Chương trình mô phỏng hệ thống mạch điện tử Proteus 5.2.1. Giới thiệu Proteus Proteus là một bộ chương trình dùng để tạo và chạy các hệ thống mạch điện , các hệ thống mạch có vi điều khiển và mô phỏng quá trình làm việc của hệ thống, giúp cho ta hình dung trực quan hơn vào thực tế của các linh kiện điện tử và sự hoạt động của các vi điều khiển. Phần mềm Proteus được viết bởi công ty Labcenter Electronics . Proteus đã được sử dụng khá rộng rãi ở nhiều nơi. Proteus đã tự khẳng định thế mạnh của nó về mô phỏng các hệ thống mạch sát với thực tế, càng ngày nó càng được hoàn thiện và phát triển mạnh .Proteus cung cấp cho người sử dụng hầu như toàn bộ các linh kiện điện tử để người dùng có thể tạo ra được các mạch nguyên lý và sau cùng là chạy thử và so sánh với kết quả thực tế. Chính vì Proteus có thể tạo và chạy được các mạch đơn giản cũng như các mạch phức tạp nên có thể dùng nó trong giảng dạy, trong các phòng thí nhiệm điện tử cũng như trong thực hành vi điều khiển …[3] Vì vậy, ta có thể dùng Proteus để giả lập các hệ thống nhúng với các loại vi điều khiển khác nhau, các loại linh kiện khác nhau, qua đó ta dùng hệ thống giả lập này để kiểm thử các chương trình mà ta muốn nhúng trên thiết bị thật. Trong bài khóa luận này, tôi dùng Protues để mô phỏng một hệ thống mạch đơn giản sử dụng vi điều khiển họ 8051 như mạch đèn led. Các ưu điểm của Proteus [3] - Dễ dàng tạo ra một sơ đồ đơn giản từ các mạch điện đơn giản, đến các mạch có bộ lập trình vi xử lý . - Dễ dàng chỉnh sửa các đặc tính của linh kiện trên sơ đồ mạch: chỉnh sửa số bước của động cơ bước, chỉnh sửa nguồn nuôi cho mạch ,thay đổi tần số hoạt động cơ bản của vi xử lý… - Công cụ hỗ trợ kiểm tra lỗi thiết kế trên sơ đồ mạch mô phỏng. Xem và lưu lại phần báo lỗi . - Chạy mô phỏng và phân tích các tính chất của mạch điện cơ bản. Công cụ hỗ trợ cho việc chạy và mô phỏng rất mạnh và chính xác. Các công cụ và đồ thị hỗ trợ mạnh cho 29 việc phân tích tần số, sóng, âm thanh .. không nhưng thế phần mềm còn có thêm các máy phân tích từ đơn giản như : đồng hồ đo Vôn, Ampe, đến các máy đo dao động ,máy tạo sóng dao động … - Ngoài ra Proteus còn cung cấp cho người sử dụng các công cụ mạnh mà các phần mềm khác hầu như không có. Chẳng hạn thư viện LED với các loại màu sắc khác nhau kể cả led 7 đoạn. Nhưng phần hiển thị mạnh nhất mà Proteus cung cấp là màn hình LCD, nó có thể mô phỏng cho rất nhiều LCD từ đơn giản đến phức tạp. - Một cái ưu điểm nữa của Proteus là có thể mô phỏng công cụ phát và thu tín hiệu từ các mạch giao tiếp với máy tính qua công cụ RS232. Trong đó người sử dụng có thể điều khiển được quá trình truyền phát, tốc độ Baud … giúp cho người lập trình có thể mô phỏng các mặt truyền phát tín hiệu . - Một điểm mạnh khác của Proteus là cung cấp cho người sử dụng công cụ biên dịch cho các họ vi xử lý như 8051, AVR, HC11 … Qua đó tạo ra các tập tin HEX dùng để nạp cho vi xử lý và tập tin DSI dùng để xem và chạy kiểm tra từng bước trong chương trình mô phỏng . - Đối với các mạch vi xử lý Proteus không những cung cấp hình ảnh thực tế của các linh kiện xuất mà còn cung cấp cho người lập trình rất nhiều các cửa sổ thông báo các nội dung của bộ nhớ, con trỏ, thanh ghi, … - Proteus có một thư viện khá lớn với hơn 6000 linh kiện các loại và càng ngày càng được bổ sung. Ngoài ra còn có keypad (ma trận phím tạo đơn giản cho người thiết kế khi cần thao tác trên các ma trận phím ). Khả năng ứng dụng của Proteus [3] - Khả năng ứng dụng chính của Proteus là mô phỏng, phân tích các kết quả từ các mạch nguyên lý. Proteus giúp cho người sử dụng có thể thấy trước mạch thiết kế chạy đúng hay sai trước khi thiết kế trên bản mạch. - Các công cụ phục vụ cho việc phân tích mạch có độ chính xác khá cao như đo vôn hay ampe, máy đo dao động . - Khả năng áp dụng chương trình Proteus vào trong giảng dạy là rất tốt cho các thầy cũng như cho sinh viên học tập kỹ thuật điện tử vì hầu như Proteus cung cấp gần như đầy đủ từ cơ bản đến phức tạp cho người học điện tử và vi điều khiển. 30 - Đối với các sinh viên thì Proteus nếu mà được sử dụng rộng dãi thì nó gần như là thầy dạy cho chính họ ở nhà. Nó giúp cho các sinh viên tự học, tự nhiên cứu và thiết kế thử các phần đã học và chạy xem kết quả và rút ra các bài học tốt. Điều cơ bản nhất là tiết kiệm tiền cho sinh viên không có điều kiện mà lại ham học, ham nghiên cứu. - Trong thực tế hiện nay hầu như phòng thí nhiệm điện tử nào xây dựng lên cũng phải tốn không ít ngân sách. Nếu Proteus được ứng dụng qua một máy tính các thầy giáo có thể cung cấp cho sinh viên hầu như toàn bộ các mạch điện đơn giản ,hơn nữa có thể tạo ra các KIT vi xử lý dùng phục vụ cho việc thực hành vi xử lý .Qua đó các thầy giáo có thể cung cấp cho các sinh viên các mạch điện tử phục vụ trong quá trình học tập từ đó sinh viên có thể tự nguyên cứu các bài thực hành trước ở nhà trước khi thực hành thực tế trên mô hình thật sự và kết quả chắc chắn không nhỏ. Nhược điểm của Proteus [3] Phần mềm nào cũng có nhược điểm của nó do đó Proteus cũng không tránh khỏi các nhược điểm : - Phần mềm do công ty của nước ngoài nên tính chất bản quyền khá cao, và hầu như ít được biết đến nên rất khó kiếm ngoài thực tế . - Trong khi thiết kế có nhiều phần trong Proteus chạy không theo một quy tắc nào làm người sử dụng đôi lúc gặp khó khăn. - Sử dụng khá phức tạp, nhất là đối với các mạch vi xử lý hay các mạch cần chỉnh sửa các tính chất các linh kiện (do quá nhiều tính chất phải điều chỉnh). - Phần mềm do công ty nước ngoài viết nên không có nhiều tài liệu cung cấp hướng dẫn sử dụng . - Hướng dẫn sử dụng trong Proteus hoàn toàn bằng tiếng anh nên đòi hỏi người sử dụng cũng phải có một nền tảng tiếng anh cơ bản nếu muốn sử dụng nó một cách hiệu quả (nhất là tiếng anh chuyên ngành về điện tử). Sử dụng Proteus Chương trình trong bộ Proteus được sử dụng để thiết kế mô phỏng các mạch điện là ISIS. 31 Phiên bản tôi sử dụng ở đây là Proteus 7.2 Professional. Sau khi cài đặt, ta khởi động Proteus bằng cách chọnStart -> Program -> Proteus 7 Professional -> ISIS 7 Professional. Dưới đây là giao diện cơ bản của Proteus : Hình 11. Giao diện cơ bản của chương trình Proteus Ta chọn các linh kiện để thiết kế hệ thống mạch bằng cách : trên menu ta chọn Library -> Pick Device/Symbol … hoặc bấm phím P, hoặc bấm vào biểu tượng Pick devices trên cửa sổ Devices, bảng linh kiện sẽ hiện ra, có rất nhiều các loại linh kiện và các loại vi điều khiển để cho ta chọn lựa cho thiết kế của mình. Ta có thể tự thiết kế hệ thống mạch mô phỏng để dùng, hoặc cũng có thể sử dụng các hệ thống mô phỏng đã được thiết kế sẵn để chạy các chương trình của mình. Trong thư mục cài đặt của Proteus có thư mục Samples chứa một số các ví dụ các hệ thống đã được thiết kế sẵn cho các loại vi điều khiển như 8051, ARM, PIC… Các hệ thống mạch đã được thiết kế có thể được lưu lại dưới dạng file .DSN, sau đó ta có thể sử dụng lại 32 mạch bằng cách mở file .DSN bằng Proteus, hoặc cũng có thể chia sẻ file .DSN cho những người khác sử dụng lại mạch mô phỏng của mình. Trong khóa luận này, tôi sử dụng lại thiết kế mạch của người khác để kiểm thử chương trình của mình, đây là một thiết kế hệ thống đơn giản sử dụng vi điều khiển AT89C51, là vi điều khiển thuộc họ 8051 của hãng Atmel rất hay được sử dụng hiện nay, các chương trình viết cho vi điều khiển 8051 đều có thể chạy trên AT89C51. 5.2.2. Ví dụ về kiểm thử chương trình nhấp nháy Led trên Proteus Ví dụ mà tôi trình bày ở đây là chương trình nhấp nháy 2 đèn led sử dụng vi điều khiển AT89C51 trên Proteus. Tôi viết một chương trình example2 để điều khiển nhấp nháy 2 đèn Led. Chương trình này cũng tương tự như chương trình nhấp nháy Led nối với chân P1.1 trong ví dụ example.c đã đề cập ở phần trước, chỉ khác là ở đây ta điều khiển 2 đèn Led nối với 2 chân P2.0 và P2.1. Mục đích của chương trình là làm nhấp nháy 2 Led liên tục, Led này bật thì Led kia tắt và ngược lại. Mã C của chương trình nhấp nháy 2 Led được lưu trong file example2.c như sau: #include void delay() //hàm tạo trễ một khoảng thời gian { int i,j; for (i = 0;i<=100;i++) for (j = 0;j<=1000;j++); } void main( ) { while (1) { P2_0 = 0; P2_1 = 1; delay(); P2_0 = 1; P2_1 = 0; 33 delay(); } } Ta biên dịch chương trình thành file example2.hex Ta sẽ kiểm thử sự thực thi của chương trình này trên Proteus Trước hết ta cần có mạch mô phỏng hệ thống trên Proteus để có thể thực thi chương trình. Mạch mô phỏng tôi dùng ở đây được chia sẻ bởi một người có nick name là kids196870, chia sẻ trên blog của anh ta tại , địa chỉ blog là . File thiết kế là DK_LED.DSN, ta chỉ việc click file này, nó sẽ tự động gọi Proteus để mở file. Dưới đây là sơ đồ mạch mô phỏng cho chương trình nhấp nháy 2 đèn Led được thiết kế trên Proteus [2]: Hình 12. mạch mô phỏng AT89C51 và 2 đèn Led trên Proteus 34 Mạch này gồm có vi điều khiển AT89C51 kết nối với 2 đèn LED và một số linh kiện khác, ta chỉ cần quan tâm đến 2 đèn LED mà thôi. Đèn Led xanh nối với chân P2.0, còn đèn Led đỏ nối với chân P2.1. Test Case: - Mục đích: Kiểm tra sự nhấp nháy của 2 led xanh và đỏ. - Kết quả mong đợi: 2 led nhấp nháy xen kẽ nhau, led xanh sang thì led đỏ tắt và ngược lại. Tiến hành test: Ta nạp file example2.hex đã được tạo cho vi điều khiển bằng cách bấm chuột vào vi điều khiển, chuột phải và chọn Edit Properties, cửa sổ Edit Component sẽ hiện ra, tạo mục Program File ta chọn đường dẫn đến file example2.hex. Ta chạy chương trình mô phỏng bằng cách vào mục Debug chọn execute hoặc bấm F12 hoặc bấm vào biểu tượng thực thi ở góc trái phía dưới. Sau đó ta quan sát chương trình thực thi trên mạch mô phỏng. Hình 13. Hai đèn Led nhấp nháy đồng thời - Kết quả thực tế : 2 Led có nhấp nháy, nhưng lại bật và tắt cùng lúc. 35 Kết quả thực tế ta thu được là 2 Led có nhấp nháy, nhưng lại bật và tắt cùng lúc, trái với mong muốn của ta, như vậy là chương trình có lỗi. Lỗi xảy ra có thể do ta lập trình sai, hoặc do chương trình của ta không tương ứng với cách mắc các thiết bị. Và ở đây, khi xem lại ta sẽ thấy trên mạch mô phỏng, cách mắc 2 Led là ngược nhau, 2 chân P2.0 và P2.1 sẽ có vai trò ngược nhau ( P2.0 là cực âm còn P2.1 là cực dương). Led xanh nối với P2.0 sẽ sáng khi P2_0 = 0 còn Led đỏ nối với P2.1 sẽ sáng khi P2_1 = 1. Vì vậy, đoạn mã chương trình trên của ta sẽ làm cho 2 Led sáng và tắt đồng thời. Do đó để 2 Led nhấp nháy xen kẽ nhau ta phải sửa lại hàm main như sau : void main( ) { while (1) { P2_0 = 0; P2_1 = 0; delay(); P2_0 = 1; P2_1 = 1; delay(); } } Sau đó ta biên dịch lại chương trình và chạy, quan sát lại kết quả thực thi chương trình: 36 Hình 14. 2 Led nhấp nháy xen kẽ nhau - Kết quả thực tế: 2 led nhấp nháy xen kẽ nhau, led xanh sang thì led đỏ tắt và ngược lại. Kết quả thực tế mà ta thu được lần này đã trùng với kết quả mong đợi, chương trình của ta đã thực thi đúng. Như vậy, chương trình của ta ban đầu ta tưởng như nó sẽ chạy đúng như mong muốn, không cần phải kiểm tra vì mã nguồn rất đơn giản, sau khi chạy thử trên mạch mô phỏng ta mới phát hiện ra có lỗi và sửa lại. 5.2.3. Nhận xét Việc mô phỏng hệ thống trên Proteus cho ta nhìn thấy sự thực thi chương trình của mình rất trực quan, tuy không thể giống 100% như chạy trên thiết bị thật nhưng cơ bản cũng cho ta thấy chương trình của mình sẽ chạy như thế nào. Qua đó ta có thể sớm phát hiện lỗi, tránh các rủi ro có thể khi chạy trên thiết bị thật. Ngoài ra việc chạy mô phỏng còn giúp ta tiết kiệm thời gian, chương trình được thực thi ngay trên máy tính thay vì phải nạp lên thiết bị. 37 Chương 6. Kiểm thử chương trình cho 8051 bằng Unit Test, sử dụng công cụ Embedded Unit Unit Test cũng rất hữu dụng đối với lập trình hệ thống nhúng, nó giúp người phát triển đảm bảo tính chính xác của từng đơn vị chương trình. Ở đây, tôi sử dụng một Unit Test Framework khá phổ biến dùng cho lập trình C nhúng là Embedded Unit ( Embunit). 6.1. Giới thiệu Embedded Unit Embedded Unit là một công cụ tự do mã nguồn mở, được chia sẻ tại địa chỉ , ta có thể vào trang này để tải miễn phí mã nguồn Embedded Unit cũng như tài liệu hướng dẫn, ví dụ chương trình minh họa. Embedded Unit là một Test Framework (bộ khung test) cho hệ thống nhúng với ngôn ngữ C, nó được thiết kế trên cơ sở của JUnit và CUnit theo hướng thích nghi với hệ thống C nhúng. Một điều đặc biệt là Embedded Unit không yêu cầu thư viện C chuẩn [7]. Embedded Unit thường được sử dụng trên linux với trình biên dịch GCC và công cụ GNU Make. Ở đây, tôi không sử dụng linux mà sử dụng Windows XP 32 bit, vì vậy tôi cài đặt GCC và GNU Make trên Windows và dùng nó để sử dụng Embedded Unit. Tôi cài GCC và GNU Make bằng cách cài phần mềm Dev-C++, đây là một IDE cho lập trình C/C++ rất nổi tiếng trên Windows, nó có tích hợp bộ biên dịch GCC và cả công cụ GNU Make, vì thế ta chỉ cần cài Dev-C++ rồi đưa đường dẫn của thư mục bin (trong thư mục cài đặt Dev-C++) vào biến Path của Windows là có thể sử dụng được GCC và GNU Make. Ta có thể tải Dev-C++ miễn phí tại Ta sử dụng Embedded Unit bằng cách thiết kế các test case và biên dịch thành 1 file thực thi, chạy file thực thi đó để xem kết quả kiểm thử ngay trên máy tính của mình, vì thế nên ta không sử dụng trình biên dịch SDCC để chạy các phép kiểm thử. Cấu trúc của Embedded Unit được miêu tả như hình dưới đây: 38 Hình 15. cấu trúc của Embedded Unit 6.2. Cải tiến để sử dụng Embedded Unit cho lập trình C cho 8051 Ta lập trình C cho 8051, chương trình C của ta sẽ có các biến đặc biệt, đó là các thanh ghi, các bit đặc biệt, các chân của vi điều khiển, vì vậy khi ta viết chương trình kiểm thử có các biến này, nếu ta sử dụng GCC để chạy thì sẽ báo lỗi, không thực thi được do thư viện của GCC không có các biến đó (thiếu thư viện). Tôi đã có một cải tiến đơn giản mà khá hiệu quả, giúp cho ta có thể chạy được các phép kiểm thử cho 8051 với GCC mà không bị báo lỗi, đó là tạo một file thư viện 8051.h, file này sẽ chứa các biến có tên trùng với các biến đặc biệt của 8051, có thể gọi đây là các biến giả, có tác dụng thay thế cho các biến thật khi ta sủ dụng các phép kiểm thử. Khi viết chương trình kiểm thử, ta sẽ include file 8051.h này vào, và khi chạy các phép kiểm thử đó với GCC, sẽ không bị báo lỗi vì thiếu thư viện nữa. Dưới đây là một số khai báo trong file 8051.h : unsigned char P0; unsigned char P1; unsigned char P2; ……. unsigned char TCON ; unsigned char IE ; 39 ….. unsigned char P0_0; unsigned char P0_1; Các thanh ghi được khai báo kiểu unsigned char vì mỗi thanh ghi có 8 bit, giá trị của nó sẽ nhận từ 0 đến 255, và kiểu unsigned char cũng là kiểu có 8 bit, giá trị từ 0 đến 255. Các bit đặc biệt của vi điều khiển 8051 ta cũng khai báo la kiểu unsigned char. 6.3. Ví dụ kiểm thử chương trình C cho 8051 với Embedded Unit Sau đây là một ví dụ nhỏ về kiểm thử chương trình cho 8051 với Embedded Unit có sử dụng file 8051.h ở trên Ta có 2 file là function.h và function.c chứa khai báo và cài đặt của một số hàm dùng cho chương trình 8051. function.h : int getPin3_0(); int getPort1(); function.c : #include "function.h" #include int getPin3_0( ) { return P3_0; } int getPort1( ) { return P1; 40 } 2 file trên cài đặt 2 hàm là getPin3_0( ) và getPort1( ), hàm getPin3_0( ) có tác dụng trả về giá trị chân P3.0 còn hàm getPort1( ) trả về giá trị của thanh ghi cổng P1. Ta sẽ viết chương trình kiểm thử cho 2 hàm này bằng cách tạo file functionTest.c như sau : #include #include "8051.h" #include "function.h" static void setUp(void) { } static void tearDown(void) { } //--------------------------------------------------- static void testGetPin3_0(void) { P3_0=1; TEST_ASSERT_EQUAL_INT(1, getPin3_0( )); } static void testGetPort1(void) { P1=0x41; // giá trị 65 dưới dạng hexa TEST_ASSERT_EQUAL_INT(65, getPort1( )); } //---------------------------------------------------------- TestRef FunctionTest_tests(void) 41 { EMB_UNIT_TESTFIXTURES(fixtures) { new_TestFixture("testGetPin3_0",testGetPin3_0), new_TestFixture("testGetPort1",testGetPort1), }; EMB_UNIT_TESTCALLER(FunctionTest,"FunctionTest",setUp, tearDown,fixtures); return (TestRef)&FunctionTest; } //------------------------------------------------------ int main (int argc, const char* argv[]) { TestRunner_start(); TestRunner_runTest(FunctionTest_tests()); TestRunner_end(); return 0; } Ta phải khai báo #include để sử dụng Embedded Unit Framework #include "8051.h" là để sử dụng các biến được định nghĩa trong file 8051.h #include "function.h" để kiểm thử các hàm được khai báo trong đó. Giống như nhiều Unit Test Framework khác, ta bắt buộc phải khai báo 2 phương thức setup( ) và teardown( ) để làm thủ tục khi bắt đầu chạy test và kết thúc các test, ở đây tôi cài đặt 2 phương thức này là rỗng, không làm gì cả. 2 phương thức testGetPin3_0( ) và testGetPort1( ) là 2 phương thức test mà ta dùng để test các hàm trong function.h FunctionTest_tests(void) là hàm tổ chức test, nó giống như các test suite ( bộ kiểm thử trong các công cụ unit test khác ), hàm này có kiểu trả về là TestRef, đây là kiểu con trỏ trỏ đến kiểu Test trong Embedded Unit 42 Cuối cùng là hàm main, hàm này sử dụng các macro được định nghĩa trong Embedded Unit để thực thi các test đã khai báo. Các file này ta để cùng trong một thư mục, thư mục này cũng chứa file 8051.h, và chứa 2 thư mục của Embedded Unit là embUnit và lib đã đề cập ở phần trên. Ta tạo makefile như sau: CC = gcc CFLAGS = -O INCLUDES = . LIBS = lib RM = rm TARGET = FunctionTest OBJS = functionTest.o function.o all: $(TARGET) $(TARGET): $(OBJS) $(CC) -o $@ $(OBJS) -L$(LIBS) -lembUnit .c.o: $(CC) $(CFLAGS) -I$(INCLUDES) -c $< clean: -$(RM) $(TARGET) $(OBJS) .PHONY: clean all Test Case trong trường hợp này là: - testGetPin3_0 : Kiểm tra chức năng hàm getPin3_0( ). Dữ liệu vào : P3.0 =1. Kết quả mong đợi : getPin3_0( ) =1. - testGetPort1: Kiểm tra chức năng hàm getPort1( ). Dữ liệu vào : P1=0x41. Kết quả mong đợi : getPort1( )=65. 43 Tiến hành test: Chạy makefile bằng cách gõ lệnh make trên môi trường dòng lệnh Command Prompt (cmd), file thực thi FunctionTest.exe, chạy file này, nó sẽ thông báo cho ta kết quả thực thi các phép kiểm thử như sau : . . OK ( 2 tests) Kết quả này có nghĩa là 2 phép kiểm thử của ta đã chạy đúng Ta thử quan sát phép một kiểm thử chạy sai bằng cách sửa lại hàm testGetPort1( ) thành như sau : static void testGetPort1(void) { P1=0x41; TEST_ASSERT_EQUAL_INT(66, getPort1( )); // sửa 65 thành 66 } Sau đó chạy lại makefile và chạy file thực thi FunctionTest.exe, ta sẽ nhận được kết quả như sau: . . FunctionTest.testGetPort1 (functionTest.c 25) exp 66 was 65 run 2 failures 1 Kết quả này cho thấy phép kiểm thử ở hàm testGetPort1( ) chạy sai, cụ thể ở dòng 25 trong file functionTest.c, kết quả mong đợi là 66 trong khi kết quả nhận được là 65. Thông báo lỗi này ngắn gọn nhưng lại khá chi tiết, ta có thể thấy rõ được lỗi xảy ra ở đâu. 6.4. Nhận xét Trên đây là một ví dụ nhỏ về kiểm thử chương trình cho vi điều khiển 8051 sử dụng công cụ Embedded Unit và file 8051.h, việc tạo file 8051.h này để chạy Embedded Unit là khá đơn giản mà hiệu quả, vì nó giúp ta thực hiện được các unit test cho vi điều khiển và hiển thị kết quả test ngay trên máy tính của mình, mà sử dụng một trình biên dịch không dành cho vi điều khiển đó. 44 Chương 7. Kết luận Trong quá trình thực hiện khóa luận này, tôi đã được tìm hiểu về lĩnh vực lập trình hệ thống nhúng cho vi điều khiển 8051 và hai phương pháp kiểm thử chương trình cho 8051. Phương pháp kiểm thử sử dụng chương trình giả lập để mô phỏng hệ thống giúp ta có nhìn nhận trực quan về chương trình của mình, mặc dù không hoàn toàn giống như khi chạy trên thiết bị thật nhưng cơ bản là ta có thể hình dung được về chương trình của mình có đúng như mong muốn hay không. Kiểm thử đơn vị sử dụng Unit Test Framework thì giúp cho ta có thể sớm phát hiện các lỗi lập trình trong các đơn vị chương trình nhỏ nhất. Hai phương pháp kiểm thử này là khác hẳn nhau nhưng đều giúp ta có thể kiểm tra được chương trình của mình, giúp ta phát hiện lỗi mà không cần phải chạy thử trên thiết bị. Tôi đã thực hiện được một phương pháp cải tiến để kiểm thử chương trình cho 8051 với công cụ Embedded Unit sử dụng trình biên dịch GCC, một trình biên dịch không dành cho vi điều khiển 8051. Bằng cách tạo file “8051.h” chứa các biến đặc biệt của 8051 để dùng khi test, nó giúp cho trình biên dịch GCC có thể biên dịch được các phép kiểm thử cho 8051 mà không báo lỗi. Ta có thể dùng file “8051.h” để kiểm thử chương trình cho tất cả các loại vi điều khiển trong họ 8051. Ta cũng có thể áp dụng cách này để kiểm thử cho nhiều họ vi điều khiển khác bằng cách tạo các file .h để miêu tả cho mỗi loại vi điều khiển. Ngoài ra, tôi cũng hiểu thêm về tầm quan trọng của kiểm thử phần mềm trong phát triển phần mềm, đặc biệt là đối với phần mềm nhúng. Ngày nay, phần mềm nhúng và hệ thống nhúng đang dần trở thành một ngành phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực công nghệ thông tin ,với những ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống. Vì vậy kiểm thử phần mềm nhúng càng trở nên quan trọng. 45 Phụ lục Phụ lục A: Kiến trúc vi điều khiển 8051 Để có thể lập trình C cho hệ thống 8051 không dùng hệ điều hành, ta cần phải nắm được cấu trúc phần cứng của vi điều khiển vì chương trình của ta làm việc trực tiếp trên nền phần cứng. Vi điều khiển 8051 bao gồm bộ xử lý (Control Unit) bên trong , bộ nhớ RAM và các thanh ghi, các khối điều khiển số học và điều khiển bộ nhớ. Ngoài ra, còn có các bộ tạo xung nhịp, kênh truyền nối tiếp và song song, các điều khiển ngắt và các cổng vào ra [1]. Sơ đồ chân của 8051 Sơ đồ chân là hình ảnh mô phỏng vi điều khiển, giống như một bản vẽ dể người ta có thể hình dung một cách trực quan về vi điều khiển đó. 8051 có 40 chân, trong đó 4 cổng vào ra (P0,P1, P2, P3), mỗi cổng gồm 8 chân (tương ứng với 8bit của 1 byte), và đều có chức năng nhận và xuất dữ liệu. Riêng cổng P3 là một cổng đặc biệt, còn thêm những chức năng khác như nhận ngắt, nhận và truyền dữ liệu nối tiếp [1]. Mỗi chân của vi điều khiển là một bit, gồm 2 mức trạng thái là “cao và thấp”. 8 chân cùng loại tạo nên 1 cổng (8 bit). VD : cổng P1 bao gồm 8 chân từ P1.0 đến P1.7 cổng P0 bao gồm 8 chân từ P0.0 đến P0.7 46 Hình 1. Sơ đồ chân của 8051 [11] . - Từ chân 32->39: Cổng vào ra P0, tương ứng với các chân P0.0 --> P0.7 (8bit). - Từ chân 1->8: Cổng vào ra P1. - Từ chân 21 -> 28: Cổng vào ra P2. - Từ chân 10->17: Cổng vào ra P3. Riêng cổng P3, mỗi bit có thêm chức năng như dưới đây : - P3.0 - RxD : chân nhận dữ liệu nối tiếp khi giao tiếp RS232(Cổng COM ). - P3.1 - TxD : phần truyền dữ liệu nối tiếp khi giao tiếp RS232. - P3.2 - INTO : interrupt 0 , ngắt ngoài 0. - P3.3 - INT1: interrupt 1, ngắt ngoài 1. - P3.4 - T0 : Timer0, đầu vào bộ định thời 0. - P3.5 - T1 : Timer1, đầu vào bộ định thời 1. - P3.6 - WR: Write, điều khiển ghi dữ liệu. 47 - P3.7 - RD: Read , điều khiển đọc dữ liệu. - Chân Vcc(40) và chân GND(20): Cấp nguồn cho vi điều khiển. Chân 40 bạn nối với +5V và chân 20 nối với mass (nối đất). - Chân 18 và chân 19 (XTAL 2 và XTAL 1): Nối với bộ dao động thạch anh (crystal) nhằm tạo xung nhịp cho VĐK. Hai chân này mỗi chân bạn nối với một đầu thạch anh. Ngoài ra, tại mỗi chân, bạn nối với một tụ 33pF xuống mass để bù nhiệt và ổn định hoạt động cho vi điều khiển. - Chân 9 (RST): Dùng để Reset VĐK. Khi chân này được đưa lên mức áp cao trong khoảng thời gian từ 2 chu kỳ máy trở lên thì VĐK sẽ được reset đưa về tình trạng lúc ban đầu. Chân này bạn nối với một điện trở 8,2K, nối với một nút ấn đưa lên nguồn +5V. Khi nhấn nút, chân số 9 sẽ được đưa lên mức áp cao và reset cho VĐK. - Chân PSEN: Bạn nối lên +5V để chỉ thị sử dụng chương trình từ ROM. - Chân 30 (ALE : Adress Latch Enable) là tín hiệu điều khiển xuất ra của 8051, nó cho phép phân kênh bus địa chỉ và bus dữ liệu của cổng P0. - Chân 31 (EA : Eternal Acess) cho phép chọn bộ nhớ ROM ngoài. Đối với 8051 thì : EA = 5V : Chọn ROM nội. EA = 0V : Chọn ROM ngoại. Thanh ghi: Mỗi thanh ghi là một ô nhớ 8 bit. Vi điều khiển cung cấp cho chúng ta 8 thanh ghi mặc định là từ R0 đến R7. Có những thanh ghi có chức năng đặc biệt và mỗi bit của nó đảm nhận 1 chức năng khác nhau, mỗi bit đó có một tên riêng. Vì thế chúng ta có thể thay đổi mức trạng thái của từng bit thay vì phải tác động lên cả thanh ghi. Điều đó sẽ giúp cho việc xử lý tín hiệu trở nên dễ dàng hơn. Thao tác lập trình trở nên đơn giản hơn [1]. Dữ liệu trong mỗi thanh ghi là một con số từ 00H->FFH (theo hệ hexa) hay từ 00000000B đến 11111111B( theo hệ nhị phân). Như các bạn thấy các số trong hệ nhị phân có 8 chữ số tượng trưng cho 8 bit của mỗi thanh ghi. Mỗi bit có 2 trạng thái ứng với 2 số là 0-mức thấp và 1-mức cao. Giá trị hexa chẳng qua chỉ là một cách viết gọn của những người đã quen với công việc lập trình. Chúng ta có thể chuyển từ nhị phân sang hexa một cách dễ dàng nhờ máy tính. 48 Vì sao viết hexa lại dễ hơn viết nhị phân. bởi vì trong lập trình vi điều khiển dữ liệu nạp cho mỗi thanh ghi đặc biệt là cố định ứng với mỗi chức năng khác nhau.Vì vậy khi quen rồi bạn viết bằng hexa sẽ nhanh gọn hơn. Chúng ta cũng có thể sử dụng số thập phân. Ngoài các thanh ghi mặc định, còn có một số những thanh ghi đặc biệt (SFR) khác như đã đề cập ở trên trong phần “bit địa chỉ”. 8051 có 21 thanh ghi chức năng đặc biệt SFR chiếm phần trên của Ram nội từ địa chỉ 80H đến FFH .Các thanh ghi đặc biệt mang chức năng khác nhau chúng được cấu tạo từ 8 bit, và chúng ta có thể lấy dữ liệu trực tiếp từ địa chỉ bit hoặc thông qua tên gọi của của chúng. Một số thanh ghi đặc biệt là: - Các thanh ghi của bộ định thời: TMOD là thanh ghi chọn chế độ định thời. TCON (định địa chỉ từng bit) là thanh ghi điều khiển chế độ định thời. TL0 - TH0 là 2 thanh ghi quy ước byte thấp và byte cao của bộ định thời 0. TL1 - TH1 là 2 thanh ghi quy ước byte thấp và byte cao của bộ định thời 1. - Thanh ghi chính (thanh ghi A): Thanh ghi tính toán chính của vi điều khiển 8051 ACC (Accumulator). Là thanh ghi đặc biệt của 8051 dùng để thực hiện các phép toán của CPU, thường kí hiệu là A. - Thanh ghi phụ (thanh ghi B): Thanh ghi tính toán phụ của vi điều khiển 8051 là B. Thanh ghi B ở địa chỉ F0H được dùng chung với thanh chứa A trong các phép toán nhân, chia. Thanh ghi B còn được xử lý như một thanh ghi nháp. Các bit được định địa chỉ của thanh ghi B có địa chỉ từ F0H đến F7H. - Thanh ghi trạng thái chương trình (PSW) : Thanh ghi trạng thái chương trình PSW là thanh ghi mô tả toàn bộ trạng thái chương trình đang hoạt động của hệ thống - Thanh ghi ngăn xếp (Stack Pointer) : 49 Con trỏ stack SP (stack pointer) là 1 thanh ghi 8 bit ở địa chỉ 81H. SP chứa địa chỉ của dữ liệu hiện đang ở đỉnh của stack. Các lệnh liên quan đến satck bao gồm lệnh cất dữ liệu vào stack và lệnh lấy dữ liệu ra khỏi stack. Việc cất vào stack làm tăng SP trước khi ghi dữ liệu và việc lấy dữ liệu ra khỏi stack sẽ giảm SP. Vùng stack của 8051 được giữ trong RAM nội và được giới hạn đến các địa chỉ truy xuất được bởi kiểu định địa chỉ gián tiếp. Các lệnh PUSH và POP sẽ cất dữ liệu vào stack và lấy dữ liệu từ stack, các lệnh gọi chương trình con (ACALL, LCALL) và lệnh trở về (RET, RETI) cũng cất và phục hồi nội dung của bộ đếm chương trình PC (Program counter) - Con trỏ dữ liệu DPTR : Con trỏ dữ liệu DPTR (data pointer) được dùng để truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài hoặc bộ nhớ dữ liệu ngoài. DPTR là một thanh ghi 16 bit có địa chỉ là 82H (DPL, byte thấp) và 83H (DPH, byte cao). - Thanh ghi các cổng P0-P3 : Các cổng P0 đến P3 cũng là những thanh ghi xuất nhập.v.v - Thanh ghi bộ đệm truyền thông nối tiếp SBUF (Serial Data Buffer) : Bộ đệm truyền thông được chia thành hai bộ đệm, bộ đệm truyền dữ liệu và bộ đệm nhận dữ liệu. Khi dữ liệu được chuyển vào thanh ghi SBUF, dữ liệu sẽ được chuyển vào bộ đệm truyền dữ liệu và sẽ được lưu giữ ở đó cho đến khi quá trình truyền dữ liệu qua truyền thông nối tiếp kết thúc. Khi thực hiện việc chuyển dữ liệu từ SBUF ra ngoài, dữ liệu sẽ được lấy từ bộ đệm nhận dữ liệu của truyền thông nối tiếp. - Các thanh ghi điều khiển : Các thanh ghi điều khiển đặc biệt như IP, IE, TMOD, TCON, SCON và PCON là các thanh ghi điều khiển và ghi nhận trạng thái của hệ thống ngắt, bộ đếm/định thời, truyền thông nối tiếp. Ngắt ( Interrupt ) Ngắt là một sự kiện bên trong hoặc bên ngoài làm ngắt bộ vi điều khiển để báo cho nó biết rằng thiết bị cần dịch vụ của nó. Mỗi khi có một thiết bị bất kỳ cần đến dịch vụ của nó thì nó bao cho bộ vi điều khiển bằng cách gửi một tín hiệu ngắt. Khi nhận được tín hiệu ngắt thì bộ vi điều khiển ngắt tất cả những gì nó đang thực hiện để chuyển sang phục 50 vụ thiết bị. Chương trình đi cùng với ngắt được gọi là trình dịch vụ ngắt ISR (Interrupt Service Routine) hay còn gọi là trình quản lý ngắt (Interrupt handler). Đối với mỗi ngắt thì phải có một trình phục vụ ngắt ISR hay trình quản lý ngắt. Khi một ngắt được gọi thì bộ vi điều khiển chạy trình phục vụ ngắt, sau đó vi điều khiển quay trở lại công việc đang làm trước khi có ngắt. Đối với mỗi ngắt thì có một vị trí cố định trong bộ nhớ để giữ địa chỉ ISR của nó. Nhóm các vị trí nhớ được dành riêng để gửi các địa chỉ của các ISR được gọi là bảng véc tơ ngắt Bảng 1. Bảng véc tơ ngắt của 8051 Ngắt Địa chỉ ROM Cờ Bật lại nguồn (RESET) 0000 RST Ngắt phần cứng ngoài (INT0) 0003 IE0 Ngắt Timer0 (TF0) 000B TF0 Ngắt phần cứng ngoài 1 (INT1) 0013 IE1 Ngắt Timer1 (TF1) 001B TF1 Ngắt COM nối tiếp (RI và TI) 0023 RI hoặc TI Tổ chức bộ nhớ Các vi điều khiển thuộc họ 8051 đều tổ chức thành 2 không gian chương trình và dữ liệu. Kiến trúc vi xử lý 8 bit của 8051 này cho phép truy nhập và tính toán nhanh hơn đối với không gian dữ liệu nhờ việc phân chia 2 không gian bộ nhớ chương trình và dữ liệu như trên. Tuy nhiên bộ nhớ ngoài được truy nhập bởi hệ thống 16 bit địa chỉ vẫn có thể thực hiện nhờ thanh ghi con trỏ. Bộ nhớ chương trình (ROM, EPROM) là bộ nhớ chỉ đọc, có thể mở rộng tối đa 64Kbyte. Vói họ vi điều khiển 8051, bộ nhớ chương trình được tích hợp sẵn trong chip có kích thước nhỏ nhất là 4kByte. Với các vi điều khiển không tích hợp sẵn bộ nhớ chương 51 trình trên chip, buộc phải thiết kế bộ nhớ chương trình bên ngoài. Ví dụ sử dụng EPROM: 2764 (64Kbyte), khi đó chân PSEN phải ở mức cao (5V). Hình 2. Cấu trúc vi điều khiển 8051 Bộ nhớ dữ liệu (RAM) tồn tại độc lập so với bộ nhớ chương trình. Họ vi điều khiển 8051 có bộ nhớ dữ liệu tích hợp trên chip nhỏ nhất là 128byte và có thể mở rộng với bộ nhớ dữ liệu ngoài lên tới 64kByte. Với những vi điều khiển không tích hợp ROM trên chip thì vẫn có RAM trên chip là 128byte. Khi sử dụng RAM ngoài, CPU đọc và ghi dữ liệu nhờ tín hiệu trên các chân RD và WR. Khi sử dụng cả bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu bên ngoài thì buộc phải kết hợp chân RD và PSEN bởi cổng logic AND để phân biệt tín hiệu truy xuất dữ liệu trên ROM hay RAM ngoài[1]. Phụ lục B: Hướng dẫn sử dụng Embedded Unit Sau khi tải về từ , ta giải nén Embedded Unit, được thư mục embunit có cấu trúc như sau [7] : 52 Hình 16. thư mục mã nguồn của Embedded Unit Ta tạo một thư mục có tên là lib trong thư mục gốc, sau đó ta vào trong thư mục “embunit/embUnit” ( thư mục embUnit con ở bên trong thư mục gốc), chạy makefile tại đây, sẽ có một file thư viện libembunit.a được tạo ra trong thư mục lib vừa tạo, đây chính là thư viện được sử dụng để chạy các phép kiểm thử. Thư mục samples chứa một chương trình test ví dụ đã được tạo sẵn, thư mục Tests chứa chương trình ví dụ để test chính một số file trong thư mục embUnit. Để tạo các phép kiểm thử và chạy chúng, ta chỉ cần sử dụng thư mục embUnit và thư mục lib, vì vậy tạm thời ta không cần quan tâm đến 2 thư mục textui và thư mục tools, đây là 2 thư mục chứa một số tiện ích nâng cao khi sử dụng Embedded Unit. Một số hàm assert dùng trong Embedded Unit : Bảng 2. Các hàm assert của Embedded Unit Assertion Ghi chú TEST_ASSERT_EQUAL_STRING(expected,actual) xác nhận xâu kí tự thực và xâu mong đợi là tương đương TEST_ASSERT_EQUAL_INT(expected,actual) xác nhận số nguyên thực tế và số nguyên mong đợi là tương đương TEST_ASSERT_NULL(pointer) xác nhận con trỏ có giá trị NULL TEST_ASSERT_MESSAGE(condition, message) xác nhận điều kiện là đúng (khác 0) TEST_ASSERT(condition) xác nhận điều kiện là đúng (khác 0) TEST_FAIL(message) Thông báo xác nhận (assertion) bị lỗi, không có test được thực hiện 53 Trong thư mục samples đã chứa các ví dụ được viết sẵn về kiểm thử sử dụng Embedded Unit, ta vào thư mục này chạy makefile, một file thực thi sẽ được tạo ra, chạy file này, nó sẽ hiển thị kết quả các phép kiểm thử trong ví dụ đó. Cách viết các test cũng khá đơn giản, ta có thể xem các file mã nguồn và không có gì khó khăn để hiểu chúng. 54 55 Tài liệu tham khảo [1] DKS Group, giáo trình 8051 cơ bản, nguồn [2] , mô phỏng 8051 trên Proteus [3] Phạm Quốc Hiệp, hướng dẫn Proteus, nguồn [4] , 8051 Development tools. [5] [6] [7] [8] for.html [9] [10] [11] Bashir Oyetunji, Complete 8051 Guide, University of Saskatchewan, IEEE SPARC 2006-07 [12] Bar t Broekman and Edwin Notenboom, Testing Embedded Software, Website: www.it-minds.com, www.aw.professional.com, First Published in Great Britain in 2003, từ trang 21 đến trang 26. [13] Edward A. Lee, Embedded Software, November 1, 2001. [14] Jakob Engblom, Guillaume Girard, Bengt Werner, Testing Embedded Software using Simulated Hardware, Virtutech AB, Norrtullsgatan 15, 11327 Stockholm, Sweden.