Język C dla mikrokontrolerów 8051. Formatowanie za pomocą <stdio.h>.

Pisząc program w języku C czasami warto zadać sobie pytanie: czy naprawdę muszę tworzyć funkcję dokonującą konwersji wartości dziesiętnej na szesnastkową? Przecież chociażby biblioteka o nazwie STDIO zawiera w sobie możliwość formatowania zarówno danych wejściowych, jak i wyjściowych. Czy nie ma możliwości skorzystania z czyjejś pracy i zaoszczędzenia własnego czasu?

Biblioteka o nazwie STDIO.H (standard input – output) zawiera szereg funkcji umożliwiających odczyt i wyprowadzanie znaków do (z) standardowego urządzenia wejścia – wyjścia. W „dużym” komputerze role tych urządzeń spełniają klawiatura i monitor. W przypadku mikrokontrolera przyjęto, że funkcje STDIO wykorzystują interfejs szeregowy UART (po konwersji poziomów napięć wyjściowych – RS232) traktując go jako standardowe urządzenie do komunikacji z użytkownikiem.
W przypadku kompilatora RC-51 nastawy UART dokonywane są tuż po uruchomieniu napisanej dla mikrokontrolera aplikacji. Zajmuje się tym funkcja _C_INIT_IO. Ustawia ona TIMER 1 jako generator sterujący transmisją, nadając jego rejestrowi TH1 predefiniowaną wartość początkową. Domyślnie jest to 0xE8, co odpowiada prędkości transmisji 1200 bps przy częstotliwości zegara 11,0592 MHz. Wartość tę można zmienić używając polecenia #pragma (na przykład polecenie #pragma DEFJ(TIM1_INIT=0xFD) przy tej samej częstotliwości generatora zegarowego, ustawi prędkość transmisji na wartość 19200 bps). Ale jeśli byłyby to tylko i wyłącznie instrukcje wysyłania oraz odbioru znaków, nie warto by było poruszać tego tematu. Istnieje bowiem mnóstwo dobrych opracowań na temat bibliotek wykorzystywanych przy programowaniu w języku C. Na listingu 1 zamieszczono nagłówki funkcji predefiniowane przez firmę Raisonance.

printf() = formatowane wyjście

Każdy, kto kiedykolwiek wykorzystywał funkcje predefiniowane w STDIO.H wie, że umożliwiają one formatowanie danych. Zgodnie ze specyfikacją standardu ANSI, szereg z nich dokonuje przekształceń wewnętrznych wartości na znaki lub odwrotnie. W tym odcinku kursu szczególną uwagę poświęcimy funkcji printf() dającej programiście nie tylko szereg możliwości wykorzystania, lecz również pozwalającej na redukcję czasu koniecznego do stworzenia aplikacji.
Wyjściowa funkcja printf() tłumaczy wewnętrzne wartości na znaki. Jednym słowem bajty danych zamieniane są na postać zrozumiałą przez człowieka.

int printf(char *wzorzec, argument_1, argument_2 ... )

Przekształcenie odbywa się według i pod nadzorem wzorca zapisanego we „wzorzec”. Funkcja przekształca, formatuje i wypisuje swoje argumenty do standardowego wyjścia.

List. 1. Funkcje STDIO.H predefiniowane przez RAISONANCE, producenta pakietu RC-51

extern int_getkey(void);
extern intgetchar (void);
extern charungetchar (char c) reentrant;
extern char*gets (char *s) reentrant;
extern intputchar (const int c );
extern int puts (const char *s ) reentrant;
extern int printf(const char *format, ...) reentrant;
extern int sprintf(char *buffer, const char *format, ...) reentrant;
extern int scanf(const char *format, ...) reentrant;
extern int sscanf(const char *buffer, const char *format, ...) reentrant;

Jak wspomniałem wcześniej, w przypadku mikrokontrolera 8051, jest to interfejs UART. Wzorzec zawiera obiekty dwojakiego rodzaju: zwykłe znaki, które są przesyłane do wyjścia oraz specyfikacje przekształceń. Każda z nich wskazuje na sposób, w jaki zostanie przekształcony i wypisany dany argument. Specyfikację przekształcenia rozpoczyna znak % a kończy znak dla niego charakterystyczny. Między znakiem % i znakiem przekształcenia mogą – według następującej kolejności - wystąpić:
- znak „–” (minus) polecający dosunięcie przekształconego argumentu do lewego krańca jego pola,
- liczba określająca rozmiar pola (argument zostanie wypisany w postaci o rozmiarze co najmniej pola, a jeśli będzie taka potrzeba, zostanie uzupełniony znakami odstępu z prawej lub lewej strony w zależności od żądania dosunięcia znaków w lewo),
- znak „.” (kropka) oddzielający rozmiar pola argumentu od jego precyzji,
- liczba określająca precyzję, to jest maksymalną liczbę znaków dla tekstu, liczbę cyfr po kropce dziesiętnej dla liczb zmienno-pozycyjnych, minimalną liczbę cyfr dla wartości całkowitych,
- litera „h”, jeśli argument całkowity należy wyprowadzić w postaci short, lub „l” („el”) jeśli argument należy wyprowadzić jako long.
W tabeli 1 zestawiono podstawowe znaki przekształcenia dla funkcji printf(). Szerokość pola lub precyzję można w specyfikacji zastąpić znakiem „*” (gwiazdki), co oznacza, że żądany argument należy wyprowadzić i przekształcić korzystając z kolejnego argumentu funkcji. Uwaga: musi on być typu int! Na przykład wypisanie co najwyżej max znaków z S wygląda następując: printf(„%.*s”, max, S);

Tab. 1. Podstawowe przekształcenia funkcji printf().

Stosując funkcję printf() należy pamiętać, że wykorzystuje ona swój pierwszy argument do określenia typu, rozmiarów i liczby pozostałych argumentów. Jeśli programista poda zły wzorzec przekształceń, to mimo opisywanej wcześniej filozofii języka C (zaufaj programiście, on wie co robi), funkcja będzie „zdezorientowana” i na wyjściu wyprowadzone zostaną błędne rezultaty jej pracy. Programista powinien mieć świadomość, że efekt wywołań funkcji printf() w postaci printf(s) oraz printf(„%s”,s) może być zupełnie odmienny, aczkolwiek kompilator języka C dopuszcza stosowanie jednej i drugiej postaci. Jeśli jednak nie podamy wzorca wyprowadzanego łańcucha, to może się okazać, że gdy w zmiennej s wystąpią znaki specjalne (% *), łańcuch, który zamierzamy wyprowadzić, zostanie potraktowany jako wzorzec. Na koniec tej krótkiej prezentacji, warto również wspomnieć o funkcji sprintf(), będącej odmianą printf() lecz z tą różnicą, że nie wyprowadza ona danych, tylko zapisuje je w pamięci.

List. 2. Przykłady użycia funkcji printf().

const char* TEKST = "Tekst przykładowy";
printf(„:%s:”,TEKST);  →      :Tekst przykładowy:
printf(„:%10s:”,TEKST);  →    :Tekst przykładowy:
printf(„:%.10s:”,TEKST);  →   :Tekst przy:
printf(„:%25.s:”,TEKST);  →   :        Tekst przykładowy:
printf(„:%-25.s:”,TEKST);  →  :Tekst przykładowy        :
printf(„:%025.10s:”,TEKST); → :Tekst przy               :

int X = 123;

printf(„%s %04X %s”, „123 Dec. =”, X, „Hex”); → 123 Dec. = 007B Hex
printf(„%s %o %s”, „123 Dec. =”, X, „Oct”); → 123 Dec. = 173 Oct

Dla praktyków – obsługa wyświetlacza LCD z wykorzystaniem funkcji printf()

Teraz dotarliśmy wreszcie do meritum tego artykułu. Oczywiście – chciałem w krótki sposób zaprezentować funkcje STDIO.H, jednak celem tego artykułu jest nie tyle ich prezentacja ile wytłumaczenie metody, dzięki której można zaprząc je do pracy. Z doświadczenia wiem, że 80% tworzonych przeze mnie aplikacji nie korzysta z interfejsu UART i nic nie stoi na przeszkodzie w wykorzystaniu STDIO.H dla innych potrzeb.
Funkcja printf() jest zaimplementowana od szczegółu do ogółu. Co to oznacza? U podstaw jej działania leży funkcja putchar() wysyłająca pojedynczy znak przez UART. Funkcja printf() nie wie, gdzie i z pomocą jakiego interfejsu wyprowadzane są dane. Zajmuje się tym putchar() i to ją właśnie należy zmienić, aby znaki wysyłane były nie przez UART, ale na przykład na wyświetlacz LCD. Oczywiście, o ile UART i jego obsługa są pewnym standardem w obrębie rodziny mikrokontrolerów 8051, o tyle implementacja obsługi wyświetlacza zależy od konkretnego środowiska, w którym pracuje mikrokontroler.
W przykładzie programu z listingu 2 dokonałem zmiany definicji putchar() w taki sposób, że znaki wysyłane są na wyświetlacz LCD a nie przez UART. Wykorzystałem tu bibliotekę funkcji obsługi LCD z jednego z poprzednich odcinków kursu. Odpowiednie pliki można znaleźć w materiałach dołączanych dodatkowo do artykułu.

Jak widać na podstawie przykładu programu, redefinicja putchar() nie jest zbyt trudna do wykonania. Nagłówek funkcji musi być zgodny ze zdefiniowanym wcześniej przez producenta pakietu. Można zobaczyć jego pożądany wygląd otwierając właściwy zbiór nagłówkowy o rozszerzeniu „H” (np. STDIO.H). Ciało może być zestawem dowolnych instrukcji.
Tworząc redefinicje, należy zwrócić szczególną uwagę na to, jakie rejestry będą modyfikowane przez nową funkcję. Zgodnie z dokumentacją producenta (a do niej należy każdorazowo odwoływać się tworząc redefinicję) funkcja printf() spodziewa się, że putchar() modyfikuje wyłącznie zawartość rejestrów UART, R7 i ACC mikrokontrolera oraz przydzielonego na zmienne obszaru pamięci. Jeśli nowo napisana funkcja zmienia zawartość również innych rejestrów, musi być zastosowana inna metoda redefinicji, zaprezentowana w przykładzie z listingu 3. Przed użyciem putchar_c() wewnątrz putchar(), wszystkie żywotne rejestry mikrokontrolera są zapamiętywane na stosie i odtwarzane po powrocie z wywołania funkcji. Listing prezentuje również fragment kodu w języku asembler 8051 wykonywany podczas wywołania putchar(). Słowo kluczowe reentrant języka RC-51 informuje kompilator o tym, że funkcja może być wywoływana przez wiele procesów jednocześnie.

Przedstawione tu przykłady tworzenia własnych funkcji zamieniających oryginalne definicje, to wierzchołek góry. Istnieje bowiem cały szereg różnych możliwości – począwszy od bibliotek obsługi standardowego wejścia – wyjścia aż po bibliotekę MATH (operacje matematyczne na liczbach zmienno-pozycyjnych). Wszystko zależy od inwencji programisty i od faktycznych potrzeb aplikacji. Wykorzystując biblioteki należy jednak pamiętać o tym, że oferują one szereg różnych możliwości kosztem zajętej pamięci programu mikrokontrolera.

Jacek Bogusz
j.bogusz@easy-soft.net.pl