Экосистема и средства разработки от Microchip

В статье приведен обзор экосистемы Microchip и ее основных программных составляющих, таких как MPLAB X IDE, MPLAB Code Configurator, MPLAB Harmony и т. д., предназначенных для упрощения процесса разработки встраиваемых решений

Когда речь заходит об электронной промышленности, конкурентоспособность того или иного производителя во многом определяется скоростью вывода на рынок новых решений или обновления функционала уже существующих продуктов. Оба фактора зависят от сложности самого решения, а также применяемых при его построении аппаратных и программных средств. Использование продуктов от разных производителей может значительно усложнить процесс и отнять время и силы у ценных сотрудников, которые будут вынуждены прибегать к различным хитростям и «костылям» для интеграции новых компонентов в проект и их последующей настройки. Выходом из ситуации является использование продуктов, совместимость которых не вызывает сомнений еще на этапе закупки. Как правило, это решения от одного производителя, который предоставляет своим клиентам не только отдельные компоненты, но и целую экосистему, призванную максимально упростить построение проектов и ускорить процесс производства. Одним из таких производителей является основанная в 1987 году американская компания Microchip (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Экосистема компании Microchip.

В данной статье рассказывается об основных составляющих экосистемы для работы с микроконтроллерами и микропроцессорами компании Microchip. Прежде всего речь пойдет о программном обеспечении; именно на этом поприще компания за последние несколько лет достигла определенных успехов и создала продукты, способные значительно ускорить процесс разработки.

Предложенные в статье программные решения позволяют создавать масштабные проекты с возможностью установки плагинов и отладки в реальном времени (MPLAB X IDE), генерировать и редактировать код онлайн, без установки программы на персональный компьютер (MPLAB Xpress), настраивать работу контроллеров при помощи графического интерфейса (MPLAB Code Configurator, MPLAB Harmony), добавлять новый функционал в уже знакомые среды разработки (Microchip Studio) и многое, многое другое.

Программные средства разработки Microchip

Microchip предлагает своим клиентам широкий перечень программных решений, позволяющих значительно упростить процесс разработки и отладки программного кода при работе с компонентами, входящими в экосистему компании.

На текущий момент пользователям доступны следующие решения:

• MPLAB X IDE – полнофункциональная интегрированная среда разработки (IDE), предназначенная для разработки кода для микроконтроллеров PIC, цифровых сигнальных контроллеров (DSC) dsPIC, а также микроконтроллеров AVR и SAM. Среда построена на основе IDE NetBeans с открытым исходным кодом от Apache Software Foundation.
   
• MPLAB Xpress – представляет собой бесплатную онлайн-среду разработки, которая не требует установки или настройки системы. MPLAB Xpress имеет более ограниченный функционал по сравнению с MPLAB X IDE, однако поддерживает ее наиболее популярные функции, такие как конфигуратор кода MPLAB.
   
• Конфигуратор кода MPLAB (MCC) – бесплатный графический плагин для инициализации системы, который также предоставляет драйверы для работы с компонентами. MCC может использоваться для настройки широкого спектра периферийных устройств и поддерживает работу с микроконтроллерами AVR и PIC.
   
• MPLAB Harmony – гибкий фреймворк, включающий в себя программные модули, которые выступают в роли строительных блоков при создании приложения. Используя MPLAB Harmony, разработчик может включить в свой проект библиотеки и программные драйверы как компании Microchip, так и сторонних производителей. MPLAB Harmony поддерживает работу с 32-битными микроконтроллерами PIC и SAM.
   
• Компиляторы MPLAB XC – комплексное решение для компиляции разрабатываемого программного кода. MPLAB XC поддерживает 8-битные PIC и AVR в версии MPLAB XC8, 16-битные PIC и dsPIC DSC в MPLAB XC16 и 32-битные PIC и SAM в MPLAB XC32. Для компиляторов MPLAB XC доступны два вида лицензии: бесплатная – включает базовые функции оптимизации и PRO – ориентирована на проекты, требующие максимальной оптимизации по скорости и размеру бинарного файла.
   
• Microchip Studio (Atmel Studio 7) – интегрированная среда разработки (IDE) для написания кода и отладки микроконтроллеров AVR и SAM.
• Atmel START – бесплатный онлайн-инструмент для графического конфигурирования микроконтроллеров для встраиваемых приложений на базе микроконтроллеров AVR и SAM.

Как несложно заметить, те или иные программные средства подходят только для определенного типа контроллеров. В Таблице 1 приведены данные по возможности работы с программным обеспечением в зависимости от выбранного микроконтроллера или микропроцессора.

Таблица 1.

Данные по возможности работы программного обеспечения в зависимости от выбранного микроконтроллера или микропроцессора

Микро- контроллеры AVR Микро- контроллеры PIC Цифровые контроллеры сигналов dsPIC Микро- контроллеры SAM Семейства микро- контроллеров CEC/MEC Микро- процессоры IDE MPLAB X IDE + + + + + + MPLAB Xpress + + + — — — Microchip Studio + — — + — — Компиляторы MPLAB XC + + + + + + AVR GCC + — — — — — ARM GCC [1] — — — + — + Конфигураторы кода MPLAB Code Configurator + + + — — — MPLAB Harmony — +, только для 32-битных версий — + — + Atmel Start + — — + — — Средства програм- мирования для производства MPLAB IPE + + + + — — MPLAB PM3 — + + — — —

Для упрощения процесса работы, компания Microchip объединила информацию по своим продуктам в раздел Microchip Developer Help [2], в котором подробно описаны все тонкости работы с приведенными выше программными пакетами, а также приведены ссылки на продукты, дополнительные ресурсы, видеоуроки, курсы и документацию.

Стоит также учитывать возможность работы программного обеспечения на той или иной операционной системе. Например, инструменты разработки MPLAB совместимы с операционными системами Windows, Linux и macOS, а Microchip Studio (Atmel Studio 7) способна работать только под Windows.

Разберем описанные выше программные решения более подробно.

Интегрированная среда разработки MPLAB X

MPLAB X IDE представляет собой среду, которая объединяет в себе весь необходимый набор инструментов для настройки, разработки, отладки и оценки возможностей микроконтроллеров и микропроцессоров, производимых компанией Microchip (Рисунок 2). Среда построена на основе IDE NetBeans с открытым исходным кодом от Apache Software Foundation и распространяется бесплатно.

Рисунок 2.	Стартовое окно MPLAB X IDE.

MPLAB X IDE обладает широкими возможностями для написания исходного кода программы, ее дальнейшей отладки и оптимизации проекта. Столь обширный функционал обеспечен благодаря наличию в MPLAB X IDE следующих модулей и возможностей (Рисунок 3):

• Менеджер проектов (Project Manager) – служит для управления файлами рабочих групп;
• Редактор кода (Editor) – позволяет редактировать и создавать программный код проекта;
• Поддержка программаторов/отладчиков MPLAB ICD и MPLAB REAL ICE;
• Симулятор MPLAB X Simulator, пошагово моделирующий работу программы;
• Поддержка компиляторов MPLAB XC (XC8, XC16 и XC32) – преобразуют исходный код на языках С, С++, ассемблер в машинный;
• И так далее.

Рисунок 3.	Составляющие среды MPLAB X IDE.

MPLAB X предлагает пользователю широкий функционал, способный помочь быстро отладить проект и минимизировать время разработки. Данная IDE может рассчитать время исполнения операций (инструмент Stopwatch), открыть доступ к переменным и специальным регистрам контроллера, объединить разрозненные файлы в один проект и многое другое. В папке, где размещается MPLAB X, по пути emplatecode лежат файлы-шаблоны для проектов, с которых удобно начать работу.

Кроме того, возможности MPLAB X IDE можно расширить с помощью множества плагинов как от компании Microchip или NetBeans, так и от сторонних производителей.

Примерами доступных для MPLAB X IDE плагинов могут служить:

• Монитор данных и контроллер интерфейсов (DMCI). DMCI позволяет разработчику изучать или изменять содержимое переменных без необходимости остановки приложения во время сеанса отладки;
• Конфигуратор кода Microchip (MCС) – графический плагин для инициализации системы, который также предоставляет драйверы для работы с компонентами;
• Графический интерфейс пользователя SMPS Buck (SMPSGUI) – представляет собой плагин, упрощающий работу и настройку гибридных ШИМ-контроллеров, в частности – MCP19110/11/18/19;
• Конфигуратор дисплея Graphics Display Designer (GDD) – инструмент разработки интерфейсов, который позволяет быстро и легко создавать графический интерфейс пользователя для приложений на основе 16- или 32-разрядных микроконтроллеров PIC;
• Программный пакет Proteus VSM Viewer, позволяющий виртуально собрать схему электронного устройства и симулировать его работу, выявляя ошибки, допущенные на стадии проектирования и трассировки;
• Модуль отладки Segger J-Link, позволяющий работать с устройствами JTAG;
• И так далее.

Полный список доступных и установленных плагинов можно найти в соответствующем разделе программы.

Следует отметить, что помимо положений, описанных в руководстве Microchip Developer Help, которое уже упоминалось ранее, компания Microchip предоставляет своим клиентам специальный обучающий курс [3], в котором приведено подробное описание среды. По окончании курса пользователь получит основные представления о принципах работы с MPLAB X IDE, узнает, как открыть и построить проект, усвоит основные принципы отладки и загрузки кода в микроконтроллер и многое другое.

MPLAB Xpress IDE

В тех случаях, когда у клиента нет возможности установить полноценную MPLAB X IDE для работы или необходимо быстро создать/отредактировать проект, на помощь приходит среда Microchip MPLAB Xpress. MPLAB Xpress – это бесплатная интерактивная онлайн-среда разработки, которая не требует какой-либо установки или настройки системы. Для начала работы со средой достаточно перейти на страницу MPLAB Xpress [4]. MPLAB Xpress является упрощенной и усовершенствованной версией MPLAB X IDE и содержит основные ее наиболее популярные и необходимые для работы функции (Рисунок 4).

Рисунок 4.	Работа с тестовым проектом в среде MPLAB Xpress.

MPLAB Xpress станет прекрасным выбором для тех, кто только начинает знакомство с продукцией компании Microchip. Когда же дело дойдет до серьезной разработки и возможностей MPLAB Xpress окажется недостаточно, пользователь сможет без труда перенести существующий проект в MPLAB X IDE.

MPLAB Xpress включает в себя последнюю версию MPLAB Code Configurator и совместима с оценочными платами MPLAB Xpress, платами Curiosity, Explorer 16/32 и программатором/отладчиком PICkit 4. В MPLAB Xpress разработчику также доступна программная симуляция проекта и его аппаратная отладка на подключенной к персональному компьютеру отладочной плате (Рисунок 5).

Рисунок 5.	Установка подключения к отладочной плате для работы в MPLAB Xpress.

Также стоит отметить внушительный объем хранилища (10 Гбайт) для хранения файлов проектов и репозиторий, где пользователь может делиться своими идеями с другими пользователями или черпать вдохновение из уже существующих решений. Вся доступная информация по работе со средой, как и в случае с MPLAB X, располагается в разделе Microchip Developer Help [5].

MPLAB Code Configurator

MPLAB Code Configurator (MCC) – бесплатный графический плагин для инициализации системы, который также предоставляет драйверы для работы с компонентами. MCC имеет интуитивно понятный интерфейс и содержит в себе богатый набор периферийных устройств и функций.

К ключевым особенностям MPLAB Code Configurator можно отнести:

• Инициализация в графической форме системных регистров, портов ввода/вывода и независимой от ядра периферии;
• Отображение списка доступных и выбранных периферийных модулей для конкретного микроконтроллера;
• Система оповещений, предупреждающая о возможных ошибках конфигурирования;
• Может использоваться для настройки и генерации библиотек.

MPLAB Code Configurator поддерживает микроконтроллеры PIC и AVR и позволяет создавать рабочий код всего за несколько кликов мышкой, что значительно ускоряет процесс разработки, особенно когда дело касается прототипов (Рисунок 6).

Рисунок 6.	Пример работы в MPLAB Code Configurator.

Существует 3 варианта начала работы с MPLAB Code Configurator:

1. Использование облачной IDE MPLAB Xpress. MPLAB Xpress уже включает в себя предустановленный MPLAB Code Configurator и все, что требуется пользователю для начала работы, – это создать новый или открыть существующий проект и выбрать соответствующий раздел в шапке меню. Открытие проекта необходимо для того, чтобы MCC мог получить имя используемого контроллера и подгрузить необходимые данные, касающиеся регистров и битов конфигурации, а также настроить графический интерфейс.
    
2. Установить плагин MCC в MPLAB X IDE. Если у вас установлена MPLAB X IDE, все, что вам нужно сделать, чтобы начать работу с MCC, – это загрузить его из библиотеки плагинов через вкладку «Plugins».
    
3. Ручная установка плагина MCC в MPLAB X IDE. В тех случаях, когда пользователю необходимо использовать предыдущие версии MCC, он может установить требуемую версию плагина вручную, предварительно скачав соответствующий файл с сайта компании.

MPLAB Harmony v3

MPLAB Harmony представляет собой фреймворк для разработки встроенного программного обеспечения на базе 32-разрядных микроконтроллеров и микропроцессоров. MPLAB Harmony предоставляет пользователю гибкие и функционально совместимые программные модули, которые выступают в роли строительных блоков при создании приложения и упрощают процесс разработки и, как следствие, способствуют сокращению времени вывода продукта на рынок (Рисунок 7).

Рисунок 7.	Пример настройки проекта в MPLAB Harmony.

Модули в MPLAB Harmony делятся на четыре категории:

• Библиотеки периферии;
• Драйверы устройств;
• Системные службы;
• Промежуточное программное обеспечение (middleware).

Библиотеки периферии (PLIB) обеспечивают низкоуровневый интерфейс с периферийными модулями, позволяя разработчику не задумываться о том, что происходит на уровне регистров, чем облегчают написание драйверов для микроконтроллеров семейства PIC. Однако библиотеки не предназначены для применения непосредственно в приложении, поскольку при использовании нескольких библиотек очень высока вероятность конфликта, возникающего при распределении ресурсов. Драйверы устройства являются надстройкой над библиотеками и обеспечивают простое и высокоабстрактное взаимодействие с периферийными модулями с помощью определенных функций. Применение драйверов также позволяет избежать конфликтов между библиотеками. Middleware-модули необходимы для организации работы периферийных блоков со сложными протоколами, например, стеков TCP/IP, USB. За тем, чтобы драйверы или middleware-модули не конфликтовали между собой из-за каких-либо общих ресурсов, следят системные службы.

Исходя из всего вышесказанного, к ключевым преимуществам MPLAB Harmony можно отнести:

• Независимая от ядра реализация, поддерживает архитектуры MIPS и Cortex Arm;
• Переносимость кода даже в пределах разных семейств контроллеров;
• Простой процесс настройки и работы благодаря графическому интерфейсу и конфигуратору MPLAB Harmony Configurator (MHC), который позволяет проводить конфигурацию и генерацию начального кода, периферийных библиотек и промежуточного программного обеспечения (USB, TCP / IP и т. д.);
• Многоуровневая модульная структура, соответствующая стандартам MIRSA-C: 2012;
• Более 1000 примеров приложений;
• Возможность работы с 32-разрядными семействами PIC (на базе MIPS) и SAM (на базе Cortex Arm);
• Возможность работы со сторонними решениями, такими как FreeRTOS и Micrium, возможность импортировать проекты, созданные в IAR Embedded Workbench

MPLAB Harmony доступна для загрузки из репозитория Harmony GitHub [6]. Также она может установлена в MPLAB X IDE через раздел плагинов.

Компиляторы MPLAB XC

Компиляторы MPLAB XC – это, пожалуй, то, без чего сложно представить работу основных программных средств компании, таких как MPLAB X и MPLAB Xpress.

Подобрать подходящий компилятор для конкретного проекта достаточно просто, все зависит от выбранного микроконтроллера (Таблица 2).

Таблица 2.	Компиляторы Microchip
Компилятор Поддерживаемые микроконтроллеры MPLAB XC8 8-битные микроконтроллеры PIC и AVR MPLAB XC16 16-битные микроконтроллеры PIC, цифровые сигнальные контроллеры (DSC) dsPIC MPLAB XC32/32++ 32-битные микроконтроллеры PIC и SAM.

Компиляторы MPLAB XC обеспечивают высокую степень оптимизации кода и могут сократить конечный размер файла до 70%. Бесплатные версии MPLAB XC предлагают пользователю следующие уровни оптимизации:

• O0 – код находится в исходном состоянии,
• O1 – позволяет провести оптимизацию кода без влияния на процесс отладки,
• O2 – позволяет провести сбалансированную оптимизацию скорости и размера кода.

Если стандартных уровней оптимизации оказывается недостаточно, разработчик может приобрести расширенную PRO-лицензию и получить доступ к следующим возможностям

• Os – позволяет произвести максимальное сокращение размера кода;
• O3 – позволяет провести лучшую оптимизацию с точки зрения скорости выполнения и работы кода;
• mpa (процедурная абстракция) – еще больше уменьшает размер кода

Лицензия PRO, как правило, применяется в проектах, требующих максимального сокращения кода и максимальной производительности. Для ознакомления с возможностями MPLAB XC PRO пользователь может получить бесплатную 60-дневную пробную версию лицензии и продлить или отказаться от нее по истечении пробного периода.

MPLAB XC PRO поддерживает несколько типов лицензии:

• Лицензия для рабочей станции;
• Лицензия по подписке;
• Лицензия сайта;
• Лицензия сервера;
• Лицензия виртуальной машины;
• Лицензия на электронном ключе.

Дополнительно пользователю также доступна подписка High Priority Access (HPA), которая может быть активирована бесплатно на 12 месяцев при приобретении MPLAB XC PRO. HPA дает пользователю приоритет в получении технической поддержки по запросам, связанным с компилятором.

Помимо лицензии MPLAB XC PRO, компания Microchip также предлагает своим клиентам версии компиляторов для приложений, критических к отказам. Эти версии сертифицированы немецкой экспертной организацией TÜV SÜD в соответствии с современными стандартами безопасности ISO 26262, IEC 61508, IEC 62304 и IEC 60730.

Microchip Studio (Atmel Studio 7)

Все, кто хоть раз имел дело с разработкой программного кода для микроконтроллеров, наверняка слышали о среде Atmel Studio. После того как Microchip завершила сделку по покупке компании Atmel в 2016 году, все права на среду разработки (как и на сами микроконтроллеры) перешли к новому правообладателю, а сама IDP стала носить гордое название Microchip Studio.

Microchip Studio представляет собой интегрированную платформу разработки (IDP) для создания и отладки приложений на базе микроконтроллеров AVR и SAM. Atmel Studio влилась в широкое портфолио средств разработки от Microchip и предлагает пользователям простой в использовании функционал для написания, сборки и отладки приложений, написанных на языках C/C++ или ассемблере (Рисунок 8).

Рисунок 8.	Пример работы с проектом в среде Microchip Studio.

Несмотря на то, что среда получила новое название и слегка измененный внешний вид, пользователи по-прежнему могут свободно использовать документацию, курсы и видеоуроки, созданные для Atmel Studio. То же касается и аппаратной части, в частности программаторов AVR и SAM.

Microchip Studio устанавливается вместе с компиляторами avr-gcc, avr32-gcc и arm-none-eabi-gcc, в дополнение к которым был также добавлен MPLAB XC8. Его расширенная версия MPLAB XC8 PRO включает в себя улучшенную степень оптимизации, уменьшенный размер кода и успешно конкурирует с более дорогими представленными на рынке решениями.

Ключевые особенности среды Microchip Studio:

• Поддержка более 500 устройств AVR и SAM;
• Встроенный компилятор MPLAB XC8;
• Более 1600 примеров проектов с исходными кодами, доступными через Advanced Software Framework (ASF);
• Расширение возможностей IDE через Microchip Gallery – онлайн-магазин инструментов разработки и встроенного программного обеспечения от Microchip и сторонних производителей;
• QTouch Composer – набор инструментов для разработки и настройки емкостных сенсорных устройств, проверки производительности системы, мониторинга энергопотребления с возможностью работы в режиме реального времени;
• Wireless Composer набор инструментов для разработки и настройки беспроводных устройств;
• Расширенные функции отладки, включая степпинг и точки останова, поддержку трассировки (SAM3 и SAM4), статистическое профилирование кода, отслеживание/мониторинг прерываний, отслеживание значений переменных в режиме реального времени и многое другое;
• Встроенный редактор кода, менеджер проектов, виртуальный симулятор, модуль внутрисхемной отладки и интерфейс командной строки;
• Возможность написания кода и моделирования прерываний, работы периферийных устройств и других внешних воздействий для конкретной модели контроллера;
• Возможность создания дизайна приложений с низким энергопотреблением;
• Отслеживание данных о потребляемой мощности во время отладки программы при помощи Power Debugger.

Еще одной особенностью является возможность импорта в Microchip Studio проектов Arduino, что позволяет значительно упростить и ускорить процесс перехода от создания прототипа к организации полноценного производства. Microchip Studio поддерживает работу с Arduino Zero и платами расширения Arduino Shield.

Atmel START

Atmel START представляет собой онлайн-инструмент для конфигурирования и настройки проектов встраиваемого программного обеспечения при помощи графического интерфейса. Atmel START основан на последнем поколении Advanced Software Framework и дает возможность разработчику выбирать и настраивать программные компоненты, драйверы и промежуточное ПО, а также подбирать примеры проектов, специально адаптированных под потребности создаваемого решения. При работе в Atmel START пользователь может просматривать зависимости между программными компонентами, предотвращая тем самым конфликты и аппаратные ограничения. В случае возникновения конфликта Atmel START автоматически предложит решения, подходящие для данной конкретной конфигурации.

Начиная работу с Atmel START, пользователь может создать новый проект или начать работу с уже существующим примером. После завершения конфигурирования программного обеспечения пользователь может загрузить сгенерированный проект и открыть его в IDE, установленной на персональном компьютере, например, Microchip Studio 7, IAR Embedded Workbench, Keil µVision (Рисунок 9).

Рисунок 9.	Процесс работы с онлайн-инструментом Atmel START.

Atmel START предоставляет пользователю следующие преимущества:

• Дает возможность найти и протестировать примеры для своего решения;
• Позволяет сконфигурировать микроконтроллер, настроить драйверы и промежуточное ПО;
• Позволяет настроить параметры таймеров и тактирование;
• Дает возможность подготовить проект для работы на современной IDE;
• И многое другое.

Отдельно следует отметить TrustZone Manager – графический интерфейс для настройки параметров безопасной (защищенной) зоны, также интегрированный в Atmel START.

Технология Arm TrustZone обеспечивает аппаратное разделение так называемых защищенных и незащищенных зон. Данное разделение позволяет обезопасить критически важные функции или конфиденциальную информацию, хранящуюся в защищенной зоне, от доступа из компонентов, расположенных вовне. Технология TrustZone, в частности, доступна при работе с микроконтроллерами SAM L11.

Заключение

Инженеры и разработчики постоянно находятся в поиске новых решений, способных дать им больше возможностей, принести что-то новое в уже существующие проекты или ускорить процесс разработки. Однако интеграция в проект продукции от разных производителей может повлечь за собой проблемы, связанные с сопряжением функционала. Одним из выходов является использование продуктов, входящих в единую экосистему, такую, как предлагает своим клиентам компания Microchip. Экосистема Microchip – это не только дискретные компоненты, микроконтроллеры и отладочные комплексы, но и мощное программное обеспечение, способное удовлетворить потребности как матерых разработчиков, так и молодых инженеров, которые только начинают свой путь.

Ссылки

1. microchip.com/avr-support/avr-and-arm-toolchains-(c-compilers)
2. microchipdeveloper.com
3. developerhelptraining.thinkific.com/courses/take/introtomplabx/texts/5392043-introduction
4. microchip.com/en-us/development-tools-tools-and-software/mplab-xpress
5. microchipdeveloper.com/mplabx:start
6. github.com/Microchip-MPLAB-Harmony