單片機的開發(fā)工具和仿真調(diào)試方式課件

1、1.1 單片微型計算機及其發(fā)展趨勢 1.2 MCS-51及其兼容的單片機 1.3 單片機的應(yīng)用領(lǐng)域 1.4 單片機的開發(fā)工具和仿真調(diào)試方式 習(xí)題與思考題 第1章 緒論 1.1 單片微型計算機及其發(fā)展趨勢1.1.1 單片機的概念單片微型計算機簡稱單片機(Single Chip Computer)，通常是為實時控制應(yīng)用而設(shè)計制造的，因此，又稱為微控制器(Micro-Controller Unit，MCU)。單片機是在一塊芯片上將中央處理器(CPU)、存儲器(RAM，ROM)、定時器/計數(shù)器、中斷控制、各種輸入/輸出(I/O)接口(如并行I/O口、串行I/O口和A/D轉(zhuǎn)換器)等集成為一體的器件。單片

2、微型計算機是20世紀(jì)70年代初期發(fā)展起來的，它是微型計算機發(fā)展中的一個重要分支，并以其獨特的結(jié)構(gòu)和性能被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、網(wǎng)絡(luò)、通信以及人們的日常工作和生活中。不同生產(chǎn)廠家的不同型號的單片機，由于用途、功能等的不同，具體的結(jié)構(gòu)和性能也有較大的差異，但總的模塊結(jié)構(gòu)是一樣的，因此我們只要掌握了某個型號的單片機的原理及應(yīng)用，就可以觸類旁通，通過自學(xué)很快地掌握其他型號的單片機知識。單片機自問世以來，其性能不斷提高和完善，其資源不僅能滿足很多應(yīng)用場合的需要，而且具有集成度高、功能強、速度快、體積小、功耗低、使用方便、性能可靠、價格低廉等特點。因此，單片機在工業(yè)控制、智能儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和處理

3、、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、汽車工業(yè)、國防工業(yè)、高級計算器具、家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，其應(yīng)用潛力越來越被人們所重視。特別是當(dāng)前用CMOS工藝制成的各種單片機，由于功耗低、使用的溫度范圍大、抗干擾能力強，故能滿足一些特殊要求。而特殊功能的專用單片機的推出，如單片收音機芯片、單片DVD芯片等，更加擴大了單片機的應(yīng)用范圍，也進一步促進了單片機技術(shù)的發(fā)展。1.1.2 單片機的發(fā)展趨勢當(dāng)前，單片機在以8位機為主流的基礎(chǔ)上正朝著多功能、精簡指令集、低功耗、專用的方向發(fā)展。就市場上已出現(xiàn)的單片機而言，其技術(shù)革新與進步主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1. CPU的發(fā)展改變CPU的字長或提高其時鐘頻率均可提高CPU的數(shù)

4、據(jù)處理能力和運算速度。CPU的字長目前有8位、16位和32位。時鐘頻率高達(dá)40MHz的單片機也已出現(xiàn)。3片內(nèi)輸入/輸出接口功能最初的單片機只有并行輸入/輸出接口、定時器/計數(shù)器，它們的功能較弱，實際應(yīng)用中往往需要通過特殊的接口擴展功能，從而增加了應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。近年來，新型單片機內(nèi)的接口無論類型還是數(shù)量上都有很大的發(fā)展，這不僅大大提高了單片機的功能，而且使系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)也大大簡化了。例如，有些單片機的并行I/O口能直接輸出大電流和高電壓，可直接用于驅(qū)動熒光顯示管(VFD)、液晶顯示器(LCD)和數(shù)碼顯示管(LED)等，應(yīng)用系統(tǒng)中就不再需要外部驅(qū)動電路；有些單片機片內(nèi)含有A/D轉(zhuǎn)換器，在一

5、些實時控制系統(tǒng)中可省掉外部A/D轉(zhuǎn)換器。目前，在單片機中包含的各種接口有數(shù)十種，如A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、DMA控制器、CRT控制器、LCD驅(qū)動器、LED驅(qū)動器、VFD驅(qū)動器、正弦波發(fā)生器、聲音發(fā)生器、字符發(fā)生器、波特率發(fā)生器、鎖相環(huán)、頻率合成器、脈寬調(diào)制器等。雖然一個單片機內(nèi)只含若干種接口，但其功能卻比初期的單片機強得多。1.2 MCS-51及其兼容的單片機1.2.1 MCS-51系列單片機MCS-51系列單片機是Intel公司早期推出的性能優(yōu)越的單片機，該系列有8031、8051、8751及8032、8052、8752等多種產(chǎn)品，其中8051、8052片內(nèi)帶有4KB的ROM，8751、

6、8752片內(nèi)帶有4KB的EPROM，8031、8032片內(nèi)沒有ROM(使用時，需要在其外部擴展程序存儲器)。另外，8031/51片內(nèi)有128B的RAM，8032/52片內(nèi)有256B的RAM。MCS-51系列單片機的典型產(chǎn)品是8051，它內(nèi)部有4KB的ROM，128B的RAM，兩個16位的定時器/計數(shù)器，4個8位的并行I/O口，一個串行口及5個中斷源等資源。MCS-51系列單片機內(nèi)部資源配置如表1-1所示。1.2.2 8051兼容的單片機如前所述，由于Intel公司的MCS-51系列單片機的內(nèi)核的開放性，使得一些半導(dǎo)體芯片制造商在51內(nèi)核上集成了一些片內(nèi)外設(shè)，如ADC、DAC、存儲器等，使其可成

7、為MCS-51的兼容機。典型的有ATMEL公司的AT89C系列內(nèi)部集成Flash ROM，PHILIPS公司的與8051兼容的單片機中集成了各種總線、ADC、DAC等，華邦公司的WE78、WE77系列等集成了Flash ROM、WDT(“看門狗”計時器電路)等功能。這些功能不同的兼容機，使MCS-51單片機的應(yīng)用越來越廣，且價格越來越低，性能越來越好。這些與MCS-51單片機兼容的單片機的指令與8051完全兼容，大大方便了開發(fā)者的使用。一些常用的與51系列兼容的單片機的特性如表1-2所示。1.3 單片機的應(yīng)用領(lǐng)域單片機主要可用于以下幾方面：(1) 工業(yè)測控系統(tǒng)中的應(yīng)用。由于控制系統(tǒng)特別是工業(yè)控

8、制系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣，各種干擾較強，而且往往要求實時控制，故要求控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，抗干擾能力強。單片機最適宜用于工業(yè)控制領(lǐng)域，如恒溫控制、電梯控制、飛機導(dǎo)航、火箭飛行、航天衛(wèi)星及各種生產(chǎn)線自動控制等。(2) 智能儀器儀表中的應(yīng)用。用單片機制作的測量、控制儀表，能使儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、柔性化發(fā)展，并將監(jiān)測、處理、控制等功能一體化，使儀表重量大大減輕，便于攜帶和使用，同時降低了成本，提高了性價比，如數(shù)字式示波器、智能轉(zhuǎn)速表、計時器及各種各樣的測量儀等。(4) 計算機外設(shè)及辦公、通信產(chǎn)品中的應(yīng)用。在計算機應(yīng)用系統(tǒng)中，除通用外部設(shè)備(鍵盤、顯示器、打印機)外，還有許多用于外部通信、數(shù)

9、據(jù)采集、多路分配管理、驅(qū)動控制等接口。如果這些外部設(shè)備和接口全部由主機管理，勢必造成主機負(fù)擔(dān)過重、運行速度降低，并且不能提高對各種接口的管理水平。如果采用單片機專門對接口進行控制和管理，則主機和單片機就能并行工作，這不僅可大大提高系統(tǒng)的運算速度，而且單片機還可對接口信息進行預(yù)處理，以減少主機和接口間的通信密度，提高接口控制管理的水平，如繪圖儀控制器，磁帶機、打印機的控制器等。除辦公用的計算機外，其他辦公產(chǎn)品中也大量采用單片機，如復(fù)印機、傳真機等；在通信設(shè)備廠中，如調(diào)制解調(diào)器、程控電話交換機、電話機、手機、無線中繼站等也大量使用單片機。綜上所述，單片機在很多應(yīng)用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。目前國外的

10、單片機應(yīng)用已相當(dāng)普及，國內(nèi)雖然從1980年才開始著手開發(fā)應(yīng)用，但至今也已有數(shù)十家專門生產(chǎn)單片機的工廠或公司，愈來愈多的科技工作者投身到單片機的開發(fā)和應(yīng)用中，并且在程序控制、智能儀表等方面涌現(xiàn)出大量科技成果?？梢灶A(yù)見，單片機在我國必將有著更為廣闊的發(fā)展前景。1.4 單片機的開發(fā)工具和仿真調(diào)試方式1.4.1 單片機的開發(fā)工具所謂單片機的開發(fā)，就是利用單片機內(nèi)部的資源，配置相應(yīng)接口電路、測控電路及外部設(shè)備，設(shè)計相應(yīng)的程序以完成目標(biāo)系統(tǒng)所需功能的過程。學(xué)習(xí)單片機的目的是應(yīng)用它實現(xiàn)不同控制功能。要學(xué)好單片機的知識，除了掌握單片機的原理(內(nèi)部結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)等)外，還必須具備必要的硬件知識，如數(shù)字電路、模擬

11、電路以及各種接口芯片，因為任何一款單片機都不可能含有我們所要設(shè)計和開發(fā)的系統(tǒng)的全部功能，這就需要通過相應(yīng)的硬件電路(或軟件)去實現(xiàn)。最典型的人機接口，如顯示器、鍵盤等，需要通過接口和程序才能實現(xiàn)；更高層次的開發(fā)應(yīng)用還需掌握傳感器及信號處理知識、控制及驅(qū)動電路的設(shè)計等硬件知識，以實現(xiàn)不同功能和要求的單片機系統(tǒng)(參見第11章)。開發(fā)一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)，除了設(shè)計硬件電路外，就是編寫相應(yīng)的程序。程序的正確與否，需要通過仿真器來調(diào)試，因為任何一個程序都不是一次編寫就能成功的，需要反復(fù)修改和反復(fù)實驗。有時，硬件的錯誤也可以通過正確的軟件來發(fā)現(xiàn)。因此，熟練掌握單片機，必須有相應(yīng)的開發(fā)工具，具體如下：首先，要

12、有一套合適的仿真器或下載轉(zhuǎn)換板，用來調(diào)試編寫的程序，通過仿真，可以發(fā)現(xiàn)程序設(shè)計中的錯誤并及時更正。當(dāng)然，也可以利用正確的軟件來檢查硬件電路的錯誤。仿真器或下載轉(zhuǎn)換板可以通過生產(chǎn)廠家購買，比較典型的有南京偉福仿真器、啟東單片機仿真器等。一般學(xué)校購買的單片機實驗裝置都含有仿真器和用戶板。其次，要有一塊用戶板。我們把各種硬件電路制成的電路板稱為用戶板，一個簡單的用戶板應(yīng)包括I/O接口(特別是人機接口)、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、通信等功能。用戶板可根據(jù)需要通過自行焊接或購置實現(xiàn)。 學(xué)習(xí)完單片機內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)后，便可以通過實驗掌握單片機的原理、系統(tǒng)設(shè)計及產(chǎn)品開發(fā)。1.4.2 單片機的仿真調(diào)試方式1

13、通過仿真器調(diào)試通過仿真器調(diào)試單片機的原理框圖如圖1-1所示。這種方式下，通過PC機編寫源程序，匯編后如無錯誤，則下載到仿真器中。采用斷點、單步等調(diào)試功能，利用各種窗口觀察程序的執(zhí)行情況，同時觀察用戶板上相應(yīng)的硬件變化。如果所有功能達(dá)到預(yù)期目的，則通過編程器把調(diào)試好的程序燒寫到帶存儲器的單片機或單獨的程序存儲器中，此時，在用戶板中插上帶程序的單片機芯片(或程序存儲器)，該系統(tǒng)便可脫離仿真器單獨工作。這種方式的優(yōu)點是，調(diào)試時程序在仿真器內(nèi)部RAM中，可以無限次寫入而不會損壞仿真器，缺點是仿真器價格一般較貴。仿真器的型號較多，功能各異，比較典型的仿真器及軟件是基于Windows調(diào)試的仿真器，具體功能和使用方法請參閱附錄中的相關(guān)網(wǎng)站和參考資料。2利用下載板調(diào)試 通過ISP調(diào)試單片機的原理框圖如圖1-2所示，它是通過單片機內(nèi)部的Flash，使用ISP(In System Program，在片上可編程系統(tǒng))方式直接把編好的程序?qū)懭雴纹瑱C內(nèi)部的Flash ROM或EEPROM中，然后在用戶板上調(diào)試。這種方式的優(yōu)點是，調(diào)試