第14章-應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1第14章單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

與調(diào)試

12【內(nèi)容概要】

本章介紹單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

內(nèi)容主要包括：應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和方法，應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及應(yīng)用程序的總體框架設(shè)計(jì)。此外，還介紹了目前流行的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的仿真開(kāi)發(fā)工具以及如何利用仿真開(kāi)發(fā)工具對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)調(diào)試。3單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，首先要經(jīng)過(guò)深入細(xì)致的需求分析，周密而科學(xué)的方案論證才能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作順利完成。

14.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一般可分為4個(gè)階段。（1）明確任務(wù)和需求分析以及擬定設(shè)計(jì)方案階段明確系統(tǒng)所要完成的任務(wù)十分重要，它是設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)方案正確性的保證。需求分析的內(nèi)容主要包括：被測(cè)控參數(shù)的形式（電量、非電量、模擬量、數(shù)字量等）、被測(cè)控參數(shù)的范圍、性能指標(biāo)、系統(tǒng)功能、工作環(huán)境、顯示、報(bào)警、打印要求等。4擬定設(shè)計(jì)方案是根據(jù)任務(wù)的需求分析，先確定大致方向和準(zhǔn)備采用的手段。注意，在進(jìn)行設(shè)計(jì)方案確定的時(shí)候，簡(jiǎn)單的方法往往可以解決大問(wèn)題，切忌“將簡(jiǎn)單的問(wèn)題復(fù)雜化”（2）硬件和軟件設(shè)計(jì)階段根據(jù)擬定的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的系統(tǒng)硬件電路。硬件設(shè)計(jì)的前提是必須能夠完成系統(tǒng)的要求和保證可靠性。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，如果能夠?qū)⒂布娐吩O(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)考慮效果會(huì)更好。因?yàn)楫?dāng)有些問(wèn)題在硬件電路中無(wú)法完成時(shí)，可直接由軟件來(lái)完成（如某些軟件濾波、校準(zhǔn)功能等）；當(dāng)軟件編寫(xiě)程序很麻煩的時(shí)候，通過(guò)稍稍改動(dòng)硬件電路（或盡可能不改動(dòng)）可能會(huì)使軟件變得十分簡(jiǎn)單。另外在一些要求系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、響應(yīng)速度快45的場(chǎng)合，則往往必須用硬件代替軟件來(lái)完成某些功能。所以在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，最好能夠與軟件的設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，統(tǒng)一考慮，合理地安排軟、硬件的比例，使系統(tǒng)具有最佳的性/價(jià)比。當(dāng)硬件電路設(shè)計(jì)完成后，就可進(jìn)行硬件電路板的繪制和焊接工作了。接下來(lái)的工作就是軟件設(shè)計(jì)。正確的編程方法就是根據(jù)需求分析，先繪制出軟件的流程圖，該環(huán)節(jié)十分重要。流程圖的繪制往往不能一次成功，通常需要進(jìn)行多次的修改。流程圖的繪制可按照由簡(jiǎn)到繁的方式再逐步細(xì)化，先繪制系統(tǒng)大體上需要執(zhí)行的程序模塊，然后將這些模塊按照要求組合在一起，在大方向沒(méi)有問(wèn)題后，再將每個(gè)模塊進(jìn)行細(xì)化，最后形成軟件流程圖，這樣56程序的編寫(xiě)速度就會(huì)很快，同時(shí)程序流程圖還會(huì)為后面的調(diào)試工作帶來(lái)很多方便，如程序調(diào)試中某個(gè)模塊不正常，就可以通過(guò)流程圖來(lái)查找問(wèn)題的原因。軟件編寫(xiě)者一定要克服不繪制流程圖直接在計(jì)算機(jī)上編寫(xiě)程序的習(xí)慣。設(shè)計(jì)者也可以先使用虛擬仿真開(kāi)發(fā)工具Proteus來(lái)進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)。使用Proteus完成的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與用戶樣機(jī)在硬件上無(wú)任何聯(lián)系，這是一種完全用軟件手段來(lái)對(duì)單片機(jī)硬件電路和軟件來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與仿真調(diào)試的開(kāi)發(fā)工具。如果一個(gè)單片機(jī)的軟硬件系統(tǒng)，先使用軟件虛擬仿真工具進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)并仿真調(diào)試通過(guò)，雖然還不能完全說(shuō)明實(shí)際系67統(tǒng)就完全通過(guò)，但至少在邏輯上是行得通的。系統(tǒng)虛擬仿真通過(guò)后，再進(jìn)行實(shí)際的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可大大減少設(shè)計(jì)上所走的彎路，軟件編寫(xiě)調(diào)試可與硬件設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，可大大提高設(shè)計(jì)效率，這也是目前世界上廣泛流行的一種開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方法。（3）硬件與軟件聯(lián)合調(diào)試階段上述的軟硬件系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)仿真調(diào)試通過(guò)后，再使用硬件仿真開(kāi)發(fā)工具（在線仿真器）與用戶樣機(jī)來(lái)進(jìn)行實(shí)際調(diào)試，具體的調(diào)試方法和過(guò)程，將在本章的后面進(jìn)行介紹。所有的軟件和硬件電路全部調(diào)試通過(guò)，并不意味著單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成功，還需要通過(guò)實(shí)際運(yùn)行來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，例如系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換78結(jié)果是否正確，如果不正確，是否要調(diào)零和調(diào)整基準(zhǔn)電壓等。（4）資料與文件整理編制階段當(dāng)系統(tǒng)全部調(diào)試通過(guò)后，就進(jìn)入資料與文件整理編制階段。資料與文件包括：任務(wù)描述、設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想及設(shè)計(jì)方案論證、性能測(cè)定及現(xiàn)場(chǎng)試用報(bào)告與說(shuō)明、使用指南、軟件資料（流程圖、子程序使用說(shuō)明、地址分配、程序清單）、硬件資料（電原理圖、元件布置圖及接線圖、接插件引腳圖、線路板圖、注意事項(xiàng)）。文件不僅是設(shè)計(jì)工作的結(jié)果，而且是以后使用、維修以及進(jìn)一步再設(shè)計(jì)的依據(jù)。因此，一定要精心編寫(xiě)，描述清楚，使數(shù)據(jù)及資料齊全。8914.2單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)本節(jié)介紹如何進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。主要從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面考慮。

14.2.1硬件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問(wèn)題在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)首先考慮以下幾個(gè)問(wèn)題。1．盡可能采用高集成度功能強(qiáng)的芯片（1）單片機(jī)的選型。隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)的集成度越來(lái)越高，許多外圍部件都已集成在芯片內(nèi)，有許多單片機(jī)本身就是一個(gè)系統(tǒng)，這樣可以省去許多外圍部件的擴(kuò)展工作，使設(shè)計(jì)工作大大簡(jiǎn)化。910在第1章中，已經(jīng)介紹了目前較為流行的各種單片機(jī)機(jī)型，用戶可根據(jù)任務(wù)的需求，選擇合適的機(jī)型。

例如，目前市場(chǎng)上較為流行的美國(guó)Cygnal公司的C8051F0208位單片機(jī)，片內(nèi)集成有8通道A/D、兩路D/A、兩路電壓比較器，內(nèi)置溫度傳感器、定時(shí)器、可編程數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)和64個(gè)通用I/O口、電源監(jiān)測(cè)、看門狗、多種類型的串行總線（兩個(gè)UART、SPI）等。使用1片C8051F0208位單片機(jī)，就構(gòu)成了一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。再如，如果系統(tǒng)需要較大的I/O驅(qū)動(dòng)能力和較強(qiáng)的抗干擾能力，可考慮選用PIC單片機(jī)或AVR單片機(jī)。（2）優(yōu)先選用片內(nèi)帶有較大容量Flash存儲(chǔ)器的產(chǎn)品。例如，使用ATMEL公司的AT89S52/AT89S53/AT89S54/

AT89S55系列產(chǎn)品，1011PHILIPS公司的89C58（內(nèi)有32KB的Flash存儲(chǔ)器）等，可省去擴(kuò)展片外程序存儲(chǔ)器的工作，減少芯片數(shù)量，縮小系統(tǒng)的體積。（3）RAM容量的考慮。大多數(shù)單片機(jī)片內(nèi)的RAM單元有限，當(dāng)需增強(qiáng)軟件數(shù)據(jù)處理功能時(shí)，往往覺(jué)得不足，這時(shí)可選用片內(nèi)具有較大RAM容量的單片機(jī)，例如PIC18F452。（4）對(duì)I/O端口留有余地。在用戶樣機(jī)研制出來(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試用時(shí)，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)一些被忽視的問(wèn)題，而這些問(wèn)題是不能單靠軟件措施來(lái)解決的。如有些新的信號(hào)需要采集，就必須增加輸入檢測(cè)端；有些物理量需要控制，就必須增加輸出端。如果在硬件設(shè)計(jì)之初就多設(shè)計(jì)留有一些I/O端口，這些問(wèn)1112題就會(huì)迎刃而解了。（5）預(yù)留A/D和D/A通道。與上述的I/O端口同樣的原因，留出一些A/D和D/A通道將來(lái)可能會(huì)解決大問(wèn)題。2．以軟代硬原則上，只要軟件能做到且能滿足性能要求，就不用硬件。硬件多了不但增加成本，而且系統(tǒng)故障率也會(huì)提高。以軟件代硬件的實(shí)質(zhì)，就是以時(shí)間換空間，軟件執(zhí)行過(guò)程需要消耗時(shí)間，因此這種替代帶來(lái)的問(wèn)題是實(shí)時(shí)性下降。在實(shí)時(shí)性滿足要求的場(chǎng)合，以軟代硬是合算的。12133．工藝設(shè)計(jì)工藝設(shè)計(jì)包括機(jī)箱、面板、配線、接插件等。必須考慮到安裝、調(diào)試、維修的方便。另外，硬件抗干擾措施（將在本章的后面介紹）也必須在硬件設(shè)計(jì)時(shí)一并考慮進(jìn)去。14.2.2典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)框圖如圖14-1所示。典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)主要由單片機(jī)基本部分、輸入部分和輸出部分組成。（1）單片機(jī)基本部分基本部分由單片機(jī)及其擴(kuò)展的外設(shè)及芯片，如鍵盤、顯示器、打印機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器以及數(shù)字I/O等組成。1314圖14-1

單片機(jī)典型應(yīng)用系統(tǒng)框圖15（2）輸入部分這是“測(cè)”的部分，被“測(cè)”的信號(hào)類型有：數(shù)字量、模擬量和開(kāi)關(guān)量。模擬量輸入檢測(cè)的主要包括信號(hào)調(diào)理電路以及A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器中都集成了包括多路切換、采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換等電路，A/D轉(zhuǎn)換器或者直接集成在單片機(jī)片內(nèi)。連接傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器之間的橋梁是信號(hào)調(diào)理電路，傳感器輸出的模擬信號(hào)要經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、隔離、量程調(diào)整等，變換成適合A/D轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)。信號(hào)放大通常由單片式儀表放大器承擔(dān)。儀表放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大比普通運(yùn)算放大器具有更優(yōu)異的性能。如何根據(jù)不同的傳感器1516正確地選擇儀表放大器來(lái)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，請(qǐng)讀者參閱有關(guān)資料和文獻(xiàn)。（3）輸出部分這部分是應(yīng)用系統(tǒng)“控”的部分，包括數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)的輸出和模擬量控制信號(hào)（常用于伺服控制）的輸出。14.2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的總線驅(qū)動(dòng)一個(gè)AT89S51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)有時(shí)往往是多芯片系統(tǒng)，如何實(shí)現(xiàn)AT89S51單片機(jī)對(duì)多片芯片的驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題。1617在AT89S51單片機(jī)擴(kuò)展多片芯片時(shí)，要注意AT89S51單片機(jī)4個(gè)并行雙向口的P0～P3口的驅(qū)動(dòng)能力。下面首先討論這個(gè)問(wèn)題。AT89S51的P0、P2口通常作為總線端口，當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展的芯片較多時(shí)，可能造成負(fù)載過(guò)重，致使驅(qū)動(dòng)能力不夠，系統(tǒng)不能可靠地工作，所以通常要附加總線驅(qū)動(dòng)器或其他驅(qū)動(dòng)電路。因此在多芯片應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中首先要估計(jì)總線的負(fù)載情況，以確定是否需要對(duì)總線的驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行擴(kuò)展。

圖14-2為AT89S51單片機(jī)總線驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展原理圖。P2口需要單向驅(qū)動(dòng)，常見(jiàn)的單向總線驅(qū)動(dòng)器為74LS244。

1718圖14-2AT89S51單片機(jī)總線驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展原理圖19

圖14-3為74LS244引腳圖和邏輯圖。8個(gè)三態(tài)驅(qū)動(dòng)器分成兩組，分別由1G*和2G*控制。P0口作為數(shù)據(jù)總線，是雙向傳輸，驅(qū)動(dòng)器應(yīng)為雙向驅(qū)動(dòng)、三態(tài)輸出，并由兩個(gè)控制端來(lái)控制數(shù)據(jù)傳送方向。如圖14-2所示，數(shù)據(jù)輸出允許控制端DBEO有效時(shí)，數(shù)據(jù)總線輸入為高阻態(tài)，輸出為開(kāi)通狀態(tài)；數(shù)據(jù)輸入允許控制端DBEI有效時(shí)，則狀態(tài)與上相反。

常見(jiàn)的雙向驅(qū)動(dòng)器為74LS245，圖14-4為其引腳和邏輯圖。16個(gè)三態(tài)門中每?jī)蓚€(gè)三態(tài)門組成一路雙向驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)方向由G*、DIR兩個(gè)控制端控制驅(qū)動(dòng)器有效或高阻態(tài)，在控制端有效（G*=0）時(shí)，DIR控制端控制驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方向，DIR=0時(shí)驅(qū)動(dòng)方向?yàn)閺腂至A，DIR=1時(shí)則相反。

192020圖14-3

單向驅(qū)動(dòng)器74LS244引腳圖和邏輯圖21圖14-474LS245的引腳圖和邏輯圖22

圖14-5所示為AT89S51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)總線驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展電路圖。P0口的雙向驅(qū)動(dòng)采用74LS245，如圖14-5（a）所示；P2口的單向驅(qū)動(dòng)器采用74LS244，如圖14-5（b）所示。

P0口的雙向驅(qū)動(dòng)器74LS245的G*接地，保證芯片一直處于工作狀態(tài)，而輸入/輸出的方向控制由單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的“讀”控制引腳（RD*）和程序存儲(chǔ)器的取指控制引腳（PSEN*）通過(guò)與門控制DIR引腳實(shí)現(xiàn)。這種連接方法無(wú)論是“讀”數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)（RD*有效）還是從程序存儲(chǔ)器中取指令（PSEN*有效），都能保證對(duì)P0口的輸入驅(qū)動(dòng)；除此以外的時(shí)間（RD*及PSEN*均無(wú)效），保證對(duì)P0口的輸出驅(qū)動(dòng)。

對(duì)于P2口，因?yàn)橹挥米鲉蜗虻牡刂份敵?，?4LS244的驅(qū)動(dòng)門控制端1G*、2G*接地。

222323圖14-5AT89S51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的總線驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展電路圖2414.2.4軟件設(shè)計(jì)考慮的問(wèn)題在進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)時(shí)，軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)一考慮，相互結(jié)合進(jìn)行。當(dāng)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)定型后，軟件的任務(wù)也就明確了。一般來(lái)說(shuō)，軟件的功能分為兩大類。一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實(shí)質(zhì)性的功能，如測(cè)量、計(jì)算、顯示、打印、輸出控制等；另一類是監(jiān)控軟件，它是專門用來(lái)協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系，在系統(tǒng)軟件中充當(dāng)組織調(diào)度的角色。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從以下幾個(gè)方面加以考慮。（1）根據(jù)軟件功能要求，將系統(tǒng)軟件分成若干相對(duì)獨(dú)立的部分，設(shè)計(jì)出合理的軟件總體結(jié)構(gòu)，使其清晰、簡(jiǎn)潔、流程合理。2425（2）各功能程序?qū)嵭心K化、子程序化。既便于調(diào)試、鏈接，又便于移植、修改。（3）在編寫(xiě)應(yīng)用軟件之前，應(yīng)繪制出程序流程圖。多花一些時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)程序流程圖，就可以節(jié)約幾倍于源程序的編輯和調(diào)試時(shí)間。（4）要合理分配系統(tǒng)資源，包括ROM、RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷源等。其中最關(guān)鍵的是片內(nèi)RAM分配。對(duì)AT89S52單片機(jī)來(lái)講，片內(nèi)RAM指00H～FFH單元，這256個(gè)字節(jié)的功能不完全相同，分配時(shí)應(yīng)充分發(fā)揮其特長(zhǎng)，做到物盡其用。例如，在工作寄存器的8個(gè)單元中，R0和R1具有指針功能，是編程的重要角色，避免作為它用；20H～2FH這16個(gè)字節(jié)2526具有位尋址功能，用來(lái)存放各種標(biāo)志位、邏輯變量、狀態(tài)變量等；設(shè)置堆棧區(qū)時(shí)應(yīng)事先估算出子程序和中斷嵌套深度及程序中堆棧操作指令使用情況，其大小應(yīng)留有余量。

若系統(tǒng)中擴(kuò)展了RAM存儲(chǔ)器，應(yīng)把使用頻率最高的數(shù)據(jù)緩沖器安排在片內(nèi)RAM中，以提高處理速度。當(dāng)RAM資源規(guī)劃好后，應(yīng)列出一張?jiān)敿?xì)的RAM資源分配表，以備編程時(shí)查用方便。262714.3單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的仿真開(kāi)發(fā)與調(diào)試當(dāng)一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)（用戶樣機(jī)）完成了硬件和軟件設(shè)計(jì)，全部元器件安裝完畢后，在用戶樣機(jī)的程序存儲(chǔ)器中放入編寫(xiě)好的應(yīng)用程序，系統(tǒng)即可運(yùn)行。但應(yīng)用程序運(yùn)行一次性成功幾乎是不可能的，多少會(huì)存在一些軟件、硬件上的錯(cuò)誤，這就需要借助單片機(jī)的仿真開(kāi)發(fā)工具（在線仿真器）進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并加以改正。AT89S51單片機(jī)只是一個(gè)芯片，既沒(méi)有鍵盤，又沒(méi)有CRT、LED顯示器，也無(wú)法進(jìn)行軟件的開(kāi)發(fā)（如編輯、匯編、調(diào)試程序等），因此，必須借助仿真開(kāi)發(fā)工具所提供的開(kāi)發(fā)手段來(lái)進(jìn)行。一般來(lái)說(shuō)，仿真開(kāi)發(fā)工具應(yīng)具有如下最基本的功能。2728（1）用戶樣機(jī)程序的輸入與修改。（2）程序的運(yùn)行、調(diào)試（單步運(yùn)行、設(shè)置斷點(diǎn)運(yùn)行）、排錯(cuò)、狀態(tài)查詢等功能。（3）用戶樣機(jī)硬件電路的診斷與檢查。（4）有較全的開(kāi)發(fā)軟件。用戶可用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言編制應(yīng)用程序；由開(kāi)發(fā)系統(tǒng)編譯連接生成目標(biāo)文件、可執(zhí)行文件。配有反匯編軟件，能將目標(biāo)程序轉(zhuǎn)換成匯編語(yǔ)言程序；有豐富的子程序可供用戶選擇調(diào)用。（5）將調(diào)試正確的程序?qū)懭氲匠绦虼鎯?chǔ)器中。下面介紹常用的仿真開(kāi)發(fā)工具。2829仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)簡(jiǎn)介通用機(jī)仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)是目前設(shè)計(jì)者使用最多的一類開(kāi)發(fā)裝置，由在線仿真器與PC機(jī)上運(yùn)行的仿真開(kāi)發(fā)軟件兩部分組成。這是一種通過(guò)PC機(jī)的USB口，外加在線仿真器的在線仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，如圖14-6所示。在調(diào)試用戶程序時(shí)，在線仿真器一側(cè)與PC機(jī)的USB口相連，另一側(cè)的仿真插頭插入到用戶樣機(jī)的單片機(jī)插座上，來(lái)對(duì)樣機(jī)上的單片機(jī)進(jìn)行“仿真”。從仿真插頭向在線仿真器看去，看到的就是一個(gè)“單片機(jī)”。這個(gè)“單片機(jī)”是“出借”給用戶樣機(jī)的，暫時(shí)代替用戶樣機(jī)上的單片機(jī)。仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)除了“出借”單片機(jī)外，還“出借”仿真用的RAM，來(lái)暫收30圖14-6

通用機(jī)仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)31代替用戶樣機(jī)上的程序存儲(chǔ)器，存放待調(diào)試的用戶程序。

但是這個(gè)“單片機(jī)”片內(nèi)程序的運(yùn)行是可以跟蹤、修改和調(diào)試的。由于有PC機(jī)上強(qiáng)大的仿真開(kāi)發(fā)軟件支持，可在PC機(jī)的其屏幕上觀察用戶程序的運(yùn)行情況，當(dāng)按照?qǐng)D14-6將仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)與PC機(jī)聯(lián)機(jī)后，用戶可利用PC機(jī)上的仿真開(kāi)發(fā)軟件，在PC機(jī)上編輯、修改源程序，然后通過(guò)翻譯軟件（匯編語(yǔ)言編程翻譯軟件為匯編程序，C51語(yǔ)言編程翻譯軟件為相應(yīng)的編譯程序）將其翻譯成機(jī)器代碼，傳送到在線仿真器中的“仿真RAM”中，這時(shí)用戶可使用在線仿真器，采用單步、斷點(diǎn)、跟蹤、全速等手段調(diào)試用戶程序，并進(jìn)3132行修改和查找軟、硬件故障，將系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)地顯示在屏幕上。待程序調(diào)試通過(guò)后，再使用仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)提供的編程器或?qū)Ｓ镁幊唐?，把調(diào)試完畢的程序?qū)懭氲絾纹瑱C(jī)片內(nèi)的Flash程序存儲(chǔ)器中。此類仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)配置不同的在線仿真器，可仿真開(kāi)發(fā)各種單片機(jī)。

但是隨著ISP技術(shù)的普及，對(duì)于AT89S5x單片機(jī)也可不使用在線仿真器以及編程器，用戶只需要在PC機(jī)上修改程序，然后將修改的程序直接寫(xiě)入用戶樣機(jī)的單片機(jī)的Flash存儲(chǔ)器中，運(yùn)行程序觀察運(yùn)行結(jié)果，如有問(wèn)題可在PC機(jī)上修改程序，重新在線寫(xiě)入，直至運(yùn)行結(jié)果滿意為止。這樣可省去在線仿真器和編程器，但不足的是，不能對(duì)用戶程序進(jìn)行硬件單步、斷點(diǎn)、跟蹤、全速等手段來(lái)調(diào)試。

3233在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，往往沒(méi)有PC機(jī)的支持，此時(shí)可使用獨(dú)立型仿真器。該類仿真器采用模塊化結(jié)構(gòu)，配有不同外設(shè)，如外存板、打印機(jī)、鍵盤/顯示器等，用戶可根據(jù)需要選用。由于沒(méi)有PC機(jī)，這時(shí)使用獨(dú)立型仿真器來(lái)進(jìn)行的仿真調(diào)試工作，要輸入機(jī)器碼，稍顯麻煩一些。2.軟件仿真開(kāi)發(fā)工具Proteus

使用軟件虛擬仿真開(kāi)發(fā)工具Proteus進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，不需要在線仿真器，也不需要用戶樣機(jī)，直接就可以在PC機(jī)上進(jìn)行。調(diào)試完畢的軟件可將其機(jī)器代碼寫(xiě)入到片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器中，一般能直接投入運(yùn)行。但Proteus是軟件模擬器是使用純軟件來(lái)對(duì)用戶系統(tǒng)仿真，3334不能進(jìn)行用戶樣機(jī)硬件部分的診斷與實(shí)時(shí)在線仿真。因此在系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，一般是先用Proteus仿真軟件設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的虛擬的硬件原理電路，編寫(xiě)程序，在Proteus環(huán)境下仿真調(diào)試通過(guò)。然后再依照仿真的結(jié)果，完成實(shí)際的硬件設(shè)計(jì)，再將仿真調(diào)試通過(guò)的程序?qū)懭氲接脩魳訖C(jī)的Flash存儲(chǔ)器中，觀察運(yùn)行結(jié)果，如果有問(wèn)題，再連接硬件仿真器去分析、調(diào)試。3.用戶樣機(jī)的源程序調(diào)試下面介紹如何使用仿真開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行匯編語(yǔ)言源程序編寫(xiě)、調(diào)試以及與用戶樣機(jī)硬件聯(lián)調(diào)工作。

用戶源程序調(diào)試過(guò)程如圖14-7所示，可分為以下4個(gè)步驟。3435圖14-7

用戶樣機(jī)軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試的過(guò)程3636（1）輸入用戶源程序。用戶使用編輯軟件，按照匯編語(yǔ)言源程序要求的格式、語(yǔ)法規(guī)定，把源程序輸入到PC機(jī)中，并保存在磁盤上。（2）在PC機(jī)上，利用匯編程序?qū)τ脩粼闯绦蜻M(jìn)行匯編，直至語(yǔ)法錯(cuò)誤全部糾正為止。如無(wú)語(yǔ)法錯(cuò)誤，則進(jìn)入下一個(gè)步驟。（3）動(dòng)態(tài)在線調(diào)試。這一步對(duì)用戶的源程序進(jìn)行調(diào)試。上述的步驟（1）、步驟（2）是一個(gè)純粹的軟件運(yùn)行過(guò)程，而在這一步，必須要有在線仿真器配合，才能對(duì)用戶源程序進(jìn)行調(diào)試。用戶程序中分為與用戶樣機(jī)硬件無(wú)關(guān)以及與用戶樣機(jī)緊密相關(guān)的程序。3737對(duì)于與用戶樣機(jī)硬件無(wú)關(guān)的程序，如計(jì)算程序，雖然已經(jīng)沒(méi)有語(yǔ)法錯(cuò)誤，但可能存在邏輯錯(cuò)誤，使計(jì)算結(jié)果不正確，此時(shí)必須借助于在線仿真器的動(dòng)態(tài)在線調(diào)試手段，如單步運(yùn)行、設(shè)置斷點(diǎn)等，發(fā)現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤，然后返回到步驟（1）修改，直至邏輯錯(cuò)誤糾正為止。對(duì)于與用戶樣機(jī)硬件緊密相關(guān)的程序段（如接口驅(qū)動(dòng)程序），一定要先把在線仿真器的仿真插頭插入用戶樣機(jī)的單片機(jī)插座中（見(jiàn)圖14-6），進(jìn)行在線仿真調(diào)試，利用仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)提供單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試手段，來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試。有關(guān)部分程序段運(yùn)行有可能不正常，可能是軟件邏輯上有問(wèn)題，也可能是硬件有故障，必須先通過(guò)在線仿真調(diào)試程序提供的調(diào)試手段，把硬件3838故障排除以后，再與硬件配合，對(duì)用戶程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)在線調(diào)試。對(duì)于軟件的邏輯錯(cuò)誤，則返回到第一步進(jìn)行修改，直至邏輯錯(cuò)誤消除為止。在調(diào)試這類程序時(shí)，硬件調(diào)試與軟件調(diào)試是不能完全分開(kāi)的。許多硬件錯(cuò)誤是通過(guò)軟件的調(diào)試而發(fā)現(xiàn)和糾正的。（4）將調(diào)試完畢的用戶程序通過(guò)編程器或ISP寫(xiě)入，固化在程序存儲(chǔ)器中。4．用戶樣機(jī)的硬件調(diào)試當(dāng)用戶樣機(jī)全部焊接完畢，就可對(duì)用戶樣機(jī)的硬件進(jìn)行調(diào)試。首先進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，靜態(tài)調(diào)試的目的是排除明顯的硬件故障。3939（1）用戶樣機(jī)的靜態(tài)調(diào)試靜態(tài)調(diào)試工作分為兩步。第一步是在樣機(jī)加電之前，