摘要：51內(nèi)核單片機(jī)在線仿真調(diào)試是一種取代專(zhuān)業(yè)仿真器的有效手段。利用ISP/IAP方法和STC Monitor-51監(jiān)控程序，以及單片機(jī)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Keil C51的在線仿真功能的支持，STC公司的IAP15F2K61S2單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了在線仿真調(diào)試功能，為單片機(jī)教學(xué)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供了一條新的途徑。

引言

當(dāng)今很多院校中，單片機(jī)的教學(xué)仍以經(jīng)典的51內(nèi)核單片機(jī)為主。其實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用開(kāi)發(fā)中最重要的環(huán)節(jié)是軟、硬件綜合調(diào)試，通常采用的方法主要有兩種：一種是使用仿真器，優(yōu)點(diǎn)是功能齊全，但是價(jià)格較高，一般廠家研發(fā)采用;另一種是使用軟件仿真和芯片直接燒寫(xiě)驗(yàn)證的方法，其成本雖然低，但在程序或硬件出現(xiàn)疑難問(wèn)題時(shí)，很難找到原因。

實(shí)際上，還有一種成本低且具有在線仿真調(diào)試功能的技術(shù)是在線仿真調(diào)試，它特別適合初學(xué)者。“在線仿真調(diào)試”是指：通過(guò)Keil C51編譯器，結(jié)合單片機(jī)中的監(jiān)控程序，對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用程序和硬件進(jìn)行仿真調(diào)試，可以讓單片機(jī)以單步、斷點(diǎn)、全速等運(yùn)行模式來(lái)執(zhí)行程序。在線仿真調(diào)試是單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)過(guò)程中的高效方法，國(guó)內(nèi)STC公司的51內(nèi)核單片機(jī)IAP15F2K61S2便具有在線仿真調(diào)試功能。

1 在線仿真調(diào)試概述

Keil C51編譯器開(kāi)放了調(diào)試器與目標(biāo)芯片的接口，只要芯片廠商提供自己特有的驅(qū)動(dòng)程序(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL)，就能使Keil調(diào)試器在不改變圖形界面的情況下支持相應(yīng)的硬件仿真調(diào)試。

STC Monitor-51是STC公司開(kāi)發(fā)的內(nèi)嵌Keil C51編譯器的目標(biāo)系統(tǒng)調(diào)試模塊，它是一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序，可利用PC機(jī)的USB口與目標(biāo)端進(jìn)行通信。在線仿真調(diào)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

PC機(jī)端由Keil調(diào)試器和STC Monitor-51的驅(qū)動(dòng)程序stcmon51.DLL組成，stcmon51.DLL是STC公司自主開(kāi)發(fā)的Keil仿真驅(qū)動(dòng)協(xié)議，功能相比于 Keil自帶的Mon51.DLL有較大的突破，例如：更改通信接口為真正的USB口，支持Keil Flash Download功能，支持軟件復(fù)位，增加斷點(diǎn)數(shù)量等。目標(biāo)端由USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340、51內(nèi)核單片機(jī)及STC Monoitor-51監(jiān)控程序組成。Keil調(diào)試器將用戶(hù)的調(diào)試指令通過(guò)PC機(jī)的USB口傳送給目標(biāo)端;目標(biāo)端的USB轉(zhuǎn)串口芯片將其轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平后發(fā)送給單片機(jī)，最后由單片機(jī)中駐留的STC Monitor-51監(jiān)控程序分析并執(zhí)行。

2 在線仿真調(diào)試實(shí)現(xiàn)

2.1 IAP15F2K61S2的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

STC Monitor-51具有載入并執(zhí)行用戶(hù)程序的功能，所以要求單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器為Flash ROM，并具有ISP功能。ISP(In System Programming，在系統(tǒng)編程)指電路板上器件不用取出，就可以寫(xiě)入用戶(hù)代碼，已經(jīng)編程的芯片也可以用ISP方式擦除或再編程。

IAP15F2K61S2單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是獨(dú)立編址的。IAP15F2K61S2單片機(jī)內(nèi)部在物理上有4個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器空間;程序存儲(chǔ)器(程序Flash)、片內(nèi)基本RAM、片內(nèi)擴(kuò)展RAM與EEPROM(數(shù)據(jù)Flash)。IAP15F2K61S2單片機(jī)片內(nèi)集成了61 KB的程序Flash存儲(chǔ)器，其地址為0000H～F3FFH。用戶(hù)可以使用的最大程序空間為55 KB，整個(gè)程序Flash存儲(chǔ)器的分布圖如圖2所示。

很多單片機(jī)在出廠時(shí)已經(jīng)將具有Boot loader功能的程序固化在系統(tǒng)區(qū)中，因此無(wú)需編程器就可通過(guò)ISP下載軟件將用戶(hù)程序下載到Flash ROM中。STC公司的單片機(jī)可以進(jìn)行ISP串行下載程序，就是因?yàn)橄到y(tǒng)區(qū)中有芯片出廠時(shí)就已經(jīng)固化的ISP引導(dǎo)碼。如果想要下載應(yīng)用程序至單片機(jī)，先要在下載軟件界面上進(jìn)行相應(yīng)選擇，然后再上電，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到上位機(jī)中有特定的下載條件時(shí)，便啟用ISP下載功能將程序下載至用戶(hù)程序區(qū);否則，單片機(jī)便會(huì)從用戶(hù)應(yīng)用程序區(qū)中開(kāi)始執(zhí)行代碼。

STC公司的最新ISP下載軟件stc-isp-15xx-v6.77.exe還可以將STC Monoitor-51監(jiān)控程序下載到監(jiān)控程序區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)在線仿真調(diào)試功能。

2.2 IAP15F2K61S2的ISP和IAP實(shí)現(xiàn)

在線仿真調(diào)試功能的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于用戶(hù)系統(tǒng)內(nèi)部的監(jiān)控程序和PC機(jī)上的下載程序。其具體實(shí)現(xiàn)主要利用IAP(In Applicatin Programming，在應(yīng)用編程)技術(shù)，即在程序運(yùn)行時(shí)程序存儲(chǔ)器可由程序自身進(jìn)行擦寫(xiě)。IAP15F2K61S2單片機(jī)的IAP功能，與以下幾個(gè)特殊功能寄存器有關(guān)。

IAP_DATA：ISP/IAP數(shù)據(jù)寄存器，從Flash讀出的數(shù)據(jù)放在此處，寫(xiě)入Flash的數(shù)據(jù)也需放在此處。

IAP_ADDRH：ISP/IAP地址寄存器高8位。

IAP_ADDRL：ISP/IAP地址寄存器低8位。

IAP_CMD：ISP/IAP命令寄存器，須IAP_TRIG觸發(fā)方可生效。

IAP_TRIG：ISP/IAP命令觸發(fā)寄存器。

IAP_CONTR：ISP/IAP控制寄存器。

當(dāng)IAPEN(IAP_CONTR.7)=1時(shí)，只有對(duì)IAP_TRIG先寫(xiě)入0x5A、再寫(xiě)入0xA5，ISP/IAP命令才會(huì)生效。

ISP/IAP操作完成后，IAP命令寄存器、IAP地址高8位地址寄存器和低8位地址寄存器的內(nèi)容都不變。如果需要對(duì)下一個(gè)地址的數(shù)據(jù)進(jìn)行 ISP/IAP操作，則要手動(dòng)將該地址的高8位和低8位對(duì)應(yīng)寫(xiě)入地址寄存器中。每次進(jìn)行IAP操作時(shí)，都要對(duì)IAP_TRIG先寫(xiě)入0x5A，再寫(xiě)入 0xA5，ISP/IAP命令才會(huì)生效。

ISP/IAP命令寄存器IAP_CMD的格式如表1所列。通過(guò)對(duì)命令寄存器IAP_CMD的MS1和MS0位進(jìn)行賦值，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

IAP15F2K61S2程序在用戶(hù)應(yīng)用程序區(qū)時(shí)，不僅可以對(duì)數(shù)據(jù)Flash區(qū)(EEPROM)進(jìn)行字節(jié)讀、字節(jié)編程和扇區(qū)擦除，而且可以修改用戶(hù)應(yīng)用程序區(qū)。扇區(qū)擦除程序示意性代碼如下所示，其他ISP/IAP操作類(lèi)似。

IAP_ADDRH=EE_address/256; //送扇區(qū)地址高字節(jié)(地址需要改變時(shí)才需重新送地址)

IAP_ADDRL=EE_address%256; //送扇區(qū)地址低字節(jié)(512字節(jié)/扇區(qū))

IAP_CONTR=0xS0; //設(shè)置等待時(shí)間，允許ISP/IAP操作，送一次就夠

IAP_CMD=3; //送扇區(qū)擦除命令，命令不需改變時(shí)，不需重新送命令

IAP_TRIG=0x5A;

IAP_TRIG=0xA5; //ISP/IAP觸發(fā)命令

2.3 監(jiān)控程序

為配合Keil調(diào)試器的硬件仿真調(diào)試，監(jiān)控程序應(yīng)具備相應(yīng)的單步、斷點(diǎn)設(shè)置、ID讀取等功能。仿真開(kāi)始時(shí)，監(jiān)控程序接收命令，判斷相應(yīng)的功能操作，再執(zhí)行。STCMonoit or-51監(jiān)控程序只能在程序中給定點(diǎn)處監(jiān)測(cè)，調(diào)試時(shí)需要占用程序空間，屬于一種侵入式的調(diào)試，其工作流程如圖3所示。

2.4 IAP15F2K61S2在線仿真調(diào)試過(guò)程

以前的51內(nèi)核單片機(jī)在線仿真調(diào)試時(shí)，需要根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)，修改應(yīng)用程序和Keil C51集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的參數(shù)，初學(xué)者不易掌握，從而影響普及推廣。STC公司的IAP15F2K61S2是十分易用的在線仿真調(diào)試芯片，只需利用最新ISP 下載軟件stc-isp-15xx-v6.77.exe，將監(jiān)控程序下載到單片機(jī)中，就可輕松地實(shí)現(xiàn)在線仿真調(diào)試功能。IAP15F2K61S2線仿真調(diào)試過(guò)程如下。

2.4.1 安裝仿真驅(qū)動(dòng)

運(yùn)行ISP下載軟件stc-isp-15xx-v6.77.exe，在“Keil仿真設(shè)置”頁(yè)面中單擊“添加MCU型號(hào)到Keil中”按鈕，在出現(xiàn)的目錄選擇窗口中，確定到Keil的安裝目錄(一般可能為“C：\Keil\”)。添加頭文件的同時(shí)也會(huì)安裝STC的STC Monitor-51仿真驅(qū)動(dòng)stcmon51.DLL。

2.4.2 創(chuàng)建仿真芯片

將一顆IAP15F2KG1S2通過(guò)目標(biāo)板連接到電腦的USB口，然后在“Keil仿真設(shè)置”頁(yè)面中單擊“將IAP15F2K61S2設(shè)置為仿真芯片”按鈕，再給目標(biāo)板上電，當(dāng)程序下載完成后仿真器便制作完成。

2.4.3 創(chuàng)建項(xiàng)目工程

若上一步的驅(qū)動(dòng)安裝成功，則在Keil中新建項(xiàng)目工程、選擇芯片型號(hào)時(shí)，便會(huì)有“STC MCU Database”的選擇項(xiàng)，然后從列表中選擇相應(yīng)的MCU型號(hào)(目前STC支持仿真的型號(hào)只有STC15F2K60S2)，單擊“確定”完成選擇，再按Keil的一般使用方法添加源程序到項(xiàng)目工程中，若編譯無(wú)誤，則可以進(jìn)行下面的項(xiàng)目設(shè)置。

2.4.4 硬件仿真驅(qū)動(dòng)選擇

選擇Project中的Opertions for Target’Target1’，進(jìn)入“Debug”設(shè)置頁(yè)，在右側(cè)的硬件仿真驅(qū)動(dòng)下拉列表中選擇“STC Monitor-51 Driver”項(xiàng)，然后單擊“Settin gs”按鈕，對(duì)串口的端口號(hào)和波特率進(jìn)行設(shè)置，波特率一般選擇115 200或者57 600。到此設(shè)置便完成了。

2.4.5 在線仿真調(diào)試

在這個(gè)Keil工程下，按下“Ctrl+F5”即可開(kāi)始在線仿真調(diào)試。若硬件連接無(wú)誤，將會(huì)進(jìn)入到類(lèi)似于常用的軟件調(diào)試，并在命令輸出窗口顯示當(dāng)前的仿真驅(qū)動(dòng)版本號(hào)和當(dāng)運(yùn)行、全速運(yùn)行等進(jìn)行仿真調(diào)試。調(diào)試中的注意事項(xiàng)主要有：斷點(diǎn)設(shè)置的個(gè)數(shù)不要太多，否則會(huì)影響調(diào)試速度;若仿真源代碼為匯編程序，則第一條語(yǔ)句必須是長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句，不能使用其他語(yǔ)句;仿真中，不能使用與P3.0和P3.1引腳相關(guān)的中斷和功能。

結(jié)語(yǔ)

結(jié)合IAP15F2K61S2單片機(jī)與監(jiān)控程序STC Monoitor-51、Keil C51集成開(kāi)發(fā)軟件，提供了一種成本低、功能強(qiáng)的在線硬件仿真調(diào)試技術(shù)，降低了使用單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具的門(mén)檻，特別適用于單片機(jī)初學(xué)者以及學(xué)校的教學(xué)活動(dòng)，也為選用51內(nèi)核單片機(jī)進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)帶來(lái)了極大便利，只需下載監(jiān)控代碼就可以進(jìn)行在線仿真調(diào)試。