單片機上機試驗講解

1、單片機仿真實驗講解單片機仿真實驗講解太原科技大學機電教研室劉暢單片機仿真單片機仿真l為什么要進行單片機仿真l硬件仿真和軟件仿真有何區(qū)別l軟件仿真軟件使用說明 早期的單片機內(nèi)部沒有ROM，比如8031、8032，這種單片機只能外部擴展紫外擦除的EPROM存儲器，就是芯片上帶窗口的ROM。紫外擦除的ROM需要用紫外燈照射較長時間（10分鐘或者更多）才能擦掉芯片中的內(nèi)容以便寫入新的程序。還有的單片機內(nèi)部ROM是一次寫入成型的，比如8751，程序?qū)懭雴纹瑱C的ROM之后就不能被擦除。因此，如果這樣直接用單片機來調(diào)試，怎么調(diào)試呢？把程序?qū)懭隦OM然后運行，出問題了就修改程序在寫道ROM中再運行？但寫一次R

2、OM需要不少時間,如果是8751單片機，寫一次程序不對，那這個單片機就報廢了，而當時的單片機價格比較貴。因此出現(xiàn)了仿真器，這仿真器用RAM當充當單片機的程序存儲器，這樣就可以快速的反復寫入程序進行運行測試，通過插入其他代碼來觀察寄存器和RAM中數(shù)據(jù)的變化，以判斷程序運行是否正確。這樣就可以高效快速的設計程序了。 仿真的概念其實使用非常廣，最終的含義就是使用可控的手段來模仿真實的情況。 在嵌入式系統(tǒng)的設計中，仿真應用的范圍主要集中在對程序的仿真上。例如，在單片機的開發(fā)過程中，程序的設計是最為重要的但也是難度最大的。一種最簡單和原始的開發(fā)流程是：編寫程序燒寫芯片驗證功能，這種方法對于簡單的小系統(tǒng)是

3、可以對付的，但在大系統(tǒng)中使用這種方法則是完全不可能的。為什么要進行單片機仿真？為什么要進行單片機仿真？ 一些有經(jīng)驗的工程師在開發(fā)中不使用或很少仿真器。他們是如何解決程序開發(fā)中遇到的問題呢？(1) 根據(jù)自己的設計建立一個符合要求的硬件平臺，如果該平臺涉及的程序比較復雜，還要搭建一個人機交流的通道。人機交流通道可能是一個簡單的發(fā)光二極管，蜂鳴器，復雜的可能是串口通訊口，LCD顯示屏。(2) 寫一個最簡單的程序，例如只是將發(fā)光二極管連續(xù)的閃爍。程序編譯后燒寫到單片機芯片中，驗證硬件平臺是否工作正常。(3) 硬件平臺正常工作后編寫系統(tǒng)最低層的驅(qū)動程序，每次程序更改后都重新燒寫單片機芯片驗證。如果在程序

4、驗證中遇到問題，則可能在程序中加入一些調(diào)試手段，例如通過串口發(fā)送一些信息到 PC 端的超級終端上，用于了解程序的運行情況。(4) 系統(tǒng)低層驅(qū)動程序完成后再編寫用戶框架程序，由于這部分已經(jīng)不涉及到硬件部分，所以程序中的問題用戶一般能夠發(fā)現(xiàn)。 但是更多的調(diào)查表明，使用以上方法的工程師總的看來所設計的程序不是很龐大或很復雜。因為在做簡單的項目時，我們可以通過一個發(fā)光二極管就可以表達出內(nèi)部的信息；如果程序復雜，可能需要更多的信息來表示內(nèi)部的狀態(tài)，這樣可能就需要串口協(xié)助調(diào)試；如果程序更復雜，硬件更多，實時性更強，那工程師就要更多的增強調(diào)試手段，串口可能就不能滿足了，需要類似于斷點的功能，因為人們想知道在

5、某一個時刻單片機內(nèi)部的狀態(tài)究竟是怎樣？ 如果用戶程序的修改非常頻繁，可能一次又一次地的燒寫芯片占用的時間就很多，這時用戶就會想能下載程序并運行的裝置。到這里，您會看到，隨著用戶要求的越來越高，調(diào)試裝置已經(jīng)越來越象一個通用的仿真器了。因此不要回避使用仿真器，因為使用仿真器能提高您的開發(fā)速度。 仿真的種類軟件仿真：這種方法主要是使用計算機軟件來模擬運行實 際的單片機運行，因此仿真與硬件無關(guān)的系統(tǒng) 具有一定的優(yōu)點。用戶不需要搭建硬件電路就 可以對程序進行驗證，特別適合于偏重算法的 程序。軟件仿真的缺點是無法完全仿真與硬件 相關(guān)的部分，因此最終還要通過硬件仿真來完 成最終的設計。硬件仿真：使用附加的硬

6、件來替代用戶系統(tǒng)的單片機并完 成單片機全部或大部分的功能，使用了附加硬 件后用戶就可以對程序的運行進行控制，例如 單步，全速，查看資源，斷點等。硬件仿真是 開發(fā)過程中所必須的。 硬件仿真硬件仿真是通過硬件和相應的軟件對單片機進行仿真，可以直接接在用戶板上運行程序，還可以進行程序調(diào)試（單步、斷點等），它不需要每次修改程序都燒寫芯片，更沒有來回拆、裝芯片的麻煩，是學習單片機極其方便的工具。不過一般情況下，價格較高。單片機仿真軟件單片機仿真軟件1.Proteus Proteus 是由英國Labcenter electronics 公司開發(fā)的EDA 工具軟件。它從1989 年出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有十多年的歷

7、史，在全球廣泛使用。Proteus 安裝以后，主要由兩個程序組成：Ares和Isis。前者主要用于PCB 自動或人工布線及其電路仿真，后者主要采用原理布圖的方法繪制電路并進行相應的仿真。除了上述基本應用之外，Proteus 革命性的功能在于它的電路仿真是互動的，針對微處理器的應用，可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實現(xiàn)軟件代碼級的調(diào)試，還可以直接實時動態(tài)地模擬 按鈕、鍵盤的輸入，LED、液晶顯示的輸出，同時配合虛擬工具如示波器、邏輯分析儀等進行相應的測量和觀測。 其處理器模型支持： 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和M

8、SP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。 圖中模擬的情況是，液晶的第一行顯示預置的字符串信息圖中模擬的情況是，液晶的第一行顯示預置的字符串信息“BUPT_Information”，第二行第一列顯示當前的按鍵值，此，第二行第一列顯示當前的按鍵值，此時鼠標按下了數(shù)字健時鼠標按下了數(shù)字健“6”。當鼠標按下其他的健時，液晶的顯。當鼠標按下其他的健時，液晶的顯示會同步更新，示會同步更新，2.Multisim Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作，由EWB發(fā)展而來。

9、它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。 工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。 Multisim有超強板級的模擬/數(shù)字電路板的設計能力。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。高版本可以進行單片機等MCU的仿真。Multisim有實際元器件和虛擬元器件，它們之間根本差別在于：一種是與實際元器件的型號、參數(shù)值以及封裝都相對應的元器件，在設計中選用此類器件，不僅可以使設

10、計仿真與實際情況有良好的對應性，還可以直接將設計導出到Ultiboard中進行PCB的設計；虛擬元器件只能用于電路的仿真。3.Keil Keil是一個公司的名字。是由德國慕尼黑的Keil Elektronik GmbH和美國德克薩斯的Keil Software組成，現(xiàn)已被ARM公司收購。Keil軟件是目前最流行的開發(fā)51系列單片機的軟件。支持c語言，匯編語言編程。 Keil 軟件是目前最流行開發(fā) MCS-51 系列單片機的軟件，這從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持 Keil 即可看出。 Keil 提供了包括 C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過

11、一個集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部份組合在一起。運行 Keil 軟件需要 Pentium 或以上的 CPU，16MB 或更多 RAM、20M 以上空閑的硬盤空間、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。掌握這一軟件的使用對于使用 51 系列單片機的愛好者來說是十分必要的，如果你使用 C 語言編程，那么 Keil 幾乎就是你的不二之選（目前在國內(nèi)你只能買到該軟件、而你買的仿真機也很可能只支持該軟件），即使不使用 C 語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具也會令你事半功倍。Keil的使用的使用uKeil軟件的安裝uKeil的使用u例子Keil

12、軟件的安裝軟件的安裝Keil的使用的使用一、建立一、建立KEIL工程工程 UVison 啟動后，程序窗口的左邊有一個工程管理窗口，該窗口有 3 個標簽，分別是Files、Regs、和 Books，這三個標簽頁分別顯示當前項目的文件結(jié)構(gòu)、 CPU 的寄存器及部份特殊功能寄存器的值（調(diào)試時才出現(xiàn)）和所選 CPU 的附加說明文件，如果是第一次啟動 Keil，那么這三個標簽頁全是空的。1、源文件的建立、源文件的建立 使用菜單“ File-New”或者點擊工具欄的新建文件按鈕，即可在項目窗口的右側(cè)打開一個新的文本編緝窗口，在該窗口中輸入以下匯編語言源程序： MOV A， #0FEH MAIN: MOV

13、P1， A RL A LCALL DELAY AJMP MAIN DELAY: MOV R7,#255 D1: MOV R6,#255 DJNZ R6,$ DJNZ R7,D1 RET END 保存該文件，注意必須加上擴展名（匯編語言源程序一般用 asm 或 a51 為擴展名），這里假定將文件保存為 exam1.asm。需要說明的是，源文件就是一般的文本文件，不一定使用 Keil 軟件編寫，可以使用任意文本編緝器編寫.2、建立工程文件、建立工程文件 在項目開發(fā)中，并不是僅有一個源程序就行了，還要為這個項目選擇 CPU（ Keil 支持數(shù)百種 CPU，而這些 CPU 的特性并不完全相同），確定編

14、譯、匯編、連接的參數(shù)，指定調(diào)試的方式，有一些項目還會有多個文件組成等，為管理和使用方便， Keil 使用工程（ Project）這一概念，將這些參數(shù)設置和所需的所有文件都加在一個工程中， 只能對工程而不能對單一源程序進行編譯（匯編）和連接等操作。 點擊“ Project-New Project ”菜單，出現(xiàn)一個對話框，要求給將要建立的工程起一個名字，你可以在編緝框中輸入一個名字（設為 exam1），不需要擴展名。點擊 “保存”按鈕，出現(xiàn)第二個對話框，如圖所示，這個對話框要求選擇目標 CPU （即你所用芯片的型）， Keil 支持的 CPU很多，我們選擇 Atmel 公司的 89C51 芯片。點

15、擊ATMEL 前面的“ +”號，展開該層，點擊其中的 89C51，然后再點擊“確定”按鈕，回到主界面. 工程窗口的文件頁中，出現(xiàn)了“ Target1”，前面有“ +”號，點擊“ +”號展開，可以看到下一層的“ Source Group1”，這時的工程還是一個空的工程，里面什么文件也沒有，需要手動把剛才編寫好的源程序加入，點擊“ Source Group1”使其反白顯示，然后，點擊鼠標右鍵，出現(xiàn)一個下拉菜單，如圖所示。選中其中的“ Add file to Group” Source Group1”，出現(xiàn)一個對話框，要求尋找源文件，注意，該對話框下面的“文件類型” 默認為 C source fil

16、e(*.c)，也就是以 C 為擴展名的文件，而我們的文件是以 asm 為擴展名的，所以在列表框中找不到 exam1.asm，要將文件類型改掉，點擊對話框中“文件類型”后的下拉列表，找到并選中“ Asm Source File(*.a51,*.asm)，這樣，在列表框中就可以找到 exam1.asm 文件. 雙擊 exam1.asm 文件，將文件加入項目，注意，在文件加入項目后，該對話框并不消失，等待繼續(xù)加入其它文件，但初學時常會誤認為操作沒有成功而再次雙擊同一文件，這時會出現(xiàn)如圖所示的對話框，提示你所選文件已在列表中，此時應點擊 “確定”，返回前一對話框，然后點擊“ Close”即可返回主界面

17、，返回后，點擊“ Source Group 1”前的加號，會發(fā)現(xiàn) exam1.asm 文件已在其中。雙擊文件名，即打開該源程序。二、工程的詳細設置二、工程的詳細設置 首先點擊左邊 Project 窗口的 Target 1，然后使用菜單“ Project-Option for target target1 ”即出現(xiàn)對工程設置的對話框，這個對話框可謂非常復雜，共有 8 個頁面，絕大部份設置項取默認值就行了。 設置對話框中的 Target 頁面，如圖 所示， Xtal 后面的數(shù)值是晶振頻率值，默認值是所選目標 CPU 的最高可 用 頻 率 值 ， 對 于 我 們 所 選 的AT89C51 而言是 2

18、4M，該數(shù)值與最終產(chǎn)生的目標代碼無關(guān)，僅用于軟件模擬調(diào)試時顯示程序執(zhí)行時間。正確設置該數(shù)值可使顯示時間與實際所用時間一致，一般將其設置成與你的硬件所用晶振頻率相同，如果沒必要了解程序執(zhí)行的時間，也可以不設，這里設置為 12。 設置對話框中的 OutPut 頁面，如圖所示，這里面也有多個選擇項，其中 Creat Hex file用于生成可執(zhí)行代碼文件（可以用編程器寫入單片機芯片的 HEX 格式文件，文件的擴展名為.HEX），默認情況下該項未被選中，如果要寫片做硬件實驗，就必須選中該項，這一點是初學者易疏忽的，在此特別提醒注意。選中 Debug information 將會產(chǎn)生調(diào)試信息，這些信息用

19、于調(diào)試，如果需要對程序進行調(diào)試，應當選中該項。 Browse information 是產(chǎn)生瀏覽信息，該信息可以用菜單 view-Browse 來查看，這里取默認值。按鈕“ Select Folder for objects”圖 4 重復加入文件的錯誤圖 5 對目標進行設置是用來選擇最終的目標文件所在的文件夾，默認是與工程文件在同一個文件夾中。 Name of Executable 用于指定最終生成的目標文件的名字，默認與工程的名字相同，這兩項一般不需要更改。工程設置對話框中的其它各頁面與 C51 編譯選項、 A51 的匯編選項、 BL51 連接器的連接選項等用法有關(guān)，這里均取默認值，不作任何

20、修改。三、編譯、連接三、編譯、連接 在設置好工程后，即可進行編譯、連接。選擇菜單 Project-Build target，對當前工程進行連接，如果當前文件已修改，軟件會先對該文件進行編譯，然后再連接以產(chǎn)生目標代碼；如果選擇 Rebuild All target files 將會對當前工程中的所有文件重新進行編譯然后再連接，確保最終生產(chǎn)的目標代碼是最新的，而Translate .項則僅對該文件進行編譯，不進行連接。 以上操作也可以通過工具欄按鈕直接進行。下圖是有關(guān)編譯、設置的工具欄按鈕，從左到右分別是：編譯、編譯連接、全部重建、停止編譯和對工程進行設置。 編譯過程中的信息將出現(xiàn)在輸出窗口中的

21、Build 頁中，如果源程序中有語法錯誤，會有錯誤報告出現(xiàn)，雙擊該行，可以定位到出錯的位置，對源程序反復修改之后，最終會得到如圖 所示的結(jié)果，提示獲得了名為 exam1.hex 的文件，該文件即可被編程器讀入并寫到芯片中，同時還產(chǎn)生了一些其它相關(guān)的文件，可被用于 Keil 的仿真與調(diào)試，這時可以進入下一步調(diào)試的工作。四、四、Keil 的調(diào)試命令、在線匯編與的調(diào)試命令、在線匯編與斷點設置斷點設置 前面我們學習了如何建立工程、匯編、連接工程，并獲得目標代碼，但是做到這一步僅僅代表你的源程序沒有語法錯誤，至于源程序中存在著的其它錯誤，必須通過調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)并解決，事實上，除了極簡單的程序以外，絕大部份

22、的程序都要通過反復調(diào)試才能得到正確的結(jié)果，因此，調(diào)試是軟件開發(fā)中重要的一個環(huán)節(jié)1.常用調(diào)試命令常用調(diào)試命令 在對工程成功地進行匯編、連接以后，按 Ctrl+F5 或者使用菜單 Debug-Start/Stop DebugSession 即可進入調(diào)試狀態(tài)， Keil 內(nèi)建了一個仿真 CPU 用來模擬執(zhí)行程序，該仿真 CPU 功能強大，可以在沒有硬件和仿真機的情況下進行程序的調(diào)試，下面將要學的就是該模擬調(diào)試功能。不過在學習之前必須明確，模擬畢竟只是模擬，與真實的硬件執(zhí)行程序肯定還是有區(qū)別的，其中最明顯的就是時序，軟件模擬是不可能和真實的硬件具有相同的時序的，具體的表現(xiàn)就是程序執(zhí)行的速度和各人使用的

23、計算機有關(guān)，計算機性能越好，運行速度越快。 進入調(diào)試狀態(tài)后，界面與編緝狀態(tài)相比有明顯的變化， Debug 菜單項中原來不能用的命現(xiàn)在已可以使用了，工具欄會多出一個用于運行和調(diào)試的工具條，如圖 所示， Debug 菜單上的大部份命令可以在此找到對應的快捷按鈕，從左到右依次是復位、運行、暫停、單步、過程單步、執(zhí)行完當前子程序、運行到當前行、下一狀態(tài)、打開跟蹤、觀察跟蹤、反匯編窗口、觀察窗口、代碼作用范圍分析、 1串行窗口、內(nèi)存窗口、性能分析、工具按鈕等命令。 學習程序調(diào)試，必須明確兩個重要的概念，即單步執(zhí)行與全速運行。全速執(zhí)行是指一行程序執(zhí)行完以后緊接著執(zhí)行下一行程序，中間不停止，這樣程序執(zhí)行的速

24、度很快，并可以看到該段程序執(zhí)行的總體效果，即最終結(jié)果正確還是錯誤，但如果程序有錯，則難以確認錯誤出現(xiàn)在哪些程序行。單步執(zhí)行是每次執(zhí)行一行程序，執(zhí)行完該行程序以后即停止，等待命令執(zhí)行下一行程序，此時可以觀察該行程序執(zhí)行完以后得到的結(jié)果，是否與我們寫該行程序所想要得到的結(jié)果相同，借此可以找到程序中問題所在。程序調(diào)試中，這兩種運行方式都要用到。 使用菜單 STEP 或相應的命令按鈕或使用快捷鍵 F11 可 以單步執(zhí)行程序，使用菜單 STEP OVER 或功能鍵 F10 可以 以過程單步形式執(zhí)行命令，所謂過程單步，是指將匯編語言 中的子程序或高級語言中的函數(shù)作為一個語句來全速執(zhí)行。 按下 F11 鍵，

25、可以看到源程序窗口的左邊出現(xiàn)了一個黃色調(diào)試箭頭，指向源程序的第一行，如圖 所示。每按一次 F11，即執(zhí)行該箭頭所指程序行，然后箭頭指向下一行，當箭頭 指向 LCALL DELAY 行時，再次按下 F11，會發(fā)現(xiàn)，箭頭指向了延時子程序 DELAY 的第 一行。不斷按 F11鍵，即可逐步執(zhí)行延時子程序。 通過單步執(zhí)行程序，可以找出一些問題的所在，但是僅依靠單步執(zhí)行來查錯有時是困難 的，或雖能查出錯誤但效率很低，為此必須輔之以其它的方法，如本例中的延時程序是通過將 D2： DJNZ R6,D2 這一行程序執(zhí)行六萬多次來達到延時的目的，如果用按 F11 六萬多次的方法來執(zhí)行完該程序行，顯然不合適，為此

26、，可以采取以下一些方法: 第一，用鼠標在 子程序的最后一行（ ret）點一下，把光標定位于該行，然后用菜單 Debug-Run to Cursor line（執(zhí)行到光標所在行），即可全速執(zhí)行完黃色箭頭與光標之間的程序行。 第二，在進入該子程序后，使用菜單 Debug-Step Out of Current Function（單步執(zhí)行到該函數(shù)外），使用該命令 后，即全速執(zhí)行完調(diào)試光標所在的子程序或子函數(shù)并指向主程序中的下一行程序（這里是 JMP LOOP 行）。 第三種方法，在開始調(diào)試的，按 F10 而非 F11，程序也將單步執(zhí)行，不同 的是，執(zhí)行到 lcall delay 行時，按下 F10

27、鍵，調(diào)試光標不進入子程序的內(nèi)部，而是全速 執(zhí)行完該子程序，然后直接指向下一行“JMP LOOP”。靈活應用這幾種方法，可以大大提 高查錯的效率。2. 在線匯編在線匯編 在進入 Keil 的調(diào)試環(huán)境以后，如果發(fā)現(xiàn)程序有錯，可以直接對源程序進行修改，但是 要使修改后的代碼起作用，必須先退出調(diào)試環(huán)境，重新進行編譯、連接后再次進入調(diào)試，如 果只是需要對某些程序行進行測試，或僅需對源程序進行臨時的修改，這樣的過程未免有些 麻煩，為此 Keil 軟件提供了在線匯編的能力，將光標定位于需要修改的程序行上，用菜單 Debug-Inline Assambly 即可出現(xiàn)如圖3 的對話框，在 Enter New 后

28、面的 編緝框內(nèi)直接輸入需更改的程序語句，輸入完后鍵入回車將自動指向下 一條語句，可以繼續(xù)修改，如果不再 需要修改，可以點擊右上角的關(guān)閉按鈕關(guān)閉窗口。 3. 斷點設置斷點設置 程序調(diào)試時，一些程序行必須滿足一定的條件才能被執(zhí)行到（如程序中某變量達到一定的值、按鍵被按下、串口接收到數(shù)據(jù)、有中斷產(chǎn)生等），這些條件往往是異步發(fā)生或難以預 先設定的，這類問題使用單步執(zhí)行的方法是很難調(diào)試的，這時就要使用到程序調(diào)試中的另一 種非常重要的方法斷點設置。斷點設置的方法有多種，常用的是在某一程序行設置斷點， 設置好斷點后可以全速運行程序，一旦執(zhí)行到該程序行即停止，可在此觀察有關(guān)變量值，以 確定問題所在。在程序行設

29、置/移除斷點的方法是將光標定位于需要設置斷點的程序行，使 用菜單 Debug-Insert/Remove BreakPoint 設置或移除斷點（也可以用鼠標在該行雙擊實現(xiàn)同 樣的功能）；Debug-Enable/D isable Breakpoint 是開啟或暫停光標所在行的斷點功能； Debug-Disable All Breakpoint 暫停所有斷點；Debug-Kill All BreakPoint 清除所有的斷點設 置。這些功能也可以用工具條上的快捷按鈕進行設置。 除了在某程序行設置斷點這一基本方法以外，Keil 軟件還提供了多種設置斷點的方法，按 Debug-Breakpoints 即出現(xiàn)一個對話框，該對話框用于對斷點進行詳細的設置，如圖所示 n 1） 在 Experssion 中鍵入 a=0 xf7，再點擊 Define 即定義了一個斷點， 注意，a 后有兩 個等號，意即相等。該表達式的含義是：如果 a 的值到達 0 xf7 則停止程序運行。除使用相等符號之外，還可以使用,=,=,!=（不等于）,&（兩值按位與）,&（兩值相與）等運算符號。n 2） 在 Experssion 后中鍵入 Delay 再點擊 Define，其含義是如果執(zhí)行標號為 Delay 的行 則中斷