《單片機系統(tǒng)設(shè)計及工程應(yīng)用》課件第7章

7.1開發(fā)系統(tǒng)的組成與功能7.2應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試7.3單片機仿真系統(tǒng)舉例習(xí)題7單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計完成以后，首先要做的就是樣機調(diào)試，要檢查電路裝配是否正確，程序設(shè)計是否合理，功能調(diào)試完成后還要將程序?qū)懭氪鎯ζ髦?，這些都必須借助單片機開發(fā)系統(tǒng)來完成。單片機開發(fā)系統(tǒng)一般由PC機、仿真器、仿真頭、仿真軟件、電源和目標(biāo)板組成，如圖7.1所示。

單片機開發(fā)系統(tǒng)是在通用計算機(PC機)的基礎(chǔ)上增加了目標(biāo)系統(tǒng)的在線仿真器及安裝在PC機上的編程器、匯編程序和模擬仿真軟件等組成的。7.1開發(fā)系統(tǒng)的組成與功能其中，仿真器本身也是一個單片機系統(tǒng)。當(dāng)一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)(目標(biāo)系統(tǒng))裝配完成后，其自身并無調(diào)試能力，無法驗證其功能，我們可以把應(yīng)用系統(tǒng)中的單片機芯片拔掉，插上在線仿真器提供的仿真頭，此時整個仿真系統(tǒng)就仿真了一個可以隨時檢查內(nèi)部設(shè)置的單片機了。仿真器的另一端通過RS-232口與PC機相連。在開發(fā)系統(tǒng)上通過在線仿真器調(diào)試

單片機應(yīng)用系統(tǒng)時，利用PC機及仿真器的資源模擬單片機的功能，就像使用應(yīng)用系統(tǒng)中真實的單片機一樣，這種“替代”稱之為“仿真”。圖7.1單片機開發(fā)系統(tǒng)組成框圖單片機開發(fā)系統(tǒng)有通用型和專用型兩類。通用型單片機開發(fā)系統(tǒng)配備多種在線仿真頭和相應(yīng)的開發(fā)軟件，使用時，只需更換系統(tǒng)中的仿真頭，就能開發(fā)相應(yīng)的單片機系統(tǒng)或可編程器件。專用開發(fā)系統(tǒng)只能仿真一種類型的單片機。無論是通用型還是專用型，單片機開發(fā)系統(tǒng)都具有以下內(nèi)容所講的功能。7.1.1在線仿真功能

在線仿真器的英文名為InCircuitEmulator(簡稱ICE)。ICE是由一系列硬件構(gòu)成的設(shè)備。開發(fā)系統(tǒng)中的在線仿真器應(yīng)能仿真目標(biāo)系統(tǒng)(即應(yīng)用系統(tǒng))中的單片機，并能模擬目標(biāo)系統(tǒng)的ROM、RAM和I/O端口等。使用在線仿真時，目標(biāo)系統(tǒng)的運行環(huán)境和脫機運行的環(huán)境完全“逼真”，以實現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)的一次性開發(fā)。仿真功能具體地體現(xiàn)在兩個方面。

1.單片機仿真功能

在線仿真時，開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)能將在線仿真器中的單片機完整地出讓給目標(biāo)系統(tǒng)，不占用目標(biāo)系統(tǒng)單片機的任何資源，使目標(biāo)系統(tǒng)在仿真調(diào)試和脫機運行時的環(huán)境(工作程序、使用的資源和地址空間)完全一致，實現(xiàn)完全的一次性仿真。

單片機的資源包括：片內(nèi)的CPU、RAM、ROM、SFR、定時器、中斷源、I/O端口及外部可擴充的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的地址空間。這些資源應(yīng)允許目標(biāo)系統(tǒng)充分自由地使用，不受任何限制，使目標(biāo)系統(tǒng)能根據(jù)單片機固有的資源特性進行硬件設(shè)計和軟件編程。

2.模擬功能

在開發(fā)目標(biāo)系統(tǒng)過程中，開發(fā)系統(tǒng)允許用戶使用其內(nèi)部的RAM存儲器和I/O端口來替代目標(biāo)系統(tǒng)中的ROM程序存儲器、RAM數(shù)據(jù)存儲器和I/O端口，使用戶在目標(biāo)系統(tǒng)樣機還未完成裝配之前，便可以借助開發(fā)系統(tǒng)提供的資源進行軟件編程和模擬仿真。

在系統(tǒng)軟件設(shè)計和調(diào)試過程中，用戶編寫的程序必須存放在開發(fā)系統(tǒng)RAM存儲器內(nèi)，以便于對程序進行調(diào)試和修改。開發(fā)系統(tǒng)所能出讓的可作為目標(biāo)系統(tǒng)程序存儲器RAM的容量和地址映射應(yīng)與目標(biāo)系統(tǒng)完全一致。7.1.2調(diào)試功能

開發(fā)系統(tǒng)對目標(biāo)系統(tǒng)軟、硬件調(diào)試功能的強弱，將直接影響開發(fā)效率。一般來講，單片機開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)具有以下調(diào)試功能：

1.運行控制功能

開發(fā)系統(tǒng)能使用戶有效地控制目標(biāo)程序的運行，以便檢查程序運行的結(jié)果，對存在的硬件故障和軟件錯誤進行定位。

(1)單步運行：允許CPU從任意程序地址開始，一條一條地執(zhí)行指令，每執(zhí)行一條指令后停止運行，以便檢查運行狀態(tài)。

(2)斷點運行：允許用戶任意設(shè)置斷點條件，啟動CPU從規(guī)定地址運行程序，當(dāng)符合斷點條件時停止運行。

(3)全速運行：CPU從指定地址開始連續(xù)全速運行目標(biāo)程序。

(4)跟蹤運行：跟蹤程序走向，逐條執(zhí)行指令，并可以跟蹤到子程序中運行。

2.目標(biāo)系統(tǒng)狀態(tài)檢測功能

當(dāng)CPU停止執(zhí)行目標(biāo)系統(tǒng)的程序后，允許用戶方便地讀出或修改目標(biāo)系統(tǒng)資源的狀態(tài)，以便檢查程序運行的結(jié)果、設(shè)置斷點條件以及設(shè)置程序的初始參數(shù)。允許用戶讀出/修改的目標(biāo)系統(tǒng)資源包括：

(1)可以隨時修改開發(fā)系統(tǒng)中的仿真RAM存儲器內(nèi)容或目標(biāo)機中的程序存儲器內(nèi)容。

(2)可以修改單片機內(nèi)部工作寄存器、特殊功能寄存器、I/O端口狀態(tài)、RAM數(shù)據(jù)存儲器及位單元等的內(nèi)容。

(3)能夠很方便地修改系統(tǒng)中擴展的數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)容和I/O端口狀態(tài)。

3.跟蹤功能

在系統(tǒng)研發(fā)過程中，專門購置邏輯分析儀當(dāng)然是十分有用的，但由于邏輯分析儀價格較高，對于大多數(shù)研發(fā)人員來說，擁有一臺邏輯分析儀就不太現(xiàn)實了。好在近期推出的單片機開發(fā)系統(tǒng)具有仿真邏輯分析儀的功能，在目標(biāo)程序運行過程中，能跟蹤存儲目標(biāo)系統(tǒng)總線上的地址、數(shù)據(jù)和控制信號的變化狀態(tài)，跟蹤存儲器能同步記錄總線上信息的變化過程。用戶可以根據(jù)需要顯示跟蹤存儲器搜集到的信息，也可以顯示某一位總線狀態(tài)變化的波形，掌握總線上的狀態(tài)變化過程，這樣能清楚地判斷信號時序，從而快速找到故障的準確位置。7.1.3輔助設(shè)計功能

軟件輔助設(shè)計功能的強弱是衡量單片機開發(fā)系統(tǒng)性能高低的重要標(biāo)志。單片機應(yīng)用系統(tǒng)軟件開發(fā)的效率在很大程度上取決于開發(fā)系統(tǒng)的輔助設(shè)計功能。

1.程序設(shè)計語言

單片機的程序設(shè)計語言有機器語言、匯編語言和高級語言。

機器語言只在簡單的開發(fā)裝置中才使用，程序的設(shè)計、輸入、修改和調(diào)試都很麻煩。因此，機器語言只能用來開發(fā)一些非常簡單的單片機應(yīng)用系統(tǒng)。匯編語言具有使用靈活、直觀明了、程序容易優(yōu)化的特點，是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的程序設(shè)計語言。相對而言，用匯編語言編寫程序比較麻煩，要求研發(fā)者非常熟悉單片機的指令系統(tǒng)，具有一定的編程經(jīng)驗，才能設(shè)計出高效的應(yīng)用程序。

高級語言通用性好，程序設(shè)計人員只需掌握開發(fā)系統(tǒng)所提供的高級語言，就可以直接編寫程序。MCS-51系列單片機常用的高級語言有PL/M51、C-51、MBASIC-51等。

編譯型高級語言可生成機器碼，解釋型高級語言必須在解釋程序支持下直接解釋執(zhí)行，因此把編譯型高級語言作為單片機開發(fā)語言。單片機開發(fā)系統(tǒng)可以支持多種高級語言，目前廣泛采用的是C語言，當(dāng)然，針對具體的開發(fā)系統(tǒng)會有一些特殊規(guī)定。

2.編譯程序

單片機大多應(yīng)用于硬件環(huán)境相對簡單的嵌入式系統(tǒng)中，一般直接使用機器代碼程序。通常借助開發(fā)系統(tǒng)提供的編譯軟件將用戶設(shè)計的源程序翻譯成目標(biāo)程序。

單片機開發(fā)系統(tǒng)與PC機連接，允許用戶使用PC機的編輯環(huán)境編寫匯編語言或高級語言程序?？梢猿浞掷肞C機的編輯環(huán)境，方便地將源程序輸入到計算機開發(fā)系統(tǒng)中，生成匯編語言或高級語言的源文件。然后利用開發(fā)系統(tǒng)提供的交叉匯編或編譯系統(tǒng)，將源程序編譯成可在單片機上直接運行的目標(biāo)程序。7.1.4程序固化功能

在系統(tǒng)調(diào)試階段，應(yīng)用程序尚未調(diào)試完成時，可借用開發(fā)系統(tǒng)的存儲器進行修改、調(diào)試和存儲程序。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試完成，確認軟件功能正常后，要將調(diào)試完成的程序固化到應(yīng)用系統(tǒng)的單片機(片內(nèi)有程序存儲器的單片機)或片外程序存儲器(片內(nèi)無程序存儲器或片內(nèi)程序存儲器不夠使用時)中，程序?qū)懭肫?也叫編程器)就是用來完成這一任務(wù)的，是單片機開發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分。編程器可以將完成調(diào)試、編譯的目標(biāo)程序?qū)懭肽繕?biāo)單元，從而實現(xiàn)單片機應(yīng)用系統(tǒng)脫機工作(脫離開發(fā)系統(tǒng)單獨工作)。當(dāng)然，現(xiàn)在流行的寫入器不僅具有各類單片機、存儲器編程功能，而且還具有寫入可編程邏輯器件和檢測常用集成塊狀態(tài)等功能。7.2.1硬件調(diào)試方法

單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試既有區(qū)別又有聯(lián)系，是軟硬件結(jié)合十分緊密的一個整體。許多硬件故障是在調(diào)試軟件時才發(fā)現(xiàn)的，但通常是先排除系統(tǒng)中明顯的硬件故障后，再與軟件系統(tǒng)結(jié)合起來調(diào)試。

7.2應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試

1.常見的硬件故障

1)邏輯錯誤

樣機硬件的邏輯錯誤是由于設(shè)計錯誤和加工過程中的工藝性錯誤所造成的。這類錯誤包括錯線、開路、短路等，其中短路是最常見最容易出現(xiàn)的故障。一般情況下，印刷電路板布線密度較高，易因制版工藝造成短路。

2)元器件失效

元器件失效的原因有兩個方面：一是元器件本身已損壞或性能指標(biāo)達不到電路要求，如電容器耐壓不夠，集成電路速率低等；二是由于組裝錯誤造成的元器件失效，如電解電容、二極管的極性裝反，三極管極性不正確及集成塊安裝錯位等。

3)可靠性差

引起系統(tǒng)不可靠的因素很多，如電路板金屬化孔不通、接插件接觸不良造成系統(tǒng)時好時壞；內(nèi)部和外部的高頻輻射干擾，電源容量不足，工作電壓不穩(wěn)，總線驅(qū)動能力不夠造成邏輯電平不穩(wěn)定等。另外，信號連線不規(guī)則和電路板布局不合理也會引起系統(tǒng)可靠性降低。

4)電源故障

若樣機中存在電源故障，則加電后將造成器件損壞。電源的故障包括電壓值不符合設(shè)計要求，電源引出線和插座不對應(yīng)，電源功率不足及負載能力差等。

2.硬件調(diào)試方法

1)脫機檢查

脫機檢查是在電路板未連接到開發(fā)系統(tǒng)之前的檢查，分為靜態(tài)檢查和動態(tài)檢查。

(1)靜態(tài)檢查。

靜態(tài)檢查是在電路板沒加電的情況下，先直觀地檢查電路板上有沒有明顯的錯誤，根據(jù)硬件電路原理圖和裝配圖仔細檢查樣機線路的正確性，核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求，借助萬用表等工具，檢查有無短路、開路、線路板過孔不通等問題。應(yīng)特別注意電路板電源線之間、電源線與地線之間有無短路現(xiàn)象，用三用表測量電路板電源端和地線之間的電阻，經(jīng)確認無誤后方可接通電路板上的電源，防止電源之間或電源與地之間短路而燒壞器件或電源。檢查系統(tǒng)總線是否存在相互間的短路，接插件連接情況是否正確，信號線間有無短路、開路現(xiàn)象。

系統(tǒng)所用的直流電源，使用前必須單獨調(diào)試。確認其電壓值、負載能力、極性等均符合要求后，才能連接到系統(tǒng)的各個電路板上。

(2)動態(tài)檢查。

經(jīng)過靜態(tài)檢查，確認電路板電源端與地線之間電阻正常無短路，所用電源電壓、極性、額定功率等均符合要求的情況下，才能給電路板加電。首先在電路板不插集成塊的情況下，加電檢查各插件上電源引腳的電位，測量各觀察點電位是否正常，尤其應(yīng)注意單片機插座上各點的電位是否正常，發(fā)現(xiàn)故障及時排除。確認各點電位正常后，關(guān)閉電源，分別插上集成塊。

注意：此時應(yīng)在插上一批集成塊時加電，檢查電源電壓，各點電位是否正常，有無異?，F(xiàn)象發(fā)生。若有，則及時排除，正常后再插一批，直到集成電路器件全部插上，各點電位均正常為止。否則，聯(lián)機時可能會損壞仿真器。

2)聯(lián)機調(diào)試

仿真器可以很方便地進行硬件功能測試，能夠?qū)討B(tài)執(zhí)行的指令靜態(tài)化，利用邏輯筆(一種十分有用的測試工具，參見8.4.1節(jié))、三用表能夠很容易地查出各種硬件連線及邏輯故障。利用仿真系統(tǒng)可以很方便地對硬件系統(tǒng)的基本功能進行測試。可以向存儲單元寫入/讀出數(shù)據(jù)來檢驗譯碼器、存儲器功能是否正常；采用循環(huán)向同一地址寫入/讀出數(shù)據(jù)，用邏輯筆檢測寫入/讀出信號；向I/O端口寫入數(shù)據(jù)，通過檢測端

口輸出電平來判斷端口的工作狀態(tài)。通過脫機檢查可解決一些明顯問題，排除一些簡單故障。然而有些硬件故障需要通過聯(lián)機調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)和排除。

聯(lián)機前先斷電，把開發(fā)系統(tǒng)的仿真插頭插到樣機電路板的單片機插座上，檢查一下開發(fā)機與樣機之間的電源、接地是否良好，確認正常后，打開電源。

加電后，開發(fā)機執(zhí)行讀/寫指令，對樣機電路板上的存儲器、I/O端口進行讀/寫操作和邏輯檢查，可用邏輯筆檢測相應(yīng)端的邏輯電平和脈沖信號，或用示波器觀察信號波形(如輸出、讀/寫控制信號、地址線、數(shù)據(jù)線波形以及有關(guān)控制電平等)，判斷其工作狀態(tài)。若有故障，則應(yīng)查明原因及時排除。在這一過程中，要充分利用開發(fā)系統(tǒng)的軟件資源，通過編寫簡單的測試程序，來測試相應(yīng)硬件模塊的功能。例如，希望檢查2000H地址的譯碼信號，可用以下程序：TEST:MOVEDPTR，＃2000H

LOOP:MOVXA，@DPTR

NOP

SJMPLOOP

執(zhí)行以上程序后，就會在譯碼器相應(yīng)輸出端輸出一組譯碼脈沖信號，然后用邏輯筆進行檢測，就可判斷譯碼電路工作是否正常。

在用戶系統(tǒng)的主機部分調(diào)試完成后，可以插上用戶系統(tǒng)的其他外圍部件，如鍵盤、顯示器、輸出驅(qū)動板及A/D、D/A轉(zhuǎn)換板等，再對這些部件進行調(diào)試。7.2.2軟件調(diào)試方法

軟件調(diào)試方法與所選用的軟件和程序結(jié)構(gòu)有關(guān)。如果采用模塊化程序設(shè)計，首先要逐個模塊調(diào)試，然后進行軟件功能調(diào)試；如果采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，一般是逐個任務(wù)進行調(diào)試。對于模塊化程序結(jié)構(gòu)，要一個模塊一個模塊分別調(diào)試。調(diào)試模塊程序時，一定要符合現(xiàn)場環(huán)境，確定好入口條件和出口狀態(tài)。可采用單步運行方式或斷點運行方式，通過檢查用戶系統(tǒng)CPU的狀態(tài)、RAM單元的內(nèi)容和I/O端口的狀態(tài)來判斷程序執(zhí)行結(jié)果是否符合設(shè)計要求。通過檢測，可以發(fā)現(xiàn)程序中存在的邏輯錯誤，同時也可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)中的硬件故障、軟件算法及硬件設(shè)計缺陷等。在調(diào)試過程中不斷完善用戶系統(tǒng)的軟、硬件功能。各程序模塊調(diào)試完成后，可以把各功能模塊聯(lián)合起來進行程序綜合調(diào)試。在這一階段，若發(fā)生故障，則可以考慮各子程序在運行時是否會破壞現(xiàn)場，緩沖單元是否會發(fā)生沖突，置位和清除在設(shè)計上是否會產(chǎn)生失誤，堆棧區(qū)域是否會溢出，輸入設(shè)備的狀態(tài)是否正常等。若用戶系統(tǒng)是在開發(fā)系統(tǒng)的監(jiān)控程序下運行的，則還要考慮用戶緩沖單元和監(jiān)控程序的工作單元是否會發(fā)生沖突等。

單步和斷點運行調(diào)試完成后，要進行連續(xù)運行調(diào)試，因為單步運行只能驗證程序正確與否，而不能體現(xiàn)定時精度、CPU的實時響應(yīng)等問題。全部軟件調(diào)試完成后，應(yīng)反復(fù)運行，除了觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性外，還要觀察應(yīng)用系統(tǒng)的功能是否達到設(shè)計要求，必要時還要作適當(dāng)修正。

實時多任務(wù)操作系統(tǒng)的調(diào)試方法與上述方法相似，只是實時多任務(wù)操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序是由若干個子任務(wù)程序組成的，一般是逐個任務(wù)進行調(diào)試。調(diào)試某一任務(wù)時，同時也可調(diào)試相關(guān)的子程序、中斷服務(wù)程序等。各個任務(wù)調(diào)試完成后，將各個任務(wù)同時運行，如果操作系統(tǒng)沒有錯誤，一般情況下系統(tǒng)就能正常運行了。7.3.1仿真器功能

仿真器功能主要有以下幾點：

(1)一套完整的仿真系統(tǒng)由PC機、仿真器、仿真頭及仿真軟件組成，通過更換仿真頭(POD)可以對各種CPU進行仿真。

(2)仿真軟件一般采用Windows版本，支持匯編語言、C語言、PLM語言等混合編程，目前常用匯編語言和C語言編程，具有項目管理功能。

(3)雙工作模式。7.3單片機仿真系統(tǒng)舉例①軟件模擬仿真(沒有仿真器的情況下也能模擬仿真)；

②硬件仿真。

(4)雙CPU結(jié)構(gòu)，不能占用用戶資源。保證全空間硬件斷點，不受任何條件限制，支持地址、數(shù)據(jù)、外部信號、事件斷點，具有實時斷點計數(shù)、軟件運行時間統(tǒng)計功能。

(5)雙集成環(huán)境。

程序編輯、編譯、下載、調(diào)試全部集中在一個環(huán)境下進行。

(6)具有邏輯分析儀綜合調(diào)試功能。

邏輯分析儀由交互式軟件菜單窗口對系統(tǒng)硬件的邏輯進行同步實時采樣，并實時在線調(diào)試分析。系統(tǒng)在使用邏輯分析儀時，除普通的單步運行、鍵盤斷點運行、全速硬件斷點運行外，還可實現(xiàn)各種條件組合斷點設(shè)置。

由于邏輯分析儀可以直接對程序的執(zhí)行結(jié)果進行分析，因此極大地方便了程序的調(diào)試。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單片機在通信領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。在通信功能的調(diào)試時，查找故障原因比較麻煩，有了邏輯分析儀，處理問題就方便多了。用它可以分別或者同時對發(fā)送方、接收方的輸入、輸出波形進行記錄、存儲、對比、測量等直觀的分析，可以將實際輸出信號波形與源程序相比較，就能及時發(fā)現(xiàn)問題的所在，提高調(diào)試效率。

(7)具有程序跟蹤功能。

跟蹤功能以總線周期為單位，實時記錄仿真過程中CPU發(fā)生的總線事件及觸發(fā)條件。跟蹤窗口在仿真停止時可收集顯示追蹤的CPU指令記憶信息，總線跟蹤可以跟蹤程序的運行軌跡，統(tǒng)計軟件運行時間等。7.3.2仿真器硬件介紹

1.仿真頭

仿真頭是指仿真器與系統(tǒng)板連接的、能夠替代CPU的電路板，圖7.2是偉福E2000型仿真系統(tǒng)的POD8X5X仿真頭示意圖。

選用40腳DIP封裝的轉(zhuǎn)接座、44腳PLCC封裝的轉(zhuǎn)接、2051轉(zhuǎn)接座可以仿真多種型號的單片機。

2.仿真器簡介

用于仿真P0、P2口作