单片机资料Word文档格式.docx
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存储器的扩展指EPROM、EEPROM和RAM的扩展，接口扩展是指8255、8155、8279以及其它功能器件的扩展。
二是各功能模块的设计。
如信号测量功能模块、信号控制功能模块、人机对话功能模块、通诚讯功能模块等，根据系统功能要求配置相应的A/D、D/A、键盘、显示器、打印机等外围设备。
在进行应用系统的硬件设计时，首要问题是确定电路的总体方案，并需进行详细的技术论证。
所谓硬件电路的总体设计，即是为实现该项目全部基本功能所需要的所有硬件的电气连线原理图。
初次接触这方面工作的设计人员，往往急于求在设计总体方案上不愿花更多的时间，过于他促地开始制版和调试。
这种方法不仅不妥当，而且往往是得不偿失效。
因为就硬件系统来讲，电路的各部分都是紧密相关、互相协调的，任何一部分电路的考虑不充分，都会给其它部分带来难以预料的影响，轻则使系统整体结构受破坏，重则导致硬件总体大返工，由此造成的手果是可想而知的。
所以，我们希望设计者不要吝啬在总体方案上所花时间。
从时间上看，硬件设计的绝大部分工作量往往在最初方案的设计阶段，一个好的设计方案往往会有事半功倍的效果。
一旦总体方案确定下来，下一步的工作就会很顺利进行，即使需要作部分修改，也只是在此基础上进行一些完善工作，而不会造成整体返工。
在进行硬件的总体方案设计时，所涉及到的具体电路可借鉴他人在这方面进行的工作。
因为经过别人调试和考验过的电路往往具有一定的合理性（尽管这些电路常与教科书和手册上提供的电路不完全一致，但这也可能正是经验所在）。
如果在此基础上，结合自己的设计目的进行一些修改，则是一种简便、快捷的做法。
当然，有些电路还需要自己设计，完全照搬是不太可能的。
在参考别人的电路时，需对其工作原理有较透彻的分析和理解，根据其工作机理了解其适用范围，从而确定其移植的可能性和需要修改的地方；
对于有些关键性和尚不完全理解的电路，需要仔细分析，在设计之前先进行试验，以确定这部分电路的正确性，并在可靠性和精度等方面进行考验，尤其是模拟电路部分，更需进行这方面的工作。
为使硬件设计尽可能合理，根据经验，系统的电路设计应注意以下几个方面：
1、尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成功率和结构的灵活性；
2、在条件允许的情况下，尽可能选用功能强、集成度高的电路或芯片。
因为采用这种器件可能代替某一部分电路，不仅元件数量、接插件和相互连线减少，使系统可靠性增加，而且成本往往比用多个元件实现的电路要低。
3、注意选择通用性强、市场货源充足的元器件，尤其对需大批量生产的场合，更应注意这方面的问题。
其优点是：
一旦某种元器件无法获得，也能用其它元器件直接替换或对电路稍作改动后用其它器件代替。
4、在对硬件系统总体结构考虑时，同样要注意通用性的问题。
对于一个较复杂的系统，设计者往往希望将其模块化，即对中曲控制单元、输入接口、输出接口、人机接口等分块进行设计，然后采用一定的边接方式将其组合成一个完整的系统。
在这种情况下，连接方式就显得非常重要，有时可选用通用接口方式，如采用STD总线结构、PC总线结构、GPIB总线结构等。
因为对于这些总线结构的边接目前应用比较广泛，不少厂家已开发出适合于这些总线结构的接口板，如输入板、输出板、A/D板等。
在必要的情况下，选用现成的模块板作为系统的一部分，尽管成本有些偏高，但会大大缩短研制周期，提高工作效率。
当然，在有些特殊情况和小系统的场合，用户必须自行设计接口，定义连线方式。
此时要注意接口协议，一旦接口方式确定下来，各个模块的设计者应遵守该接口方式。
5、系统的扩展及各功能模块的设计在满足应用系统功能要求的基础上，应适当留有余地，以备将来修改、扩展之需。
实际上，电路设计一次成功而不作任何修改的情况是很少的，如果在设计之初未留有任何余地，后期很可能因为一点小小的改动或扩展而被迫进行全面返工。
举例来说，在进行ROM扩展时，尽量选用2764以上的芯片，这样不仅将来升级方便，成本也会降低；
在进行RAM扩展时，为使系统升级或增加内存方便，系统的RAM空间应留足位置，哪怕多设计一个RAM插座，不插芯片好；
在进行IO口扩展时，也应给出一定的余量，这样对临时增加一些测量通道或被控对象就极为方便了。
辑外在电路板设计时，可适当安排一些机动布线区，在此区域中安排若干集成芯片插座和金属化孔，但不布线，这样的样机研制过程中，若发现硬件电路有不足之处，需增加元器件时，可在机动布线区临时连线来完成，从而避免整个系统返工。
在进行模拟信号处理电路设计时，尤其要注意这一点。
因为在设计这类电路时，经常会增加一些电容、电阻等元器件。
当然，一旦试验完成，制作正式电路板时，可以去掉机动布线区。
6、设计时应尽可能地作些调研，采用最新的技术。
因为电子技术发展迅速，器件更新换代很快，市场上不断推出性能更优、功能更强的芯片，只有时刻注意这方面的发展动态，采用新技术、新工艺，才能使产品具有最先进的性能，不落后于时代发展的潮流。
7、在电路设计时，要充分考虑应用系统各部分的驱动能力。
一些经验欠缺者往往忽视电路的驱动能力及时序问题，认为原理上通就行了，其实不然。
因为不同的电路有不同的驱动能力，对后级系统的输入阻抗要求也不一样。
如果阻抗匹配不当，系统驱动能力不够，将导致系统工作不可靠甚至无法工作。
值得注意的是，这种不可靠很难通过一般的测试手段来确定而排除这种故障往往需要对系统作较大的调整。
因此，在电路设计时，要注意增加系统的驱动能力或减少系统的功耗。
8、工艺设计，包括机箱、面板、配线、接插件等，这也是一个初次进行系统设计人员容易疏忽但又十分重要的问题。
在设计时要充分考虑到安装、调试、维修的方便。
由于应用系统种类繁多，程序编制者风格不一，因此应用软件因系统而异，因人而异。
尽管如此，作为优秀的系统软件还是有其共同特点及其规律的。
设计人员在进行程序设计时应从以下几个方面加以考虑：
1、根据软件功能要求，将系统软件分成若干个相对独立的部分。
根据它们之间的联系和时间上的关系，设计出合理的软件总体结构，使其清晰、简捷、流程合理。
2、培养结构化程序设计风格，各功能程序实行模块化、子程序化。
既便于调试、连接，又便于移植、修改。
3、建立正确的数学模型。
即根据功能要求，描述出各个输入和输出变量之间的数学关系，它是关系到系统性能好坏的重要因素。
4、为提高软件设计的总体效率，以简明、直观的方法对任务进行描述，在编写应用软件之前，应绘制出程序流程图。
这不仅是程序设计的一个重要组成部分，而且是决定成败的关键部分。
从某种意义上讲，多花一份时间来设计程序流程图，就可以节约几倍源程序编辑调试时间。
5、要合理分配系统资源，包括ROM、RAM、定时器/计数器、中断源等。
其中最关键的是片内RAM分配。
对8031来讲，片内RAM指00H～7FH单元，这128个字节的功能不完全相同，分配时应充分发挥其特长，做到物尽其用。
例如在工作寄存器的8个单元中，R0和R1具有指针功能，是编程的重要角色，避免作为它用；
20H～2FH这16个字节具有位寻址功能，用来存放各种标志位、逻辑变量、状态变量等；
设置堆栈区时应事先估算出子程序和中断嵌套的级数及程序中栈操作指令使用情况，其大小应留有余量。
若系统中扩展了RAM存储器，应把使用频率最高的数据缓冲器安排在片内RAM中，以提高处理速度。
当RAM资源规划好后，应列出一张RAM资源详细分配表，以备编程查用方便。
6、注意在程序的有关位置处写上功能注释，提高程序的可读性。
7、加强软件抗干扰设计，它是提高计算机应用系统可靠性的有力措施。
通过编辑软件编辑出的源程序，必须用编译程序汇编后生成目标代码。
如果源程序有语法错误则返回编辑过程，修改源文件后再继续编译，直到无语法错误为止。
这之后就是利用目标码进行程序调试了，在运行中发现设计上的错误再重新修改源程序，如此反复直到成功。
第二节单片机应用系统的开发
一个单片机应用系统经过预研、总体设计、硬件设计、软件设计、制板、元器件安装后，在系统的程序存储器中放入编制好的应用程序，系统即可运行。
但一次性成功几乎是不可能的，多少会出现一些硬件、软件上的错误，这就需要通过调试来发现错误并加以改正。
由于单片机在执行程序时人工是无法控制的，为了能调试程序，检查硬件、软件运行状态，就必须借助某种开发工具模拟用户实际的单片机，并且能随时观察运行的中间过程而不改变运行中有的数据性能和结果，从而进行模仿现场的真实调试。
完成这一在线仿真工作的开发工具就是单片机在线仿真器。
一、仿真系统的功能
单片机在线仿真器必须具有以下基本功能：
1、能输入和修改用户的应用程序；
2、能对用户系统硬件电路进行检查与诊断；
3、能将用户源程序编译成目标码并固化到EPROM中去；
4、能以单步、断点、连续方式运行用户程序，正确反映用户程序执行的中间结果。
对于一个完善的在线仿真系统，为了方便用户调试，提高产品的开发效率，还应具备以下特点：
1、不占用用户单片机的任何资源，包括8031内部RAM、特殊功能寄存器，I/O口、串行口、中断源等；
2、提供给用户足够的仿真RAM空间作为用户的程序存储器（最好是从零地址开始），并提供用户有足够的RAM空间作为用户的数据存储器作用；
3、可以单步、断点、全速断点、连续方式运行仿真RM或样机EPROM内的用户程序（包括中断控制指令和中断服务程序）；
4、有较齐全的软件开发工具。
如配备有交驻汇编软件，将用户用汇编语言编制的应用程序生成可执行的目标文件；
具有丰富的子程序库，汇编时连同用户设计的程序一起编译成目标程序，装入仿真RAM供调和固化；
具有高级语言编译系统，用户可用BASIC语言或C51语言进行编程；
具有反汇编功能，对目标程序反汇编的结果可以打印或入磁盘等。
二、开发手段的选择
目前国内用于单片机的开发系统很多，大致可分为以下四种：
（一）、通用型单片机开发系统
这是目前国内使用最多的一类开发装置。
如上海复旦大学的SICE-Ⅱ、SICE-Ⅵ，中国科技大学的WJ-51-5、WJ-51-Ⅷ。
它采用国际上流行的独立型仿真结构，与任何具有RS-232C串行接口的终端或计算机（PC/XT、286、386、APPLEⅡ等）相连，即可构成单片机开发系统。
系统中配备有EPROM读出/与入器、仿真插头和其它外设，其基本配置如图3.1所示。
图3.1
在图3-1中，EPROM读出/写入器用来将用户的应用程序固化到EPROM中，或将EPROM中的程序读到仿真RAM中。
在调试用户系统时，仿真插头必须插入用户系统空出的CPU插座中。
当仿真器通过串行口与计算机联机后，用户可利用组合软件，先在计算机上编辑、修改源程序，然后通过MCS-51交叉汇编软件将其汇编成目标码，传送到仿真器的仿真RAM中。
这时用户可用单步、断点、跟踪、全速等方式运行用户程序，系统状态实时地显示在屏幕上。
该类仿真器采用模块化结构，配备有不同外设，如外存板、打印机、键盘/显示板可在现场完成仿真调试工作。
调试完毕的用户程序通过EPROM读出/固化器固化后，将芯片插入用户系统的程序存储器插座中，即可脱机（脱离仿真器）运行。
（二）、实用型开发系统
这类装置的特点是：
其硬件按照典型应用系统配置，并配有监控程序，具有自开发能力。
如航天部502所的STD工业控制机就是此类产品，系统结构如图3.2所示。
图3.2
这类装置采用模块化结构，用户可根据需要选择适当的功能模块板（如A/D板、D/A板、I/O板、键盘/显示板等）组合成自己的应用系统。
当它通过主板上的RS-232口和计算机连机后，如同通用型开发系统一样，可对用户程序进行编辑、修改、调试。
调试好的应用程序固化到EPROM中，拔去主板上装有监控程序的EPROM芯片，换上用户的EPROM，应用系统即研制完成。
为降低成本和使用方便，国内也常见单板机形式的实用型开发系统。
如武汉大学研制的SCB-1型单片单板机，结构上采用键盘/显示内含技术，整机一体化，如图3.3所示。
图3.3
该机设置有A/D、D/A通道及并行I/O口，可直接驱动打印机、开关、继电器等，用户利用它可方便地构成一个数据采集或控制系统。
该机的全双工串行口，提供了方便的多机通信能力，易于建网及群控。
SCB-1型单片单板机具有较强的自开发能力，带掉电保护的16KRAM可供用户调试。
值得一提的是，在完成调试工作后，将地址切换开关拔向另一端，此时仿真RAM的地址范围成为0000H～1FFFH，即用户程序已完全取代了SCB-1系统监控程序的地址，在系统复位后将自动转入执行用户开发的应用程序。
这一点是SCB-1型单片单板机的独特之处。
采用上述手段进行开发的优点是：
由于减少了系统研制时的硬件工作量，因而研制周期短、开发效率高，并且具有二次开发能力。
缺点是：
当不能获得最佳配置时，软硬件资源浪费较，应用场合也有一定的局限性。
（三）、通用机开发系统
这是一种在通用计算机（如PC机、286、386、APPLEⅡ等）中加开发模板的开发系统，如图3.4所示。
图3.4
开发模板既可插在计算机的扩展槽中，也可以总线联接方式放在外部。
开发模板的硬件结构包含有计算机不可替代的部分，如EPROM写入、仿真头及CPU仿真所必须的单片机系统等。
这类开发系统的优点是可以充分利用计算机系统的软、硬件资源，开发效率较高。
目前国内已有一些厂家推出了用于IBM-PC、APPLEⅡ的开发模板，用户只要购置一块开发模板及相应的软件包，即可利用计算机进行单片机应用系统的开发工作。
如北京康华科技发展公司和哈尔滨工业大学共同推出的KHK-ICE-51单片机仿真开发系统即是此类型发装置。
（四）、模拟开发系统
这是一种完全依靠软件手段进行开发的系统，该系统由计算机加模拟开发软件构成。
如CyberneticMicrosystemInc推出的SIM8051，就是在IBM-PC微机上运行的MCS-51单片机模拟/调试软件。
模拟开发系统的工作原理是利用模拟开发软件在计算机上实现对单片机的硬件模拟、指令模拟，从而完成应用软件开发全过程，其间不需要任何在线仿真器和目标机。
SIM8051软件的模拟调试功能很强，基本上包括了在线仿真器的单步、跟踪、检查和修改功能，并且还能模拟产生各种中断和I/O应答过程。
因此，用户只要配备了模拟/调试软件，就可使IBM-PC微机成为一台通用的模拟开发系统。
模拟开发系统效率高，成本低，不足之处是不能进行硬件系统的诊断与实时仿真。
三、应用系统的开发过程
一般来说，随着用途的不同，应用系统的硬件和软件结构也不相同，但研制、开发的方法和步骤基本上是相同的。
综合前面所讲的内容，可以看出应用系统的开发过程主要有下面几个步骤：
1、预研；
2、总体设计；
3、系统硬件设计；
4、系统软件设计；
5、仿真调试（包括硬件调试和软件调试）；
6、固化应用程序，脱机运行。
第三节SICE-Ⅳ型单片机仿真器
一、SICE-IV仿真器系统结构
SICE-Ⅳ采用模块式结构，整个系统由SICE-Ⅳ主模块板、EM-48板、EM-96板、EM-51板、EPROM固化/读出板、外存板及终端或主计算机所组成。
用户可以根据所需开发的目标系统的机种条件，选用适宜的模块或设备以组成最佳的单片机开发系统。
SICE-Ⅳ系统框图如图3.5所示。
图3.5
一、主模块板
SICE-Ⅳ主模块板是单CPU方式的8031/8032/8344单片机仿真器。
SICE-ⅣCPU若采用8032则能开发8031/8032的用户系统；
若采用8344则能开发8344的用户系统。
因此在开发不同机种的单片机产品时，SICE-Ⅳ中的CPU应作相应调整。
SICE-Ⅳ内部具有32KEPROM作监控程序存储器，它分成若干块，离散地分布在0～FFFFH的空间内。
内部的0～7FFFH的32K仿真RAM仅作为用户的目标程序存储器；
8000～DFFFHRAM是多用途存储器，可以用作源程序存储器，也可以出借给用户作为目标程序存储器，还可以出借给用户作为数据存储器。
E000～FFFFH为系统工作区。
SICE-Ⅳ内部的这些RAM存储器都具有掉电保护功能。
二、仿真接口
SICE-Ⅳ有一个40芯的仿真接口（CN1），用来实现对各种用户系统的调试。
（1）若用户系统的CPU选用的是8031/8032/8344，那么只需将用户的CPU空出，插上40芯的仿真插头和SICE-Ⅳ仿真接口相连，就可以实现在线仿真调试；
（2）在SICE-主模块板的仿真接口上外接EM-48仿真板，再和8748（或8749/8039/8035）等MCS-48单片机应用系统相连，就可以在线开发这些单片机的产品。
（3）在SICE-Ⅳ主模块板仿真接口上外接IM-96BH仿真板，就可以开发MCS-96系列单片机应用系统。
（4）在SICE-Ⅳ主模块板仿真接口上外接EM-51仿真板，就可以开发8751/8752/8744单片机应用系统。
三、外部设备
SICE-Ⅳ有一个40芯的通用输入/输出接口（CN2），可用来连接各种外部设备（EPROM固化器、打印机等），以满足不同用户的需要。
1、EPROM固化/读出器
该装置用以将SICE-Ⅳ仿真RAM中的用户系统目标程序固化到EPROM芯片中去。
根据固化速度不同，分为慢速EPROM固化/读出器和快速EPROM固化/读出器两种。
（1）慢速EPROM固化/读出器
这是一个通用的EPROM固化/读出器，可将SICE-Ⅳ连上此固化/读出器后，在操作命令控制下对EPROM进行固化，一旦出错，则停止固化并在屏幕上显示出错信息。
SICE-Ⅳ还可以将该板上EPROM内的程序读到仿真RAM内，以便复制或通过反汇编分析EPROM内的程序。
（2）快速EPROM固化/读出器
对于2764、27128、27256等大容量EPROM芯片，若用慢速EPROM固化/读出器进行固化，则需要八分钟～几十分钟时间（一个字节约50ms），若采用快速EPROM固化/读出器，速度可以提高十倍以上。
在固化过程中将自动检测固化的正确性，若出错则显示出错信息。
除速度外，其它功能和慢速EPROM固化/读出器相同。
2、外存板
用来存储用户的源程序或仿真RAM内的目标程序，对于无主机或无磁盘驱动器的用户，可将外存板作为存储器使用。
按其特点，外存板分为两种：
（1）EEPROM外存板
它的容量为32K由4片8K的58064EEPROM所组成。
扩展板插入SICE的I/O扩展口后，电源指示灯亮。
开关拨向“读”位置，“允许写入”灯灭，这时只允许读不允许写。
拔向“写”位置时，“允许写入”灯亮，这时读/写都可以。
将程序存入EEPROM外存板比存入磁盘可靠，而且用EEPROM外存板，可以将所编辑的程序在PC机/APPLEⅡ/终端三者之间调出来或装进去。
（2）快速外存板
由8片8K的6264RAM和一节3伏锂电池组成，可存储应用系统的源程序。
存储形式与系统机的磁盘存储形式相似，以文件形式最多可存储10个文件目录，并可列表显示文件的占有空间及文件名。
它除了具有EEPROM外存板的优点外，还具有价格低、存储速度快（高于EEPROM存储速度）、使用寿命长等特点，是用户比较理想的外存储器。
3、8748/87498751固化/读出器
该固化/读出器对于开发内部含有EPROM单片机应用系统是必须的。
它能将仿真RAM内的MCS-48或MCS-51目标程序固化到8748、8749或8751单片机内部的EPROM中，也可以将8748、8749、8048、8049或8751等单片机内部EPROM内的程序读至仿真RAM内，以便复制或分析。
该板上有一个8×
8双列直插开关，用来选择对8748/8749操作还是对8751操作。
在固化过程中，自动检测固化的正确性，一旦出错则停止固化并显示出错信息。
4、打印机
凡具有Centronics通讯标准的打印机，都可以直接和SICE-Ⅳ（通过打印电缆）相连，作为仿真系统的硬拷贝输出设备，打印汇编语言源程序或调试过程中的错误信息等。
四、SICE-Ⅳ的串行口
SICE-Ⅳ具有二个RS-232C串行接口，其中2#RS232由8031的串行口引出，1#RS232由异步串行讯接口芯片8250的串行口引出。
在一般情况下，用户可把终端。
计算机和1#串行口、2#串行口中的任意一个相连，SICE-Ⅳ内的监控程序将自动检测用户的终端或计算机连接到哪一个串行口上，并自动检则终端或主机的串行通讯波特率，进而设置SICE-Ⅳ串行口的波特率和其一致。
但如果出现下述二种情况，选择1#RS232和2#RS232还是有区别的。
1）用户样机MCS-51串行口未接任何外部设备（如计算机），而用户又需调试MCS-51串行通讯程序。
这时可将主机或终端连到2#RS232串行口，使用户系统和SICE-Ⅳ监控分时使用8031的串行口，相当于用户系统借用了连在SICE-Ⅳ上的计算机或终端，用户通讯程序的输出信息直接在计算机或终端的屏幕上显示出来，同时计算机或终端键盘上输入的命令又可被用户程序所接受。
用这种方法，非常方便用户串行通讯的调试，而不必一定要在用户样机上接好外部设备后才能调试通讯程序。
（2）用户样机8031的P3.0、P3.1作为第一功能I/O口使用或用户样机的MCS-51串行口已外接设备时，为了使用户MCS-51的I/O功能完善，应将主机或终端接到SICE-Ⅳ的1#232串行口上，此时SICE-Ⅳ中8031的串行口所对应的口线P3.0、P3.1由用户样机独用，在单步、断点、连续运行用户程序时，P3.0、P3.
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