單片機(jī)的單CPU仿真器的設(shè)計(jì)

　　摘要：本文基于對(duì)8051單片機(jī)存儲(chǔ)空間結(jié)構(gòu)的深層次分析，提出了一種基于單片機(jī)的單CPU仿真器設(shè)計(jì)方案。該方案實(shí)用廉價(jià)，工程實(shí)踐性強(qiáng)，可用于設(shè)計(jì)新的教學(xué)設(shè)備。

引言

　　單片機(jī)以它的廉價(jià)、體積小、可塑性強(qiáng)、穩(wěn)定性高的特性，有著廣闊的市場(chǎng)前景。 在用單片機(jī)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)，雖然許多廠家設(shè)計(jì)了可編程ISP單片機(jī)，但是從安全與便捷方面考慮，單片機(jī)仿真器仍然是開(kāi)發(fā)人員不可或缺的工具。單片機(jī)仿真器在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段可用來(lái)替代單片機(jī)進(jìn)行軟硬件調(diào)試，從而迅速發(fā)現(xiàn)、糾正程序中的錯(cuò)誤，大大縮短單片機(jī)開(kāi)發(fā)的周期。但實(shí)際中仿真器過(guò)于昂貴，因此，設(shè)計(jì)制作出一款廉價(jià)且實(shí)用的仿真器有著廣泛的市場(chǎng)。

　　傳統(tǒng)的單片機(jī)仿真器硬件系統(tǒng)一般有三種實(shí)現(xiàn)方法。一、采用專(zhuān)用仿真的單片機(jī)。二、采用兩套單片機(jī)，一個(gè)單片機(jī)用于仿真，并完成諸如通訊，中斷等功能；另一個(gè)單片機(jī)則用于目標(biāo)單片機(jī)，這樣其資源不會(huì)被占用。三、用目標(biāo)單片機(jī)作為仿真器，單片機(jī)即仿真器也作目標(biāo)機(jī)的單片機(jī)用，其實(shí)質(zhì)是一種ROM監(jiān)控器。第三種方法會(huì)占用單片機(jī)的部分資源，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)于特定的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，實(shí)用性強(qiáng)，性?xún)r(jià)比高，且易于自行制作。本文開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的仿真器正是基于第三種原理，巧妙實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)空間與程序空間的互換，設(shè)計(jì)出一款實(shí)用廉價(jià)的仿真器，工程實(shí)踐性強(qiáng)。

原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　仿真器工作時(shí)，要把程序從PC機(jī)下載到仿真器的存儲(chǔ)器中。在此先詳細(xì)分析51單片的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和尋址方法，再分析片外存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，最后給出設(shè)計(jì)原理并分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 存儲(chǔ)空間分布

51單片機(jī)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)分析

　　8051單片機(jī)的存儲(chǔ)器在物理結(jié)構(gòu)上分為程序存儲(chǔ)器空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，共有4個(gè)存儲(chǔ)空間：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、片外程序存儲(chǔ)器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。這種程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開(kāi)的結(jié)構(gòu)形式被稱(chēng)為哈佛結(jié)構(gòu)。但從用戶(hù)的角度，8051存儲(chǔ)器地址空間可分為3類(lèi)：片內(nèi)、片外統(tǒng)一編址0000H~FFFFH的64KB程序存儲(chǔ)器地址空間(用16位地址)；64KB片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間，地址也從0000H~FFFFH(用16位地址)編址；256B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間(用8位地址)。

　　上述4個(gè)存儲(chǔ)空間地址是重疊的，如圖1所示。8051的指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)了不同的數(shù)據(jù)傳送指令以區(qū)別這4個(gè)不同的邏輯空間：CPU訪問(wèn)片內(nèi)、片外ROM指令用MOVC，訪問(wèn)片外RAM指令用MOVX，訪問(wèn)片內(nèi)RAM指令用MOV。

　　程序存儲(chǔ)器用于存放編好的程序和表格常數(shù)。程序通過(guò)16位程序計(jì)數(shù)器尋址，尋址能力為64KB。這使得指令能在64KB的地址空間內(nèi)任意跳轉(zhuǎn)，但不能使程序從程序存儲(chǔ)器空間轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。

　　實(shí)際上，當(dāng)引腳EA接高電平時(shí)，8051的程序計(jì)數(shù)器PC執(zhí)行片內(nèi)ROM中的程序，當(dāng)指令地址超過(guò)片內(nèi)ROM地址時(shí)，就自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外ROM中去取指令。當(dāng)引腳EA接低電平(接地)時(shí)，8051片內(nèi)ROM不起作用，CPU只能從片外ROM中取指令，地址可以從0000H開(kāi)始編址。8051從片內(nèi)程序存儲(chǔ)器和片外程序存儲(chǔ)器取指時(shí)的執(zhí)行速度相同。

存儲(chǔ)器外擴(kuò) 

　　用P0口作地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線，用P2口的口線作高位地址線，最多可以擴(kuò)展64KB的存儲(chǔ)器?？刂菩盘?hào)線包括：使用ALE作為地址鎖存的選通信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)低8位地址的鎖存；以PSEN信號(hào)作為擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)；以EA信號(hào)作為內(nèi)、外程序存儲(chǔ)器的選擇信號(hào)；以EA和作為擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O端口的讀、寫(xiě)選通信號(hào)。執(zhí)行MOVX指令時(shí)，RD和WR信號(hào)分別自動(dòng)有效。片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM的讀和寫(xiě)由8051的RD(P3.7)和WR(P3.6)信號(hào)控制，而片外程序存儲(chǔ)器的輸出允許(OE)由讀選通PSEN信號(hào)控制。盡管片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外程序存儲(chǔ)器共處同一地址空間，但由于控制信號(hào)及使用的數(shù)據(jù)傳送指令不同，故不會(huì)發(fā)生總線沖突。

圖2 仿真器原理圖

仿真器原理與結(jié)構(gòu)

　　由于現(xiàn)在以8051為內(nèi)核的單片機(jī)幾乎都帶有內(nèi)部的FLASH程序存儲(chǔ)器。如本設(shè)計(jì)中要用到的AT89C51或AT89S51均自帶4KB的FLASH程序存儲(chǔ)器，有的單片機(jī)帶有20KB甚至更大容量的程序存儲(chǔ)器。因此在單片機(jī)開(kāi)發(fā)中，很少用專(zhuān)門(mén)的程序存儲(chǔ)器芯片來(lái)擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器，通常也沒(méi)有必要?；谝陨线@些因素，下面分析本文中的仿真器實(shí)現(xiàn)的原理。

　　下載程序時(shí)，EA接高電平，單片機(jī)執(zhí)行內(nèi)部ROM中的程序，把PC機(jī)的程序數(shù)據(jù)下載到片外的RAM62256中；當(dāng)程序數(shù)據(jù)下載完后，在保持RAM62256不掉電的情況下，將單片機(jī)的EA接低電平，并把單片機(jī)復(fù)位。這樣單片機(jī)就只能從片外存儲(chǔ)器中讀數(shù)據(jù)。然后利用RD與PSEN相“與”來(lái)選通RAM62256的讀允許片選端OE，使得單片機(jī)能夠從RAM62256中讀出程序。這樣就實(shí)現(xiàn)了仿真功能。因?yàn)閱纹瑱C(jī)從片內(nèi)程序存儲(chǔ)器和片外程序存儲(chǔ)器取指時(shí)的執(zhí)行速度相同，所以這個(gè)設(shè)計(jì)方案下的仿真器性能比起傳統(tǒng)仿真器毫不遜色。

　　總系統(tǒng)電路原理如圖2所示，系統(tǒng)由單片機(jī)AT89C51、地址鎖存器74LS373、片外存儲(chǔ)器62256、接口電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232和相關(guān)控制電路組成。

　　其中AT89C51就是仿真器的核心部件，晶體振蕩電路和復(fù)位電路與普通單片機(jī)系統(tǒng)相同。不同的是：EA接一個(gè)單刀雙投開(kāi)關(guān)，表面上沒(méi)有擴(kuò)展ROM。RAM62256的與OE普通單片機(jī)系統(tǒng)的接法有所不同，系統(tǒng)中把RD與PSEN相“與”，令其選通RAM62256的讀允許片選端OE，就能促成RAM(注意：整個(gè)過(guò)程中RAM不掉電)由數(shù)據(jù)空間的角色向程序空間的角色轉(zhuǎn)換。在執(zhí)行MOVX指令時(shí)，產(chǎn)生RD，WR信號(hào)，寫(xiě)入程序信息。在執(zhí)行RAM中的程序時(shí)，由PSEN信號(hào)與RD信號(hào)選通RAM62256的OE端，實(shí)現(xiàn)從RAM62256中程序的讀入。

軟件設(shè)計(jì)

　　PC機(jī)(上位機(jī))軟件可以參考Windows驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)、串口調(diào)試助手等相關(guān)書(shū)籍；也可以利用現(xiàn)成的KEIL C51的Windows集成開(kāi)發(fā)環(huán)境~VISION51和軟件仿真器DSCOPE51完成。

　　下位機(jī)軟件的主要任務(wù)就是設(shè)置串口和接收上位機(jī)串口發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入外部“數(shù)據(jù)”存儲(chǔ)器中。

單片機(jī)主程序如下：
MOV  SCON,#50H  ;串口方式 1
MOV  TMOD,#20H  ;T1 方式 1
MOV  TL1,#0FDH  ;波特率 9600 的常數(shù)
MOV  TH1,#0FDH
SETB  TR1          ;開(kāi)中斷
SETB   ET1
SETB    ES
SETB    EA
系統(tǒng)“寫(xiě)”時(shí)用如下指令：
MOVX  @DPTR,A
MOVX  @Ri, A

　　在中斷服務(wù)子程序中，為區(qū)別所接收的信號(hào)是聯(lián)絡(luò)信號(hào)還是字節(jié)數(shù)、是數(shù)據(jù)還是校驗(yàn)和，需要設(shè)立不同的標(biāo)志位如下：

 FLAG0  BIT  00H ;接收聯(lián)絡(luò)信號(hào)標(biāo)志位
 FLAG1  BIT  01H ;接收字節(jié)數(shù)標(biāo)志位
 FLAG2  BIT  02H ;接收數(shù)據(jù)標(biāo)志位
 FLAG3  BIT  03H ;接收文件結(jié)束標(biāo)志位    

　　程序流程如圖3所示，其中R7為接收到的字節(jié)數(shù)，接收的數(shù)據(jù)一定要存入片外RAM從0000H開(kāi)始的單元中。當(dāng)單片機(jī)復(fù)位后，把RAM當(dāng)作程序存儲(chǔ)器時(shí)，PC是從0000H開(kāi)始的。

圖3 單片機(jī)接收中斷服務(wù)子程序流程圖

幾點(diǎn)討論

(1) 系統(tǒng)中不需要單獨(dú)的仿真器電源，也不需要晶振電路。
(2) 下位機(jī)的片外存儲(chǔ)器在重復(fù)寫(xiě)數(shù)時(shí)不用擦除，每次重新下載程序時(shí)，總是用覆蓋的方式。新下載的程序都有END為結(jié)束，就算新下載的程序比原來(lái)的短，也不會(huì)執(zhí)行多余的代碼。
(3) 在實(shí)際中，可以進(jìn)一步改進(jìn)電路，當(dāng)文件下載完之后，通過(guò)串口備用的信號(hào)線產(chǎn)生控制信號(hào)來(lái)控制和復(fù)位，從而使得全過(guò)程均由上位機(jī)控制。
(4) 由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的限制，被仿真的產(chǎn)品不能擴(kuò)展片外的程序存儲(chǔ)器，但由于片外可以擴(kuò)展64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，文中只用了32KB，因此還可以擴(kuò)展一定的外設(shè)。
(5) 被仿真產(chǎn)品的E(--)A(--)的接法有一定的限制，不能直接接地或接電源正極，實(shí)際中只要加上一個(gè)合適的限流電阻(如10K?)就可以了。實(shí)際上這種方案可以適用于任何可以外擴(kuò)存儲(chǔ)器的單片機(jī)。

結(jié)束語(yǔ)

　　對(duì)以上的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)功能模塊技術(shù)非常成熟：在硬件方面，各子電路均有現(xiàn)存的電路套用，而且各個(gè)元器件的參數(shù)容易確定；在軟件方面，僅涉及到COM口的串行通信程序及上位機(jī)的界面程序。在實(shí)際的制作過(guò)程中，系統(tǒng)的元器件數(shù)目少且價(jià)格低廉，容易調(diào)試，成功率高，性能穩(wěn)定。