80C51系列單片機(jī)仿真器選購指南(上)
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1.1 仿真的概念
仿真的概念其實(shí)使用非常廣,最終的含義就是使用可控的手段來模仿真實(shí)的情況。
在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,仿真應(yīng)用的范圍主要集中在對程序的仿真上。例如,在單片機(jī)的開發(fā)過程中,程序的設(shè)計(jì)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(yàn)證功能,這種方法對于簡單的小系統(tǒng)是可以對付的,但在大系統(tǒng)中使用這種方法則是完全不可能的。
1.2 仿真的種類
軟件仿真:這種方法主要是使用計(jì)算機(jī)軟件來模擬運(yùn)行實(shí)際的單片機(jī)運(yùn)行,因此仿真與硬件無關(guān)的系統(tǒng)具有一定的優(yōu)點(diǎn)。用戶不需要搭建硬件電路就可以對程序進(jìn)行驗(yàn)證,特別適合于偏重算法的程序。軟件仿真的缺點(diǎn)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(shè)計(jì)。
硬件仿真:使用附加的硬件來替代用戶系統(tǒng)的單片機(jī)并完成單片機(jī)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(yùn)行進(jìn)行控制,例如單步,全速,查看資源,斷點(diǎn)等。硬件仿真是開發(fā)過程中所必須的。
1.3 為什么要使用仿真器?
在與一些有經(jīng)驗(yàn)的工程師交談中,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)一部分工程師在開發(fā)中不使用或很少仿真器。向他們詢問原因,得到的回答是“仿真器不可靠”。但是他們是如何解決程序開發(fā)中遇到的問題呢?通過深入的交流才明他們是照這樣的方法來開發(fā)程序的:
(1) 根據(jù)自己的設(shè)計(jì)建立一個(gè)符合要求的硬件平臺(tái),如果該平臺(tái)涉及的程序比較復(fù)雜,還要搭建一個(gè)人機(jī)交流的通道。人機(jī)交流通道可能是一個(gè)簡單的發(fā)光二極管,蜂鳴器,復(fù)雜的可能是串口通訊口,LCD顯示屏。
(2) 寫一個(gè)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(jī)芯片中,驗(yàn)證硬件平臺(tái)是否工作正常。
(3) 硬件平臺(tái)正常工作后編寫系統(tǒng)最低層的驅(qū)動(dòng)程序,每次程序更改后都重新燒寫單片機(jī)芯片驗(yàn)證。如果在程序驗(yàn)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(jí)終端上,用于了解程序的運(yùn)行情況。
(4) 系統(tǒng)低層驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)的程序不是很龐大或很復(fù)雜。因?yàn)樵谧龊唵蔚捻?xiàng)目時(shí),我們可以通過一個(gè)發(fā)光二極管就可以表達(dá)出內(nèi)部的信息;如果程序復(fù)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(fù)雜,硬件更多,實(shí)時(shí)性更強(qiáng),那工程師就要更多的增強(qiáng)調(diào)試手段,串口可能就不能滿足了,需要類似于斷點(diǎn)的功能,因?yàn)槲蚁胫涝谀骋粋€(gè)時(shí)刻單片機(jī)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(shí)間就很多,這時(shí)用戶就會(huì)想能下載程序并運(yùn)行的裝置。到這里,您會(huì)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(gè)通用的仿真器了。因此我們的建議是:不要回避使用仿真器,因?yàn)槭褂梅抡嫫髂芴岣吣拈_發(fā)速度。
但是不能否認(rèn)的是,用戶回避使用仿真器也是有原因的。因?yàn)榉抡嫫饕彩且环N電子裝置,非常依賴于設(shè)計(jì)者的水平。如果一個(gè)仿真器設(shè)計(jì)者的水平有欠缺,那將給仿真器的使用者帶來很大的問題,因?yàn)榉抡嫫鞯氖褂谜邔⒎植磺宄烤故浅绦虻膯栴}還是出在那里。隨著電子設(shè)備的復(fù)雜化,設(shè)計(jì)工程師面臨前所未有的壓力。您可以想象,用戶發(fā)現(xiàn)了程序中有一個(gè)問題,首先懷疑是自己系統(tǒng)中的問題,可能是軟件方面也可能是硬件方面。因?yàn)橛脩粝到y(tǒng)處于開發(fā)階段,用戶基本上不會(huì)懷疑仿真器。在這種情況下,用戶將耗費(fèi)很大的精力在自己的系統(tǒng)中尋找并不存在的問題。如果用戶最終發(fā)現(xiàn)問題來源于仿真器,并通過燒寫芯片驗(yàn)證確實(shí)如此,那這個(gè)仿真器用戶以后可能會(huì)逐漸放棄使用仿真器。
用戶放棄使用仿真器,對用戶的影響是巨大的。因?yàn)榉艞壥褂靡粋€(gè)設(shè)計(jì)不完善的仿真器,也放棄了 使用其它設(shè)計(jì)完善的仿真器,關(guān)鍵是放棄了合理的開發(fā)方法。因此我們的建議是:不要回避使用仿真器,但要挑選好的仿真器。
1.4仿真器的附加服務(wù)更加重要
在購買仿真器的同時(shí),還要注意仿真器廠家的服務(wù),這一點(diǎn)很關(guān)鍵。這里說的服務(wù)包含仿真器本身的服務(wù),例如仿真器使用上的指導(dǎo)服務(wù),仿真器的維修服務(wù)。這些都是一個(gè)產(chǎn)品的最基本的服務(wù),對于仿真器這種特殊產(chǎn)品來將還不是全部的服務(wù)。
使用仿真器來開發(fā)產(chǎn)品,會(huì)遇到很多問題:產(chǎn)品本身的問題,仿真器的問題,仿真器和用戶系統(tǒng)的問題。如果用戶開發(fā)經(jīng)驗(yàn)不是很豐富,他并不能排除遇到的問題究竟來源于哪個(gè)方面。這時(shí),他可能求助于仿真器生產(chǎn)廠商。如果仿真器的生產(chǎn)廠商只專注于仿真器的設(shè)計(jì),而對于其它的單片機(jī)應(yīng)用不熟悉,他可能對用戶提出的問題不能作出正確的判斷而一味的強(qiáng)調(diào)自己的仿真器沒有問題。與之相反,一個(gè)既熟悉仿真器的使用,又有豐富開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的仿真器支持廠商則能協(xié)助用戶快速的找出問題,實(shí)踐證明這兩種情況帶來的效果是完全不一樣的。因此我們的建議是:挑選好的仿真器,更要挑選好的技術(shù)支持。 {{分頁}}
第二章 仿真器中使用的技術(shù)
仿真器的生產(chǎn)在國內(nèi)有十多年的歷史,其中使用的技術(shù)根據(jù)時(shí)間和性能的不同大約分成以下幾種:
(1) 仿真開發(fā)系統(tǒng)
這種技術(shù)主要在仿真器的初級(jí)階段使用。由于當(dāng)時(shí)沒有好的仿真技術(shù)或仿真芯片,仿真器設(shè)計(jì)成了一個(gè)雙平臺(tái)的系統(tǒng)并根據(jù)用戶的要求在監(jiān)控系統(tǒng)和用戶系統(tǒng)中切換。這種仿真系統(tǒng)性能完全依賴于設(shè)計(jì)者的水平,實(shí)際的最終性能廠家之間相差很大。不過總的說來需要占用一定的用戶資源并且設(shè)計(jì)復(fù)雜,現(xiàn)在基本上已經(jīng)淘汰,只是使用在一些開發(fā)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中。
(2) Bondout 技術(shù)
一般來說,人們常常說的專用仿真芯片其實(shí)就是 Bondout。這種仿真芯片一般也是一種單片機(jī), 但是內(nèi)部具有特殊的配合仿真的時(shí)序。當(dāng)進(jìn)入仿真狀態(tài)后,可以凍結(jié)內(nèi)部的時(shí)序運(yùn)行,可以查看/修改在靜止時(shí)單片機(jī)內(nèi)部的資源。
使用Bondout 制作的仿真器一般具有時(shí)序運(yùn)行準(zhǔn)確(也有例外),設(shè)計(jì)制作成本低等優(yōu)點(diǎn);Bondout芯片一般是由單片機(jī)生產(chǎn)廠家提供的,因此它只能仿真該廠商指定的單片機(jī),仿真的品種很少。
(3) HOOKS 技術(shù)
HOOKS 是PHILIPS擁有的一項(xiàng)仿真技術(shù),主要解決不同品種單片機(jī)的仿真問題。使用該專利技術(shù) 就可以仿真所有具有HOOKS 特性的單片機(jī),即使該單片機(jī)是不同廠家制造的。使用HOOKS 技術(shù)制造的仿真器可以兼容仿真不同廠家的多種單片機(jī),而且仿真的電氣性能非常接近于真實(shí)的單片機(jī)。但是HOOKS 技術(shù)對仿真器的制造廠家的技術(shù)要求特別高,不同的仿真器生產(chǎn)廠家同時(shí)得到HOOKS 技術(shù)的授權(quán),但是設(shè)計(jì)的仿真器的性能差別很大。
10 年前國內(nèi)就已經(jīng)得到了 PHILIPS 的 HOOKS 技術(shù)授權(quán),但是受當(dāng)時(shí)技術(shù)水準(zhǔn)的限制研制的 HOOKS 仿真器還不能實(shí)用。即使到了今天,也不是每個(gè)仿真器廠家都能生產(chǎn)HOOKS 仿真器,即使生 產(chǎn)出來性能也差異很大,用戶應(yīng)仔細(xì)區(qū)別。
(4) 內(nèi)嵌仿真功能的芯片
隨著芯片技術(shù)的發(fā)展,很多單片機(jī)生產(chǎn)廠商在芯片內(nèi)部增加了仿真功能,一般通過JTAG 接口進(jìn)行控制。為了降低成本和增加可靠性,內(nèi)嵌的仿真部分一般功能比較簡單。
根據(jù)當(dāng)前的發(fā)展趨勢,如果只仿真標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51 系列單片機(jī)可以選用Bondout 技術(shù)的仿真器;如果用戶希望仿真器功能更多更靈活的諸如增強(qiáng)型80C51 系列單片機(jī)的話,那么必須選用HOOKS 技術(shù)仿真器。二者比較而言,采用HOOKS 技術(shù)的仿真器性價(jià)比要高于Bondout 技術(shù)。
第三章 國內(nèi)仿真器的現(xiàn)狀
到今天為止國內(nèi)的仿真器發(fā)展大約有20 年的歷史,總的說來生產(chǎn)商的規(guī)模都不是很大,在新產(chǎn)品 的研制/開發(fā)/服務(wù)上都不能投入很大的資金。根據(jù)仿真器使用的技術(shù)來劃分,國內(nèi)仿真器的設(shè)計(jì)大約可以分成以下幾個(gè)時(shí)期:
(1) 70 年代末期-80 年代中期 這個(gè)時(shí)期采用的技術(shù)主要是仿真開發(fā)系統(tǒng),現(xiàn)在看來技術(shù)含量不高,用戶要求也不高。
(2) 80 年代末期-90 年代末期 這個(gè)時(shí)期主要使用華邦一顆帶有仿真功能的芯片制作,采用的技術(shù)應(yīng)該叫做Bondout。采用這顆芯片能大大簡化仿真器的設(shè)計(jì),因此國內(nèi)仿真器的水準(zhǔn)有了大的提高,基本上可以不占用用戶資源。
正是由于仿真性能的提高,國內(nèi)的仿真器制作在將近 10 年的時(shí)間內(nèi)沒有進(jìn)步,一直采用這種制作模式。雖然個(gè)別廠商也嘗試過別的技術(shù)來提高仿真水準(zhǔn),例如HOOKS 技術(shù),但是由于本身技術(shù)的限制沒有成功。相反國外的仿真器較早地使用了HOOKS 技術(shù),在初期由于HOOKS 技術(shù)本身的復(fù)雜性,仿 真性能和價(jià)格不如國內(nèi)采用Bondout 的仿真器。
隨著IC 技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)制作HOOKS 技術(shù)的條件已經(jīng)成熟,但是國內(nèi)的幾家主要的生產(chǎn)廠商還 陶醉于Bondout 技術(shù)之中。
(3) 2000 年開始
2000 年是中國仿真器市場變化最大的時(shí)期,其中最引人注目的變化是華邦仿真芯片W78958 的停產(chǎn)。
華邦公司在設(shè)計(jì)W78958 芯片時(shí),其內(nèi)部的仿真功能只是為了仿真器廠商能制作仿真器以便更好的推廣W78958。但是經(jīng)過幾年的變化,W78958 演變成為一顆仿真器上使用的仿真專用芯片而不是用戶使用的標(biāo)準(zhǔn)芯片,使用的范圍也僅限于國內(nèi),一年不到20000 只的用量也促使華邦公司在進(jìn)入2002年后宣布將停產(chǎn)該芯片。
W78958 停產(chǎn)以后,國內(nèi)仿真器廠商處于一個(gè)非常尷尬的局面。由于W78958 在國內(nèi)使用了將近10 年,國內(nèi)的用戶群非常龐大,這些用戶將無法得到持續(xù)的支持特別是維修方面。另外,國內(nèi)圍繞在W78958 上所做的技術(shù)工作也無法得到延續(xù)和提高,很多業(yè)界人士認(rèn)為仿真器行業(yè)將面臨另起爐灶或重新洗牌的局面。
HOOKS 技術(shù)無疑是仿真器廠商在失去W78958 后的替代品,但是由于沒有長期跟蹤和關(guān)注,短期內(nèi)多數(shù)廠家無法將復(fù)雜的HOOKS 技術(shù)應(yīng)用于成熟的產(chǎn)品中。專家們認(rèn)為仿真器廠家的整體轉(zhuǎn)型可能需要2-3 年的周期,并且有相當(dāng)?shù)姆抡嫫鲝S家將會(huì)被淘汰,市場擁有量將主要集中在少數(shù)幾個(gè)仿真器廠家。
周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司是PHILIPS 在國內(nèi)最大的代理商,它以獨(dú)特的技術(shù)銷售引起國內(nèi)乃至全球的注目。周立功公司成立時(shí)間不到5 年,但是膨脹很快,現(xiàn)在已然成為國內(nèi)單片機(jī)行業(yè)的龍頭,一言一行對整個(gè)行業(yè)影響很大。
2001 年12 月,周立功公司試探性地推出第一款仿真器TKS-764,用于支持周立功公司當(dāng)時(shí)的 主打芯片51LPC 系列OTP 單片機(jī)。由于TKS-764 內(nèi)部穩(wěn)定可靠的設(shè)計(jì),并直接直接在Keil 中的調(diào)試,所以推出后得到51LPC 用戶的青睞,擁有相當(dāng)大的用戶群。 {{分頁}}
2002 年6 月,周立功旗下的廣州致遠(yuǎn)電子有限公司在國內(nèi)率先推出研制達(dá)兩年之久的HOOKS 仿真器,全面支持PHILIPS 和其它公司的增強(qiáng)型80C51 系列單片機(jī)的仿真問題。該系列仿真器徹底解決了國內(nèi)仿真器在仿真低電壓、內(nèi)部64K 程序、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)關(guān)閉ALE、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)切換6/12 Clock、4 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)、串口從地址自動(dòng)識(shí)別和幀錯(cuò)誤檢測以及P8xC51 獨(dú)具定時(shí)器2 等增強(qiáng)性能的難題, 短期內(nèi)使仿真器的用戶群迅速擴(kuò)大,并在業(yè)界得到良好的口碑。
TKS 系列HOOKS 技術(shù)仿真器推出后,在仿真器行業(yè)引起了不小的震動(dòng)。因?yàn)橹芰⒐驹诠娗暗男蜗笠灰恢笔且粋€(gè)優(yōu)秀的芯片代理商,在掌握了先進(jìn)的仿真器技術(shù)后將改變整個(gè)行業(yè)的格局。國內(nèi)的仿真器生產(chǎn)廠商在華邦的仿真芯片停產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)自己處于一個(gè)尷尬的境地,現(xiàn)有的仿真器不能繼續(xù)生產(chǎn)了。而轉(zhuǎn)向HOOKS 技術(shù)還需要一段研發(fā)的過程,即使有些廠家匆匆推出了HOOKS 技術(shù)仿真器卻明顯比周立功公司的HOOKS 技術(shù)仿真器在性能上有明顯的差距,仿真器行業(yè)可能會(huì)重新洗牌。
第五章 如何挑選通用仿真器
仿真器是一種很特殊的電子工具,仿真器的性能跟設(shè)計(jì)者的水平密切相關(guān)。同樣使用一種仿真器技術(shù),但是最終產(chǎn)品的性能差別很大。根據(jù)用戶的不同用途,可以照如下標(biāo)準(zhǔn)挑選仿真器:
如果主要用途是商業(yè)產(chǎn)品開發(fā),使用專用仿真器比較理想因?yàn)閷S梅抡嫫髦皇欠抡婺骋环N或一類芯片,可以做得性能比較高,性能也比較穩(wěn)定,不用兼顧其它芯片的特殊要求。專用仿真器可能價(jià)格高一點(diǎn),但是對商業(yè)開發(fā)來講良好的性能是第一位的。
盡量采用技術(shù)含量高的仿真技術(shù)
例如,HOOKS 技術(shù)由于其良好的兼容性以及接近實(shí)際芯片的性能,應(yīng)該成為通用和專用仿真器
首選。
慎重選擇仿真芯片裝在外置仿真頭上的結(jié)構(gòu)
有些仿真器的仿真芯片放置在外置仿真頭的上方,這種方式的優(yōu)點(diǎn)是可以通過更換仿真頭來更換仿真器的仿真性能,通用性比較強(qiáng),可以仿真不同類型的單片機(jī)。一些宣傳中說仿真芯片貼近用戶板,性能是最可靠的,但實(shí)際不是這樣的。仿真芯片除了輸出用戶信號(hào)外,還要通過復(fù)雜的總線由監(jiān)控電路控制,這種控制時(shí)序是最重要的。由于控制時(shí)序頻率比較高,因此不應(yīng)該通過較長的仿真電纜輸出到外部仿真頭上,這很容易受到外部的干擾或干擾外部。一旦控制時(shí)序出現(xiàn)問題,仿真芯片離用戶板再近也沒有用途。
注意仿真器的一些細(xì)節(jié)問題。例如:
(1) 否支持外部復(fù)位信號(hào)?
(2) 是否支持用戶板晶振?
(3) 能否在真正仿真內(nèi)部64K 程序 (P0/P2 口仍做I/O 口)?
(4) P0/P2 口是否可以同時(shí)用作I/O 口和總線?
(5) 仿真器的輸出/輸入口是否有可靠的保護(hù)?
(6) 是否支持低電壓的仿真?
(7) 是否支持增強(qiáng)型80C51性能?例如內(nèi)部的附加XRAM,雙DPTR,ALE 關(guān)閉,6CLK 時(shí)鐘等。
(8) 是否支持靜態(tài)關(guān)閉和動(dòng)態(tài)關(guān)閉ALE?
(9) 是否靜態(tài)切換和動(dòng)態(tài)切換6/12 Clock?
(10)是否支持更高的仿真頻率?
仿真器廠家后續(xù)的技術(shù)支持
由于仿真器在應(yīng)用中的特殊性,用戶在選購時(shí)盡量選擇有強(qiáng)大技術(shù)支持的生產(chǎn)廠家。好的技術(shù)支持不但能給您帶來仿真器使用上的支持,也能給您在應(yīng)用項(xiàng)目上的各個(gè)方面提出良好的建議和指導(dǎo),使您能快速準(zhǔn)確的完成您目前的項(xiàng)目。但如前所述,國內(nèi)多數(shù)廠商規(guī)模很小,不能給用戶提供全面的技術(shù)支持。周立功公司在進(jìn)入工具行業(yè)后,提出了單片機(jī)的一攬子解決方,提供包括工具在內(nèi)的全方位的用戶支持,開辟了一種全新的銷售服務(wù)模式。
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