STC Monitor 51的單片機(jī)在線仿真調(diào)試＊

朱志偉

（長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，長沙 410004）

STC Monitor 51的單片機(jī)在線仿真調(diào)試＊

朱志偉

（長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，長沙 410004）

51內(nèi)核單片機(jī)在線仿真調(diào)試是一種取代專業(yè)仿真器的有效手段。利用ISP/IAP方法和STC Monitor-51監(jiān)控程序，以及單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境Keil C51的在線仿真功能的支持，STC公司的IAP15F2K61S2單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了在線仿真調(diào)試功能，為單片機(jī)教學(xué)和應(yīng)用開發(fā)提供了一條新的途徑。

IAP15F2K61S2；STC Monitor-51；在線仿真；監(jiān)控程序

引 言

當(dāng)今很多院校中，單片機(jī)的教學(xué)仍以經(jīng)典的51內(nèi)核單片機(jī)為主。其實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用開發(fā)中最重要的環(huán)節(jié)是軟、硬件綜合調(diào)試，通常采用的方法主要有兩種：一種是使用仿真器，優(yōu)點(diǎn)是功能齊全，但是價(jià)格較高，一般廠家研發(fā)采用；另一種是使用軟件仿真和芯片直接燒寫驗(yàn)證的方法，其成本雖然低，但在程序或硬件出現(xiàn)疑難問題時(shí)，很難找到原因。

實(shí)際上，還有一種成本低且具有在線仿真調(diào)試功能的技術(shù)是在線仿真調(diào)試，它特別適合初學(xué)者?！霸诰€仿真調(diào)試”是指：通過Keil C51編譯器，結(jié)合單片機(jī)中的監(jiān)控程序，對系統(tǒng)的應(yīng)用程序和硬件進(jìn)行仿真調(diào)試，可以讓單片機(jī)以單步、斷點(diǎn)、全速等運(yùn)行模式來執(zhí)行程序。在線仿真調(diào)試是單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)過程中的高效方法，國內(nèi)STC公司的51內(nèi)核單片機(jī)IAP15F2K61S2便具有在線仿真調(diào)試功能。

1 在線仿真調(diào)試概述

Keil C51編譯器開放了調(diào)試器與目標(biāo)芯片的接口，只要芯片廠商提供自己特有的驅(qū)動(dòng)程序（動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL），就能使Keil調(diào)試器在不改變圖形界面的情況下支持相應(yīng)的硬件仿真調(diào)試。

STC Monitor-51是STC公司開發(fā)的內(nèi)嵌Keil C51編譯器的目標(biāo)系統(tǒng)調(diào)試模塊，它是一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序，可利用PC機(jī)的USB口與目標(biāo)端進(jìn)行通信。在線仿真調(diào)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 在線仿真調(diào)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

PC機(jī)端由Keil調(diào)試器和STC Monitor-51的驅(qū)動(dòng)程序stcmon51.DLL組成，stcmon51.DLL是STC公司自主開發(fā)的Keil仿真驅(qū)動(dòng)協(xié)議，功能相比于Keil自帶的Mon51.DLL有較大的突破，例如：更改通信接口為真正的USB口，支持Keil Flash Download功能，支持軟件復(fù)位，增加斷點(diǎn)數(shù)量等。目標(biāo)端由USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340、51內(nèi)核單片機(jī)及STC Monoitor-51監(jiān)控程序組成。Keil調(diào)試器將用戶的調(diào)試指令通過PC機(jī)的USB口傳送給目標(biāo)端；目標(biāo)端的USB轉(zhuǎn)串口芯片將其轉(zhuǎn)換為TTL電平后發(fā)送給單片機(jī)，最后由單片機(jī)中駐留的STC Monitor-51監(jiān)控程序分析并執(zhí)行。

2 在線仿真調(diào)試實(shí)現(xiàn)

2.1 lAP15F2K61S2的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

STC Monitor-51具有載入并執(zhí)行用戶程序的功能，所以要求單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器為Flash ROM，并具有ISP功能。ISP（In System Programming，在系統(tǒng)編程）指電路板上器件不用取出，就可以寫入用戶代碼，已經(jīng)編程的芯片也可以用ISP方式擦除或再編程。

IAP15F2K61S2單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是獨(dú)立編址的。IAP15F2K61S2單片機(jī)內(nèi)部在物理上有4個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器空間：程序存儲(chǔ)器（程序Flash）、片內(nèi)基本RAM、片內(nèi)擴(kuò)展RAM與EEPROM（數(shù)據(jù)Flash）。IAP15F2K61S2單片機(jī)片內(nèi)集成了61KB的程序Flash存儲(chǔ)器，其地址為0000H～F3FFH。用戶可以使用的最大程序空間為55KB，整個(gè)程序Flash存儲(chǔ)器的分布圖如圖2所示。

圖2 lAP15F2K61S2程序Flash存儲(chǔ)器的分布圖

很多單片機(jī)在出廠時(shí)已經(jīng)將具有Boot loader功能的程序固化在系統(tǒng)區(qū)中，因此無需編程器就可通過ISP下載軟件將用戶程序下載到Flash ROM中。STC公司的單片機(jī)可以進(jìn)行ISP串行下載程序，就是因?yàn)橄到y(tǒng)區(qū)中有芯片出廠時(shí)就已經(jīng)固化的ISP引導(dǎo)碼。如果想要下載應(yīng)用程序至單片機(jī)，先要在下載軟件界面上進(jìn)行相應(yīng)選擇，然后再上電，當(dāng)單片機(jī)檢測到上位機(jī)中有特定的下載條件時(shí)，便啟用ISP下載功能將程序下載至用戶程序區(qū)；否則，單片機(jī)便會(huì)從用戶應(yīng)用程序區(qū)中開始執(zhí)行代碼。

STC公司的最新ISP下載軟件stc-isp-15xx-v6. 77.exe還可以將STC Monoitor-51監(jiān)控程序下載到監(jiān)控程序區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)在線仿真調(diào)試功能。

2.2 lAP15F2K61S2的lSP和lAP實(shí)現(xiàn)

在線仿真調(diào)試功能的實(shí)現(xiàn)依賴于用戶系統(tǒng)內(nèi)部的監(jiān)控程序和PC機(jī)上的下載程序。其具體實(shí)現(xiàn)主要利用IAP（In Applicatin Programming，在應(yīng)用編程）技術(shù)，即在程序運(yùn)行時(shí)程序存儲(chǔ)器可由程序自身進(jìn)行擦寫。IAP15F2K61S2單片機(jī)的IAP功能，與以下幾個(gè)特殊功能寄存器有關(guān)。

IAP＿DATA：ISP/IAP數(shù)據(jù)寄存器，從Flash讀出的數(shù)據(jù)放在此處，寫入Flash的數(shù)據(jù)也需放在此處。

IAP＿ADDRH：ISP/IAP地址寄存器高8位。

IAP＿ADDRL：ISP/IAP地址寄存器低8位。

IAP＿CMD：ISP/IAP命令寄存器，須IAP＿TRIG觸發(fā)方可生效。

IAP＿TRIG：ISP/IAP命令觸發(fā)寄存器。

IAP＿CONTR：ISP/IAP控制寄存器。

當(dāng)IAPEN（IAP＿CONTR.7）=1時(shí)，只有對IAP＿TRIG先寫入0x5A、再寫入0xA5，ISP/IAP命令才會(huì)生效。

ISP/IAP操作完成后，IAP命令寄存器、IAP地址高8位地址寄存器和低8位地址寄存器的內(nèi)容都不變。如果需要對下一個(gè)地址的數(shù)據(jù)進(jìn)行ISP/IAP操作，則要手動(dòng)將該地址的高8位和低8位對應(yīng)寫入地址寄存器中。每次進(jìn)行IAP操作時(shí)，都要對IAP＿TRIG先寫入0x5A，再寫入0xA5，ISP/IAP命令才會(huì)生效。

ISP/IAP命令寄存器IAP＿CMD的格式如表1所列。通過對命令寄存器IAP＿CMD的MS1和MS0位進(jìn)行賦值，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

表1 lAP＿CMD模式選擇

IAP15F2K61S2程序在用戶應(yīng)用程序區(qū)時(shí)，不僅可以對數(shù)據(jù)Flash區(qū)（EEPROM）進(jìn)行字節(jié)讀、字節(jié)編程和扇區(qū)擦除，而且可以修改用戶應(yīng)用程序區(qū)。扇區(qū)擦除程序示意性代碼如下所示，其他ISP/IAP操作類似。

2.3 監(jiān)控程序

為配合Keil調(diào)試器的硬件仿真調(diào)試，監(jiān)控程序應(yīng)具備相應(yīng)的單步、斷點(diǎn)設(shè)置、ID讀取等功能。仿真開始時(shí)，監(jiān)控程序接收命令，判斷相應(yīng)的功能操作，再執(zhí)行。STC Monoitor-51監(jiān)控程序只能在程序中給定點(diǎn)處監(jiān)測，調(diào)試時(shí)需要占用程序空間，屬于一種侵入式的調(diào)試，其工作流程如圖3所示。

圖3 STC Monoitor-51監(jiān)控程序工作流程圖

2.4 lAP15F2K61S2在線仿真調(diào)試過程

以前的51內(nèi)核單片機(jī)在線仿真調(diào)試時(shí)，需要根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)，修改應(yīng)用程序和Keil C51集成開發(fā)環(huán)境的參數(shù)，初學(xué)者不易掌握，從而影響普及推廣。STC公司的IAP15F2K61S2是十分易用的在線仿真調(diào)試芯片，只需利用最新ISP下載軟件stc-isp-15xx-v6.77.exe，將監(jiān)控程序下載到單片機(jī)中，就可輕松地實(shí)現(xiàn)在線仿真調(diào)試功能。IAP15F2K61S2線仿真調(diào)試過程如下。

2.4.1 安裝仿真驅(qū)動(dòng)

運(yùn)行ISP下載軟件stc-isp-15xx-v6.77.exe，在“Keil仿真設(shè)置”頁面中單擊“添加MCU型號到Keil中”按鈕，在出現(xiàn)的目錄選擇窗口中，確定到Keil的安裝目錄（一般可能為“C：Keil”）。添加頭文件的同時(shí)也會(huì)安裝STC的STC Monitor-51仿真驅(qū)動(dòng)stcmon51.DLL。

2.4.2 創(chuàng)建仿真芯片

將一顆IAP15F2K61S2通過目標(biāo)板連接到電腦的USB口，然后在“Keil仿真設(shè)置”頁面中單擊“將IAP15F2K61S2設(shè)置為仿真芯片”按鈕，再給目標(biāo)板上電，當(dāng)程序下載完成后仿真器便制作完成。

2.4.3 創(chuàng)建項(xiàng)目工程

若上一步的驅(qū)動(dòng)安裝成功，則在Keil中新建項(xiàng)目工程、選擇芯片型號時(shí)，便會(huì)有“STC MCU Database”的選擇項(xiàng)，然后從列表中選擇相應(yīng)的MCU型號（目前STC支持仿真的型號只有STC15F2K60S2），單擊“確定”完成選擇，再按Keil的一般使用方法添加源程序到項(xiàng)目工程中，若編譯無誤，則可以進(jìn)行下面的項(xiàng)目設(shè)置。

2.4.4 硬件仿真驅(qū)動(dòng)選擇

選擇Project中的Opertions for Target＇Target1＇，進(jìn)入“Debug”設(shè)置頁，在右側(cè)的硬件仿真驅(qū)動(dòng)下拉列表中選擇“STC Monitor-51Driver”項(xiàng)，然后單擊“Settings”按鈕，對串口的端口號和波特率進(jìn)行設(shè)置，波特率一般選擇115 200或者57 600。到此設(shè)置便完成了。

2.4.5 在線仿真調(diào)試

在這個(gè)Keil工程下，按下“Ctrl+F5”即可開始在線仿真調(diào)試。若硬件連接無誤，將會(huì)進(jìn)入到類似于常用的軟件調(diào)試，并在命令輸出窗口顯示當(dāng)前的仿真驅(qū)動(dòng)版本號和當(dāng)前仿真監(jiān)控代碼固件的版本號，可以選擇單步運(yùn)行、斷點(diǎn)運(yùn)行、全速運(yùn)行等進(jìn)行仿真調(diào)試。調(diào)試中的注意事項(xiàng)主要有：斷點(diǎn)設(shè)置的個(gè)數(shù)不要太多，否則會(huì)影響調(diào)試速度；若仿真源代碼為匯編程序，則第一條語句必須是長跳轉(zhuǎn)語句，不能使用其他語句；仿真中，不能使用與P3.0和P3.1引腳相關(guān)的中斷和功能。

結(jié) 語

結(jié)合IAP15F2K61S2單片機(jī)與監(jiān)控程序STC Monoitor-51、Keil C51集成開發(fā)軟件，提供了一種成本低、功能強(qiáng)的在線硬件仿真調(diào)試技術(shù)，降低了使用單片機(jī)開發(fā)工具的門檻，特別適用于單片機(jī)初學(xué)者以及學(xué)校的教學(xué)活動(dòng)，也為選用51內(nèi)核單片機(jī)進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)帶來了極大便利，只需下載監(jiān)控代碼就可以進(jìn)行在線仿真調(diào)試。

［1］丁向榮.基于IAP在線仿真技術(shù)提升單片機(jī)實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（3）：82-84.

［2］深圳宏晶科技有限公司.STC15F2K60S2系列

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Online Simulation Debugging of MCU Based on STC Monitor-51

Zhu Zhiwei
（School of Electronic Information Engineering，Changsha Social Work College，Changsha 410004，China）

Online simulation debugging of 8051is an effective means to replace the professional simulator.By using the ISP/IAP method，the monitoring program of STC Monitor-51，and the online simulation function integrated in Keil C51，IAP15F2K61S2MCU of STC company realizes the online simulation debugging function，which provides a new way for the development and application of microcontroller teaching.

IAP15F2K61S2；STC Monitor-51；online simulation；monitoring program

TP391.9

A

2013年度湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2013GK3049）。