• 關鍵字

         IAP15F2K61S2    STC Monitor-51    線上模擬    監控程式

• 摘要

        51核心微控制器線上模擬除錯是一種取代專業模擬器的有效手段。利用ISP/IAP方法和STC Monitor-51監控程式，以及微控制器整合開發環境Keil C51的線上模擬功能的支援，STC公司的IAP15F2K61S2微控制器實現了線上模擬除錯功能，為微控制器教學和應用開發提供了一條新的途徑。

• 引言

        當今很多院校中，微控制器的教學仍以經典的51核心微控制器為主。其實驗與應用開發中最重要的環節是軟、硬體綜合除錯，通常採用的方法主要有兩種：一種是使用模擬器，優點是功能齊全，但是價格較高，一般廠家研發採用;另一種是使用軟體模擬和晶片直接燒寫驗證的方法，其成本雖然低，但在程式或硬體出現疑難問題時，很難找到原因。         實際上，還有一種成本低且具有線上模擬除錯功能的技術是線上模擬除錯，它特別適合初學者。“線上模擬除錯”是指：通過Keil C51編譯器，結合微控制器中的監控程式，對系統的應用程式和硬體進行模擬除錯，可以讓微控制器以單步、斷點、全速等執行模式來執行程式。線上模擬除錯是微控制器應用開發過程中的高效方法，國內STC公司的51核心微控制器IAP15F2K61S2便具有線上模擬除錯功能。

     1、線上模擬除錯概述

        Keil C51編譯器開放了偵錯程式與目標晶片的介面，只要晶片廠商提供自己特有的驅動程式(動態連結庫DLL)，就能使Keil偵錯程式在不改變圖形介面的情況下支援相應的硬體模擬除錯。         STC Monitor-51是STC公司開發的內嵌Keil C51編譯器的目標系統除錯模組，它是一個實時監控程式，可利用PC機的USB口與目標端進行通訊。線上模擬除錯系統的結構示意圖如圖1所示。

        PC機端由Keil偵錯程式和STC Monitor-51的驅動程式stcmon51.DLL組成，stcmon51.DLL是STC公司自主開發的Keil模擬驅動協議，功能相比於 Keil自帶的Mon51.DLL有較大的突破，例如：更改通訊介面為真正的USB口，支援Keil Flash Download功能，支援軟體復位，增加斷點數量等。目標端由USB轉串列埠晶片CH340、51核心微控制器及STC Monoitor-51監控程式組成。Keil偵錯程式將使用者的除錯指令通過PC機的USB口傳送給目標端;目標端的USB轉串列埠晶片將其轉換為TTL電平後傳送給微控制器，最後由微控制器中駐留的STC Monitor-51監控程式分析並執行。

     2、線上模擬除錯實現

      2.1 IAP15F2K61S2的儲存器結構

        STC Monitor-51具有載入並執行使用者程式的功能，所以要求微控制器的程式儲存器為Flash ROM，並具有ISP功能。ISP(In System Programming，在系統程式設計)指電路板上器件不用取出，就可以寫入使用者程式碼，已經程式設計的晶片也可以用ISP方式擦除或再程式設計。         IAP15F2K61S2微控制器的程式儲存器與資料儲存器是獨立編址的。IAP15F2K61S2微控制器內部在物理上有4個相互獨立的儲存器空間;程式儲存器(程式Flash)、片內基本RAM、片內擴充套件RAM與EEPROM(資料Flash)。IAP15F2K61S2微控制器片內集成了61 KB的程式Flash儲存器，其地址為0000H～F3FFH。使用者可以使用的最大程式空間為55 KB，整個程式Flash儲存器的分佈圖如圖2所示。

        很多微控制器在出廠時已經將具有Boot loader功能的程式固化在系統區中，因此無需程式設計器就可通過ISP下載軟體將使用者程式下載到Flash ROM中。STC公司的微控制器可以進行ISP序列下載程式，就是因為系統區中有晶片出廠時就已經固化的ISP引導碼。如果想要下載應用程式至微控制器，先要在下載軟體介面上進行相應選擇，然後再上電，當微控制器檢測到上位機中有特定的下載條件時，便啟用ISP下載功能將程式下載至使用者程式區;否則，微控制器便會從使用者應用程式區中開始執行程式碼。         STC公司的最新ISP下載軟體stc-isp-15xx-v6.77.exe還可以將STC Monoitor-51監控程式下載到監控程式區，從而實現線上模擬除錯功能。

      2.2 IAP15F2K61S2的ISP和IAP實現

        線上模擬除錯功能的實現依賴於使用者系統內部的監控程式和PC機上的下載程式。其具體實現主要利用IAP(In Applicatin Programming，在應用程式設計)技術，即在程式執行時程式儲存器可由程式自身進行擦寫。IAP15F2K61S2微控制器的IAP功能，與以下幾個特殊功能暫存器有關。         IAP_DATA：ISP/IAP資料暫存器，從Flash讀出的資料放在此處，寫入Flash的資料也需放在此處。         IAP_ADDRH：ISP/IAP地址暫存器高8位。         IAP_ADDRL：ISP/IAP地址暫存器低8位。         IAP_CMD：ISP/IAP命令暫存器，須IAP_TRIG觸發方可生效。         IAP_TRIG：ISP/IAP命令觸發暫存器。         IAP_CONTR：ISP/IAP控制暫存器。         當IAPEN(IAP_CONTR.7)=1時，只有對IAP_TRIG先寫入0x5A、再寫入0xA5，ISP/IAP命令才會生效。         ISP/IAP操作完成後，IAP命令暫存器、IAP地址高8位地址暫存器和低8位地址暫存器的內容都不變。如果需要對下一個地址的資料進行 ISP/IAP操作，則要手動將該地址的高8位和低8位對應寫入地址暫存器中。每次進行IAP操作時，都要對IAP_TRIG先寫入0x5A，再寫入 0xA5，ISP/IAP命令才會生效。         ISP/IAP命令暫存器IAP_CMD的格式如表1所列。通過對命令暫存器IAP_CMD的MS1和MS0位進行賦值，可以實現相應功能。

        IAP15F2K61S2程式在使用者應用程式區時，不僅可以對資料Flash區(EEPROM)進行位元組讀、位元組程式設計和扇區擦除，而且可以修改使用者應用程式區。扇區擦除程式示意性程式碼如下所示，其他ISP/IAP操作類似。         IAP_ADDRH=EE_address/256; //送扇區地址高位元組(地址需要改變時才需重新送地址)         IAP_ADDRL=EE_address%256; //送扇區地址低位元組(512位元組/扇區)         IAP_CONTR=0xS0; //設定等待時間，允許ISP/IAP操作，送一次就夠         IAP_CMD=3; //送扇區擦除命令，命令不需改變時，不需重新送命令         IAP_TRIG=0x5A;         IAP_TRIG=0xA5; //ISP/IAP觸發命令

      2.3 監控程式

        為配合Keil偵錯程式的硬體模擬除錯，監控程式應具備相應的單步、斷點設定、ID讀取等功能。模擬開始時，監控程式接收命令，判斷相應的功能操作，再執行。STCMonoit or-51監控程式只能在程式中給定點處監測，除錯時需要佔用程式空間，屬於一種侵入式的除錯，其工作流程如圖3所示。

      2.4 IAP15F2K61S2線上模擬除錯過程

        以前的51核心微控制器線上模擬除錯時，需要根據硬體結構，修改應用程式和Keil C51整合開發環境的引數，初學者不易掌握，從而影響普及推廣。STC公司的IAP15F2K61S2是十分易用的線上模擬除錯晶片，只需利用最新ISP 下載軟體stc-isp-15xx-v6.77.exe，將監控程式下載到微控制器中，就可輕鬆地實現線上模擬除錯功能。IAP15F2K61S2線模擬除錯過程如下。

        2.4.1 安裝模擬驅動

        執行ISP下載軟體stc-isp-15xx-v6.77.exe，在“Keil模擬設定”頁面中單擊“新增MCU型號到Keil中”按鈕，在出現的目錄選擇視窗中，確定到Keil的安裝目錄(一般可能為“C：\Keil\”)。新增標頭檔案的同時也會安裝STC的STC Monitor-51模擬驅動stcmon51.DLL。

        2.4.2 建立模擬晶片

        將一顆IAP15F2KG1S2通過目標板連線到電腦的USB口，然後在“Keil模擬設定”頁面中單擊“將IAP15F2K61S2設定為模擬晶片”按鈕，再給目標板上電，當程式下載完成後模擬器便製作完成。

        2.4.3 建立專案工程

        若上一步的驅動安裝成功，則在Keil中新建專案工程、選擇晶片型號時，便會有“STC MCU Database”的選擇項，然後從列表中選擇相應的MCU型號(目前STC支援模擬的型號只有STC15F2K60S2)，單擊“確定”完成選擇，再按Keil的一般使用方法新增源程式到專案工程中，若編譯無誤，則可以進行下面的專案設定。

        2.4.4 硬體模擬驅動選擇

        選擇Project中的Opertions for Target’Target1’，進入“Debug”設定頁，在右側的硬體模擬驅動下拉列表中選擇“STC Monitor-51 Driver”項，然後單擊“Settin gs”按鈕，對串列埠的埠號和波特率進行設定，波特率一般選擇115 200或者57 600。到此設定便完成了。

        2.4.5 線上模擬除錯

        在這個Keil工程下，按下“Ctrl+F5”即可開始線上模擬除錯。若硬體連線無誤，將會進入到類似於常用的軟體除錯，並在命令輸出視窗顯示當前的模擬驅動版本號和當執行、全速執行等進行模擬除錯。除錯中的注意事項主要有：斷點設定的個數不要太多，否則會影響除錯速度;若模擬原始碼為彙編程式，則第一條語句必須是長跳轉語句，不能使用其他語句;模擬中，不能使用與P3.0和P3.1引腳相關的中斷和功能。

• 結語

結合IAP15F2K61S2微控制器與監控程式STC Monoitor-51、Keil C51整合開發軟體，提供了一種成本低、功能強的線上硬體模擬除錯技術，降低了使用微控制器開發工具的門檻，特別適用於微控制器初學者以及學校的教學活動，也為選用51核心微控制器進行應用開發帶來了極大便利，只需下載監控程式碼就可以進行線上模擬除錯。