单片机原理及应用：第2章 单片机应用系统的开发环境

22:341第第2 2章章 单片机应用系统的开发环境单片机应用系统的开发环境22:342内容内容 单片机应用系统的开发工具单片机应用系统的开发工具 2.1Keil C51高级语言集成开发环境高级语言集成开发环境2.2基于基于Proteus的单片机系统仿真的单片机系统仿真2.322:343 与通用微机不同，单片机本身没有自主开发能与通用微机不同，单片机本身没有自主开发能力，必须借助于力，必须借助于开发工具开发工具编制、调试、下载程序编制、调试、下载程序或对器件编程。开发工具的优劣，直接影响开发或对器件编程。开发工具的优劣，直接影响开发工作效率。工作效率。80C51单片机开发环境，目前最常用的是单片机开发环境，目前最常用的是Keil C51集成开发环境集成开发环境Vision3 IDE(Integrated Development Environment)和支持微处理器芯片和支持微处理器芯片仿真的仿真的Proteus VSM软件。软件。22:3442.1 单片机应用系统的开发工具单片机应用系统的开发工具 单片机应用系统和一般的计算机应用系统一样，单片机应用系统和一般的计算机应用系统一样，也是由硬件和软件所组成。也是由硬件和软件所组成。对较复杂的单片机应用系统，硬件除了对较复杂的单片机应用系统，硬件除了单片机单片机外，外，还包括还包括外部扩展的存储器、输入输出设备、控制设外部扩展的存储器、输入输出设备、控制设备、执行部件备、执行部件等，软件则是各种控制程序。等，软件则是各种控制程序。只有只有硬件和软件硬件和软件紧密相结合，协调一致，才能组紧密相结合，协调一致，才能组成高性能的单片机应用系统。在系统的开发与研制成高性能的单片机应用系统。在系统的开发与研制过程中，过程中，软硬件的功能总是在不断地调整，以便相软硬件的功能总是在不断地调整，以便相互适应，相互配合，达到最佳的性能价格比。互适应，相互配合，达到最佳的性能价格比。22:3452.1 单片机应用系统的开发工具单片机应用系统的开发工具 由于单片机本身不具有开发功能，因此必须借助由于单片机本身不具有开发功能，因此必须借助开发工具来排除开发过程中的各种硬件故障和程序开发工具来排除开发过程中的各种硬件故障和程序错误。错误。一个单片机应用系统从提出任务到正式投入运行一个单片机应用系统从提出任务到正式投入运行的过程称为的过程称为开发过程开发过程。单片机开发过程中所用的各。单片机开发过程中所用的各种设备称为种设备称为开发工具开发工具。22:3462.1 单片机应用系统的开发工具单片机应用系统的开发工具 图图2-1 单片机仿真系统连接示意图单片机仿真系统连接示意图 单片机的开发工具通常是一个特殊的计算机系统，单片机的开发工具通常是一个特殊的计算机系统，也称单片机仿真系统。也称单片机仿真系统。22:347图图2-1 单片机仿真系统连接示意图单片机仿真系统连接示意图 单片机仿真系统单片机仿真系统硬件硬件包括包括在线仿真器、编程器、在线仿真器、编程器、仿真插头仿真插头等部件，软件包括等部件，软件包括汇编和调试程序汇编和调试程序等。等。仿真器通过串行口与仿真器通过串行口与PC机相连，用户可以利用仿真软件机相连，用户可以利用仿真软件在在PC机上编辑、修改机上编辑、修改源程序源程序，然后通过汇编软件生成，然后通过汇编软件生成目标目标代码代码，传送给仿真器，由仿真器通过仿真插头传送到用户系，传送给仿真器，由仿真器通过仿真插头传送到用户系统，之后就可以进行调试了。统，之后就可以进行调试了。22:348 仿真、调试完的程序，需要借助编程器写到单片仿真、调试完的程序，需要借助编程器写到单片机内部或外接的程序存储器中。机内部或外接的程序存储器中。在开发过程中，程序每改动一次都要先调试，在开发过程中，程序每改动一次都要先调试，调试通过后，用编程器写到单片机中去，再将单片调试通过后，用编程器写到单片机中去，再将单片机插入用户系统的单片机插座，整个过程操作比较机插入用户系统的单片机插座，整个过程操作比较麻烦。麻烦。随着单片机技术的发展，出现了可以在线编程随着单片机技术的发展，出现了可以在线编程的单片机。在线编程目前有两种方法：的单片机。在线编程目前有两种方法：在系统编程在系统编程(In-System Programming，简称，简称ISP)和和在应用编程在应用编程(In-Application Programming，简称，简称IAP)。22:349 ISP是是指用户通过指用户通过PC机的软件，把已编译好的用户代码机的软件，把已编译好的用户代码通过串行口直接写入用户系统的单片机，不管单片机片内的通过串行口直接写入用户系统的单片机，不管单片机片内的存储器是空白的还是被编程过，都可以用存储器是空白的还是被编程过，都可以用ISP方式方式擦除擦除或再或再编程，编程，不需不需要从电路板上取下器件。要从电路板上取下器件。IAP指指MCU可以在系统中获取新代码并对自己重新编程，可以在系统中获取新代码并对自己重新编程，即可用程序来改变程序。即可用程序来改变程序。IAP的实现相对要复杂一些，在实的实现相对要复杂一些，在实现现IAP功能时，单片机内部一定要有两块存储区，一块被称功能时，单片机内部一定要有两块存储区，一块被称为为BOOT区，另外一块被称为存储区。单片机上电运行在区，另外一块被称为存储区。单片机上电运行在BOOT区，如果外部改写程序的条件满足，则对存储区的程区，如果外部改写程序的条件满足，则对存储区的程序进行改写操作。如果外部改写程序的条件不满足，程序指序进行改写操作。如果外部改写程序的条件不满足，程序指针跳到存储区，开始执行放在存储区的程序，这样便实现了针跳到存储区，开始执行放在存储区的程序，这样便实现了IAP功能。功能。22:34102.2 Keil C51集成开发环境集成开发环境-Vision3 IDE2.2.1 Keil Vision3 IDE的主要特性的主要特性 1.集成开发环境集成开发环境2.C51编译器和编译器和A51汇编器汇编器3.LIB51库管理器库管理器4.BL51链接器链接器/定位器定位器5.Vision3软件调试器软件调试器6.Vision3 IDE硬件调试器硬件调试器7.RTX51实时操作系统实时操作系统 可以完成工程建立、管理、编译连接、目标代码可以完成工程建立、管理、编译连接、目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程。的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程。22:34112.2.2 Vision3 IDE集成开发环境简介集成开发环境简介22:3412 工程管理窗口有工程管理窗口有5 5个选项卡：个选项卡：Files：文件选项卡。：文件选项卡。Regs：寄存器选项卡。：寄存器选项卡。Books：手册选项卡。：手册选项卡。Functions：工程中的函数选项卡。：工程中的函数选项卡。Templates：模板选项卡。：模板选项卡。22:34132.2.3 Vision3 IDE 的使用的使用 80C51单片机系列有数百个不同的品种，这些单片机系列有数百个不同的品种，这些CPU的特性不完全相同，用的特性不完全相同，用Vision3 IDE开发时开发时:(1)要设定针对哪一种单片机进行开发；要设定针对哪一种单片机进行开发；(2)指定对源程序的编译、链接参数；指定对源程序的编译、链接参数；(3)指定调试方式；指定调试方式；(4)指定列表文件的格式等。指定列表文件的格式等。因此在项目开发中，并不是仅有一个源程序就因此在项目开发中，并不是仅有一个源程序就行了，为了管理和使用方便，行了，为了管理和使用方便，Kei1软件使用软件使用工程工程(project)这一概念，将所需没置的参数和所有文这一概念，将所需没置的参数和所有文件都加在一个工程中，只能对工程而不能对单一件都加在一个工程中，只能对工程而不能对单一的源程序进行编译、链接等操作。的源程序进行编译、链接等操作。22:3414具体步骤：具体步骤：1.工程文件的建立工程文件的建立 2.工程的设置工程的设置3.编译、连接编译、连接4.调试程序调试程序22:34151.工程文件的建立工程文件的建立(1)进入进入keil Vision3 IDE集成开发环境后，选择集成开发环境后，选择“Project New Vision Project.”选项，出现一个对话框，选择工程选项，出现一个对话框，选择工程要保存的路径，输入工程文件名。要保存的路径，输入工程文件名。22:3416(2)点击点击“保存保存”按钮后，出现的对话框要求选择目标按钮后，出现的对话框要求选择目标CPU(即即所用芯片的型号所用芯片的型号)，Keil软件的关键是程序代码的编写，此处软件的关键是程序代码的编写，此处选择选择Atmel公司的公司的89C52芯片。芯片。22:3417然后再点击然后再点击“确定确定”按钮，弹出将按钮，弹出将80C51初始化代码复制到项初始化代码复制到项目中的询问窗口，如目中的询问窗口，如图图2-5所示。该功能便于用户修改启动所示。该功能便于用户修改启动代码。可以选择代码。可以选择“否否”，通常也可以选择，通常也可以选择“是是”，只要不对文件，只要不对文件代码进行修改，就不会对工程产生不良影响。代码进行修改，就不会对工程产生不良影响。22:3418(3)单击单击“是是”按钮，出现图按钮，出现图2-6所示的窗口。所示的窗口。22:3419(4)使用菜单使用菜单“FileNew”或者点击工具栏的新建文件按钮，或者点击工具栏的新建文件按钮，新建文件后窗口界面如图新建文件后窗口界面如图2-7所示。所示。22:3420(4)单击保存，窗口界面如图单击保存，窗口界面如图2-8所示，输入要保存的文件名。所示，输入要保存的文件名。注意，如果用注意，如果用C语言，则扩展名必须为语言，则扩展名必须为.c；如果用汇编语言；如果用汇编语言，则扩展名必须为，则扩展名必须为.asm。这里的文件名不一定要和工程名。这里的文件名不一定要和工程名相同。相同。22:3421(5)回到编辑界面，单击回到编辑界面，单击【Target 1】前面的前面的“+”号，然后在号，然后在【Source Group 1】选项上，单击右键，弹出如图选项上，单击右键，弹出如图2-9所示的所示的菜单。菜单。22:3422然后选择然后选择【Add Files to Group Source Group 1】菜单菜单项，对话框如图项，对话框如图2-10所示。所示。22:3423选中选中【exam_1.c】，单击，单击【Add】按钮，再单击按钮，再单击【Close】按按钮，将文件加入工程后的屏幕窗口如图钮，将文件加入工程后的屏幕窗口如图2-11所示。所示。22:3424在图在图2-11中，我们再单击左侧中，我们再单击左侧【Sourse Group 1】前面的前面的“+”号。这时我们注意到号。这时我们注意到【Source Group 1】文件夹中多了一个文件夹中多了一个子项子项【exam_1.c】，当一个工程中有多个代码文件时，都要，当一个工程中有多个代码文件时，都要加在这个文件夹下，这时源代码文件就与工程关联起来了。加在这个文件夹下，这时源代码文件就与工程关联起来了。22:3425(6)回到图回到图2-11中的编辑窗口，在该窗口中输入中的编辑窗口，在该窗口中输入1.1.5小节中点小节中点亮一个发光二极管的亮一个发光二极管的C语言源程序。语言源程序。22:3426通过以上通过以上(1)(6)步我们学习了如何在步我们学习了如何在Keil编译环境下建立一编译环境下建立一个工程，下面进入到第二步，对工程进行设置。个工程，下面进入到第二步，对工程进行设置。22:34272.工程的设置工程的设置首先点击图首先点击图2-12中左边中左边Project Workspace窗口的窗口的Target 1，然后使用菜单然后使用菜单“ProjectOption for Target Targetl”，即出，即出现对工程设置的选项卡，如图现对工程设置的选项卡，如图2-13所示。所示。22:3428(1)Target(目标目标)选项卡选项卡如果是单片应用，未进行任何扩展，就不需重新选择，按默如果是单片应用，未进行任何扩展，就不需重新选择，按默认值设置。认值设置。(2)Output(输出输出)选项卡选项卡Output选项卡里面有多个选择项。选项卡里面有多个选择项。其中其中 Creat Hex file：用：用于生成可执行代码文件，即可以用编程器写入单片机芯片的于生成可执行代码文件，即可以用编程器写入单片机芯片的HEX格式文件，文件的扩展名为格式文件，文件的扩展名为.HEX，默认情况下该项未，默认情况下该项未被选中，被选中，如果要做硬件实验，就必须选中该项如果要做硬件实验，就必须选中该项，这一点是初，这一点是初学者易疏忽的，在此特别提醒注意。学者易疏忽的，在此特别提醒注意。22:3429(3)Listing(列表列表)选项卡选项卡该选项卡用于调整生成的列表文件选项。该选项卡用于调整生成的列表文件选项。(4)C51选项卡选项卡C51选项卡用于对选项卡用于对Keil的的C51编译器的编译过程进行控制，其编译器的编译过程进行控制，其中比较常用的是中比较常用的是“Code Optimization”(代码最优化代码最优化)组，该组组，该组中中Level是优化等级，是优化等级，C51在对源程序进行编译时，可以对代在对源程序进行编译时，可以对代码多至码多至9级优化，默认使用第级优化，默认使用第8级，一般不必修改，级，一般不必修改，22:3430(5)Debug(调试调试)选项卡选项卡这里有两类仿真形式可选：这里有两类仿真形式可选：Use Simulator和和 Use:Keil Monitor-51 Driver，前一种是纯软件仿真，后一种是带有，前一种是纯软件仿真，后一种是带有Monitor-51目目标仿真器的仿真。这里选择标仿真器的仿真。这里选择Use Simulator。22:34313.编译、连接编译、连接在设置好工程后，即可进行编译、连接。有关编译、链接、在设置好工程后，即可进行编译、连接。有关编译、链接、工程设置的工具条如图工程设置的工具条如图2-19所示。所示。22:3432最终得到如图最终得到如图2-20所示结果，它报告本次对所示结果，它报告本次对exam_1.c文件进文件进行了编译，报告内部行了编译，报告内部RAM使用量使用量9字节，外内部字节，外内部RAM使用量使用量0字节、链接后生成的程序文件代码量字节、链接后生成的程序文件代码量19字节，提示生成了字节，提示生成了HEX格式的文件，在这一过程中还会生成一些其他文件。产格式的文件，在这一过程中还会生成一些其他文件。产生的目标文件用于生的目标文件用于Keil的仿真与调试，此时可进入下一步调的仿真与调试，此时可进入下一步调试工作。试工作。22:34334.调试程序调试程序在对工程成功地进行汇编、连接以后，按在对工程成功地进行汇编、连接以后，按Ctrl+F5或或者使用菜单者使用菜单Debug(调试调试)Start/Stop Debug Session(开始开始/停止调试停止调试)即可进入调试状态。即可进入调试状态。Keil内建了一内建了一个仿真个仿真CPU用来模拟执行程序，该仿真用来模拟执行程序，该仿真CPU功能强功能强大，可以在没有硬件和仿真机的情况下进行程序的大，可以在没有硬件和仿真机的情况下进行程序的调试，下面通过例调试，下面通过例2-1学习该模拟调试功能。学习该模拟调试功能。22:3434例例 在图在图1-2硬件不变的基础上，编写并调试让二硬件不变的基础上，编写并调试让二极管以间隔极管以间隔1s的时间亮灭闪烁的程序。的时间亮灭闪烁的程序。#include /52系列单片机头文件系列单片机头文件sbit led1=P10;/声明单片机声明单片机P1口的第一位口的第一位unsigned int i,j;/声明无符号整型变量声明无符号整型变量i，jvoid main()/主函数主函数 while(1)/大循环大循环led1=0;/点亮发光二极管点亮发光二极管D1for(i=1000;i0;i-)/延时延时for(j=110;j0;j-)；led1=1;/关闭发光二极管关闭发光二极管D1for(i=1000;i0;i-)/延时延时for(j=110;j0;j-);22:3435 用用Keil软件新建一个工程项目软件新建一个工程项目exam_2，将源程序输入，文件，将源程序输入，文件取名为取名为exam_2.c，将其加入工程，将其加入工程exam_2中。编译、链接后选中。编译、链接后选择择DebugStart/Stop Debug Session，出现调试界面如图，出现调试界面如图2-21。22:3436在图在图2-23中单击中单击“外围设备外围设备”菜单项下的菜单项下的【Port 1】选择项，选择项，弹出图弹出图2-24所示的对话框。所示的对话框。图图2-24显示出来的是软件模拟出的单片机显示出来的是软件模拟出的单片机P1口口8位口线的状位口线的状态，单片机上电后态，单片机上电后I/O口全为口全为1，即十六进制的，即十六进制的0 xFF。变量观察和断点设置详细操作请大家参考教材。变量观察和断点设置详细操作请大家参考教材。22:34372.3 基于基于Proteus的单片机系统仿真的单片机系统仿真 英国英国Labcenter Electronics公司推出的公司推出的Proteus软件，可以对基于软件，可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真，用户甚至微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真，用户甚至可以实时采用诸如可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、键盘、RS232终端等动态外设模终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。在教学过程中，只要有一台计算机，型来对设计进行交互仿真。在教学过程中，只要有一台计算机，再运行用再运行用Proteus软件搭建的单片机应用系统仿真模型就可以十软件搭建的单片机应用系统仿真模型就可以十分逼真地模拟出实验现象，因此在单片机的教学中，分逼真地模拟出实验现象，因此在单片机的教学中，Proteus软软件的作用十分显著。件的作用十分显著。22:3438 安装完安装完Proteus后，运行后，运行ISIS 7 Professional，会出现如图，会出现如图2-29所示的窗口界面。所示的窗口界面。2.3.1 Proteus 7 Professional界面介绍界面介绍22:3439 窗口内各部分的功能用中文做了标注。窗口内各部分的功能用中文做了标注。ISIS大部分操作与大部分操作与windows的操作类似。下面简单介绍其各部分的功能。的操作类似。下面简单介绍其各部分的功能。1.原理图编辑窗口原理图编辑窗口(The Editing Window)原理图编辑窗口是用来绘制原理图的。蓝色方框内为可编辑区，原理图编辑窗口是用来绘制原理图的。蓝色方框内为可编辑区，元器件要放到里面。与其他元器件要放到里面。与其他Windows应用软件不同，这个窗口是应用软件不同，这个窗口是没有滚动条的，可以用左上角的预览窗口来改变原理图的可视范没有滚动条的，可以用左上角的预览窗口来改变原理图的可视范围。围。22:34402.预览窗口预览窗口(The Overview Window)当从元器件列表中选择一个新的元件时，预览窗口可以预览选中当从元器件列表中选择一个新的元件时，预览窗口可以预览选中的对象。而当鼠标点击原理图编辑窗口后的对象。而当鼠标点击原理图编辑窗口后(即放置元器件到原理图即放置元器件到原理图编辑窗口后或在原理图编辑窗口中单击鼠标后编辑窗口后或在原理图编辑窗口中单击鼠标后)，在预览窗口中显，在预览窗口中显示两个框，蓝框表示当前页的边界，绿框表示当前编辑窗口显示示两个框，蓝框表示当前页的边界，绿框表示当前编辑窗口显示的区域，并会显示整张原理图的缩略图，此时可以再用鼠标到预的区域，并会显示整张原理图的缩略图，此时可以再用鼠标到预览窗口拖动绿色方框的位置，从而改变编辑窗口原理图的可视范览窗口拖动绿色方框的位置，从而改变编辑窗口原理图的可视范围。围。22:34413.工具箱选择按钮工具箱选择按钮(Mode Selector Toolbar)4.元器件列表区元器件列表区(The Object Selector)5.方向工具栏（方向工具栏（Orientation Toolbar)6.仿真工具栏仿真工具栏3、4、5、6操作命令类似于操作命令类似于windows操作，详细见教材操作，详细见教材22:3442采用采用AT89C52单片机控制的流水灯电路原理图总图如图单片机控制的流水灯电路原理图总图如图2-30所示。所示。2.3.2 电路原理图的绘制电路原理图的绘制22:34431.将所需元器件加入到对象选择器窗口将所需元器件加入到对象选择器窗口22:34442.放置元器件至图形编辑窗口放置元器件至图形编辑窗口22:34453.放置总线至图形编辑窗口放置总线至图形编辑窗口22:34464.添加电源和接地引脚添加电源和接地引脚22:34475.元器件之间的连线元器件之间的连线22:34486.给导线或总线加标签给导线或总线加标签22:34497.添加电压探针添加电压探针22:34508.添加文字标注添加文字标注22:34519.修改修改AT89C52属性并加载程序文件属性并加载程序文件22:345210.调试运行调试运行22:3453以以Keil Vision3 IDE为例介绍为例介绍Proteus VSM与与Vision3 IDE的联调。的联调。对于对于Proteus 6.9或更高的版本，在安装盘里有或更高的版本，在安装盘里有vdmagdi插件，插件，或者可以到或者可以到Labcenter 公司下载该插件，安装该插件后即可公司下载该插件，安装该插件后即可实现与实现与Keil Vision3 IDE的联调。的联调。下面的叙述是假定已经分别安装了下面的叙述是假定已经分别安装了Proteus 7 Professional、Keil Vision3 IDE、vdmagdi.exe软件。软件。2.3.3 Proteus VSM与与keil Vision3的联调的联调22:34541.Proteus VSM的设置的设置22:34552.Vision3 IDE设置设置(1)设置设置option for target/Debug选项选项22:34562.Vision3 IDE设置设置（2）设置）设置option for target/Output选项选项22:34573.Proteus VSM与与Vision3的联调的联调在在Vision3环境下，首先按编译键产生该项目的环境下，首先按编译键产生该项目的HEX文件，文件，然后单击然后单击 进入进入Vision3调试模式，为了在调试模式，为了在Proteus VSM环境环境下能观察到程序连续运行情况，单击下能观察到程序连续运行情况，单击 取消目前项目中所有断取消目前项目中所有断点。单击或按点。单击或按F5键进入全速运行，然后切换到键进入全速运行，然后切换到Proteus VSM环环境，可以看到同图境，可以看到同图2-43调试运行窗口完全一致的运行画面。此调试运行窗口完全一致的运行画面。此时时Proteus VSM的运行完全依赖于外部调试器的运行完全依赖于外部调试器Vision3。22:34583.Proteus VSM与与Vision3的联调的联调在在Vision3环境下，首先按编译键产生该项目的环境下，首先按编译键产生该项目的HEX文件，文件，然后单击然后单击 进入进入Vision3调试模式，为了在调试模式，为了在Proteus VSM环境环境下能观察到程序连续运行情况，单击下能观察到程序连续运行情况，单击 取消目前项目中所有断取消目前项目中所有断点。单击或按点。单击或按F5键进入全速运行，然后切换到键进入全速运行，然后切换到Proteus VSM环环境，可以看到同图境，可以看到同图2-43调试运行窗口完全一致的运行画面。此调试运行窗口完全一致的运行画面。此时时Proteus VSM的运行完全依赖于外部调试器的运行完全依赖于外部调试器Vision3。22:3459