（计算机应用技术专业论文）现代微控制器的开发与应用设计研究.pdf

现代微控制器的开发与应用设计研究第1 页 摘要 y 3 0 6 0 5 作者在钻研计算机应用与控制技术、计算机网络与通讯原理及其 现代微控制器技术的基础上，对新型、高档、高性能、高速度面向2 1 世纪的嵌入式( e m b e d d e d ) 单片机进行了新的探索和研究，结合传统的 单片机开发技术，借助新型开发应用平台r t o s ，基于w i n d o w s9 5 操 作系统，利用多年单片机开发与应用及其工业控制现场经验，开发出 集仿真与应用于一体的基于p h i l ips 公司发明的嵌入式( e m b e d d e d ) 微 8 0 c 5 1 x a 的开发与应用系统。 年来，8 0 5 1 单片机在国内应用领域日益广泛，尤其是在工 域，硬件、软件扩展技术日见成熟，但早期8 0 5 1 单片机的 行速度、各项功能还不能满足工业控制的要求，尤其是在要求高 度的场合，早期8 0 5 l 单片机满足不了工业控制实时控制的要求 各公司在不断推出各种新型的1 6 位高速单片机。p h i l ip s 公司推 的8 0 c 5 lx a 系列单片机是典型代表产品，并且相应推出各种大型 发产品 软件投 的研究 但都由于价格昂贵，并且要求用户要增加应用产品硬件 入，使广大用户望而却步，作者基于此原因，惹力量这方 ，加快16 位嵌入式高速单片机在我国的推广应用j 业 、 廷 速 而 出 开 、 面 本系统中，利用8 0 c 5 1 x a 单片机超强的存储扩展能力，建立r a m 存储映象区，咀牺牲小部分存储空间来换取时间，达到实现实时在 线仿真、避免占用m c u 资源、提供方便的仿真开发平台的目的；利 用芯片的高集成技术和系统扩展技术，尽可能多的为用户提供其在 工业控制中所需的各种应用硬件、软件以减少其应用硬件、软件 戚本的再次投入，缩短系统设计周期，满足高效率的社会要求。 1 、根据本文所确定的设计方案，作者在指导老师的指导下，征求 各种用户的意见，经广泛的市场调研和反复的实验论证，广泛收集 应用现场的实践经验，逐步推出本文所述开发与应用系统，并初步 应用到实践之中，确定了设计方案的可行性。y 关键字：嵌入式微控制器在线仿真器编译器实时控制井嘞b 匠界 现代微控制器的开发与应用设计研究第2 页 a b s t r a c t o nt h eb a s iso f c o m p a t e ra p p l i c a t i o n a 1 1 dc o n t r o l t e c h n 0 1 0 9 y ， c o r n p u t e r n e t w o r ka n de o m m u n i c a t i o n p r i n c i p l e s a n d c o n t e m p o r a r y m i c r o - c o n t r 0 1 ，t h ea u t h o rd i da n e wc x p l o r a t i o na n dr e s e a r c ho nn e w s t y l e ，t o pg r a d e ，s u p e r i o r f u n c t i o na n d h i g hs p e e d o f21s tc e n t u r y e m b e d d e d m i c r o p r o c e ss o r c o m b i n i n g t r a d i t i o n a l c h i pd e v e l o p m e n t t e c h n i q u e ，w i t ht h eh e l po fn e w l yd e v e l o p e da p p l i e a t i o np 1 a t f o r mr t o s ， b as e do nw i n d o w s 9 5 o p e r a t i n gs y s t o m a n dt o o ka d v a n t a g eo fy e a r so f f i e l d e x p e r i c n c e i n c h i pd e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n i ni n d u s t r i a l c o n t r o l ，t h ea u t h o rd e v e l o p e dad e v e l o p i n e n ta n da p p l i c a t i o ns ys t e r no f c o m b i n i n ge m u l a t i o n a n da p p l i c a t i o n ，b a s e do at h e p h i l i p se m b e d d e d m i c r o - p r o e e s s o r8 0 c 5i x a i nr c c e n t y e a r s ，8 0 5 i m i c r o p r o e e s s o ri sm o r ea 1 1 dm o r ew i d e l yu s e d a l ia c r o s st h e c o u n t r y ，es p e c i a l l yi t s h a r d w a r ea n ds o f t w a r ec n l a r g i n g t e c h n i q u ei ni n d u s t r i a le o n t r o ii sd e v e l o p e df as t e rt h a ne v e rb e f o r e b u t e x e c u t i o ns p e e da n df u n e t i o nso fe a r l y8 0 51 c h i pm i c r o p r o c c ss o rc a n n o tm e e tt h en e e do fi n d u s t r i a la a dr e a l t i m ec o n t r 0 1 p a r t i c u l a r l yi nt h e o c t a s i o nw h e nh i g h s p c c d isn c e d e d s o m a n ye o m p a n i e sc o n s t a n t l y d e v e l o p e d v a r i o u s1 6b i t s h i g hs p e e d sm i c r o p r o c e ss o r p h i l i p s d e v e l o p e d8 0 c 5 1 x as e r i e s m i c r o p r o c c s s o ri st h e t y p i c a lk i n d a n d i t p r o m o t ek i n d so fl a r g e - s e a l e r e l e v a n t d e v e l o p i n gp r o d u c t s b u t r u e s t u s e r sf l i n e h e db e c a u s eo ft h e h i g hp r i c e ，a n d n c c e s s i t y o f a d d i n g i n v e s t m o n ti nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e s ot h ea u t h o rd e c i d e dt od o r o s e a r c hi ne f f o r tt oc u td o w nt h e p r i c e ，a n da c c e l c r a t et h es p r e a d i n g a n d a p p l i c a t i o no f 16b i te m b e d d e dh i g h s p e e dm i c r o p r o c e s s o ri no u r c o a n t r y i nt h es y s t e m ，t h ea u t h o rt o o ka d r a n t a g eo f8 0 c 5 1 x am i c r o p r o c e ss o r s t o r a g ee n l a r g i n gf u n c t i o n t oe s t a b l is hr a ms t o r a g e s e r e e n i n gz o n e ， s a c r i f i t e ds m a l l p a r t o fs t o r a g es p a c et o g e tm o r et i m e ，a n dr e a l i z e d r e a l - t i m ci n - 1 i n ee m u l a t i o n ，a v o i d e d a s i n g m c ur es o u r c e ，p r o v i d e d c o n y e n i e n te m u l a t i o nd e v e l o p m e n tp 1 a t f o r m ；t o o k a d v a n t a g e o fh i g h - e o n c e n t r a t i o n t e e h n i q u e a n d s y s t e me n l a r g i n gt e c h n e l e g y o fs i l i c o n ， p r o v i d e d u s e r sa sm u c ha s p o s s i b l ew i t hi t sr e l e v a n t a p p l i c a t i o n h a r d w a r e ，s o f t w a r ei a i n d us t r i a l c o n t r 0 1 ，t od e c r o a s et h er e c o s ti ni t s a p p l i c a t i o n h a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，s h o r t e n c ds y s t e r n d e s i g nc y c l e ， 现代微控制器的开发与应用设计研究第3 页 s a t is f i e ds o c i a l r e q u i r e m e n t s w i t h h i g he f f i c i o n c y a c e o r d i n g t ot h e s e t t i e d d e s i g ap r o g r a m ，t h ea u t h o r ，u n d e rt h et u t o r sg u i d e ，c o l l e c t e d v a r l o u sa s e r s s a g g e s t i o n ， a 1 a r g e a m o u n to fm a r k e tr e s e a r c ha n d e x p e r i m e n t sp r o o f ， g a t h e r a g r e a t q u a i i t i t y o f p r a c t i c a le x p e r i e n c e 、 s p r e a d t h e d e v e l o p m e u ta n da p p l i c a t i o ns y s t c n l a n da p p l ie di tt ot h e f i e l dw o r kt oe n s u r et h e f e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g np r o g r a m k e y w o r d ： e m b e d d e dm i c r o p r o c e ss o r ，i n - l i n e e m u l a t o r ，c o ”p i l e d l a n g u a g e ，r e a l t i m ec o n t r o l ，e x p l o i t a t i o na n da p p l i c a t i o n 现代微控制器的开发与应用设计研究第6 页 第一章概论 l 嵌入式( e m b e d d e a ) 单片机开发与应用现状 l 面向二二十一世纪的嵌入式( e m b e d d e d ) 单片机概况 当今l6 位嵌入式微控制器已经打开了市场，在l6 位微控制器 m c s 一8 x 9 6 诞生l0 年后的今天，世界上最著名微控制器生产厂商中的 i n t e l 和p h il i p s 分别推出了和8 0 5 l 系列微控制器兼容的l6 位机 8 x c 2 5 1 和8x c 5 1 x a 。此外，由i n t e l 公司发明的m c s - 9 6 系列结构也 得以保存下来，其最新产品是8 x c l9 6 2 9 6 。较有代表性的是西门子 公司的16 位、类r i s c 微控制器系列、面向汽车电子系统应用的s a b l6 7 和面向工业控制的c 16 6 系列。 随着技术的积累和工业控制的细致化、智能化、结构密集化， 要求嵌入式系统有更高的处理速度和寻址能力，更高的电磁兼容性 能，支持多任务系统。目前推出的16 位单片机就是按照这种发展趋 势的要求而设计的。 在速度上，新型l6 位微控制器现在可以达到2 0 m ip s 的处理速 度，如此高的处理速度不仅仅因为时钟速度的提高，更主要是来源 于结构上的流水线设计。8 x c l 6 6 系列采用4 级流水线，可以同时执 行4 条指令，单周期指令执行时间为10 0 n s ，中断响应时间也不超过 4 0 0 n s 。i n t e l 的2 9 6 则是在5 0 m 的1 9 6 n u 基础上增加了d s p 处理器， 用于智能化等领域速度太大提高。这些结构上的改变可以在相同的 时钟速度情况下大幅度提高实际处理速度。中等的时钟速度对于降 低芯片和应用系统设计压力、提高电磁兼容和抗干扰能力、减少功 耗等都是有利的。 在寻址能力上，各大公司的产品都达到了2 4 位的线性地址空问 规模。在寻址方式上，支持间接寻址、扩展寻址、相对寻址和位寻 址。c 16 7 寻址空问可以达2 4 位，采取冯诺依曼的组织结构，程序、 数据共有16 m 线性地址：p h i l ip s 的8 0 c 5 1x a 采用哈佛结构，提供双 2 4 位的地址空间，程序、数据空间各16 m 字节。 新型1 6 位单片机也采用先进的工艺技术以达到更高的集成度， 在片f 1 a s hr o m 、r a m 、a 0 、p w m 、i c 、c a n 等在片外围模块，其中in t e l 2 5 1 在片集成8 k 或16 k 字节的r o m 或0 t me p r o m ，5 12 字节或1k 的 r a m 、一个金双工的u a r t 。片上电源管理器和两个16 位计数定时器： 8 0 2 5 l 的一种衍生产品，8 2 9 3 0 a 增加了一个通用串行总线u s 8 端口， 该芯片可以在u s b 兼容的计算机外围设备中用作控制器。p h il i p s 的 现代微控制器的开发与应用设计研究 第7 页 x a 的一种衍生产品x a g 3 则提供3 2 k 字节的e p r o m r o m ，5 1 2 字节的 r a m ，3 个1 6 位计数定时器，一个w a t c h d og ，两个增强型u a r t ，4 个8 位i 0 端口和电源管理功能。x ac 3 还将集成一个c a n 一2 0 用于 取代g3 片上的两个u a r t 中的个。s ie m e n s 和s g s t h o m ps o n 的c l 6 6 系列中的c 1 67 c r 已经有一个完整的c a n 2 0 b 接口及p w m 、a d 、d a 、 u ar t 等外围模块，有些品种特别集成1 2 8 k 一5 1 2 kf la shme m o r y ，可 以承受10 0 0 次写撩周期。在3 2 位微处理器处于领先地位的m o l o r o l a 公司的6 83 0 0 系列具有丰富的衍生产品，其中的6 8 3 7 6 还提供在片c a n 总线接口。 由英国人设计并得到全世界2 2 个厂商支持的a r m 系列单片计 算机无论是在实时控制还是在通讯系统应用方面均得到嵌入式工业 界的高度重视。a r m 6 、a r m 7 系列采用增强型3 2 位r i s c 结构。某 些品种集成了片内高速存储器，可提供的运算速度高达2 3 0 m i p s 。 由于有众多半导体公司生产a r m 的衍生产品，使用户选择非常方便。 a r m 集成的片内外设接口包括c a n b u s 控制器i r d a ( 标准红外通讯 接口) 、k e y ( 键盘驱动) 、l c d 驱动器等。 特别值得指出的是，美国c m x 公司和e s p 公司为a r m 系列开 发了高水平的实时多任务操作系统( r t o s ) 产品软件包，为快速设 计基于a r m 产品提供了高效率的解决方案。 最后值得指出的是，目前各大公司都在努力降低m c u 的功耗， 并具有灵活的工作电压。这一方面是适应对电磁兼容指标的要求， 另一方面是为适应移动通讯等低电压、低功耗应用场合。为达到这 一目的，不仅再芯片上采取了很多措藏，而且开始采用片上外设接 口的电源智能化管理技术。 各公司生产的产品种类很多，为了适应工业实时控制的需要， 开发出高性能、高速度的单片机，在m c s 一5 1 己开发的的硬软件基础 上本文着重以p h il i p s 的8 0 c 5 1 x a 为对象加以探讨与研究。 2 嵌入式微控制器开发与应用国内外现状 新型的l6 位微控制器是针对工业应用复杂化的要求而设计的， 目前在先进国家各半导体公司都针对不同种类的微控制器研制了相 应的硬、软件开发平台。其主要基于以下四个实现目标： 实时多任务操作系统( r t o s ) ：目前嵌入式应用领域的一个发 展倾向是采用实时多任务操作系统( r e a lt i m e o p e r a t i o ns y s t e m ， r t o s ) ，它体现了一种新的系统设计思想和一个开放的软件框架，工 程师可以在不大变动系统其他任务的情况下增加或去掉一个任务； 一个项目开发的过程中，可以有多个工程师同时进行软件开发，备 现代微控制嚣的开发与应用设计研究第8 页 个人之间只要制定好规程和协议即可，即缩短了开发时间，又降低 了最终软件产品对于具体某个个人开发者的依赖性。为r t o s 设计的 成熟和通用的任务可以以库函数的形式供其他人继续利用，和c 语 言的设计思想一致。因此可以说r t o s 是嵌入式软件的编写从“小生 产方式”进入大“生产方式”的必然产物。 c 语言编译器( cc o m p i l e r ) ：嵌入式系统应用复杂化带来的另 一个要求是c 语言编译器，因其编程效率高，目前国际上c 语言编 译器已经作为标准开发工具供应嵌入式系统工程师。r t o s 根据其代 码所采用的语言不同，一般也是要在c 语言编译器下使用的。 t a s k i n g 、k e i l 、i a r 、p l c 四个公司在此方面做了大量的工作。 实时在线仿真器( i c e ) ：目前高档的仿真器一般可以实现在线 仿真，由专门的s h a d o wr a m 作为目标系统的存储映象，使工程师 在不干扰目标系统全速运行的情况下观察到存储器中数据的实时变 化。n o h a u 公司针对1 9 6 2 9 6 、x a 、c l6 6 、68 h c l6 30 0 等系列m c u ， 开发了e m u l l9 6 2 9 6 、e m u l 5 1 x a 、e m u l l6 6 、e m u l l6 3 0 0 等 仿真器，各种仿真器均采用b o n d o u t 芯片，能够全部实现上述的各 种高级仿真功能。 实现网络开发和远程开发：为了适应信息化、网络化的趋势， 目前一些高档仿真器已经能够实现网络开发和远程开发，远程开发 就是工程师通过其终端及调制解调器或局域网与远地的仿真器建立 联系，仿真嚣通过调制解调器接入网络，实现远地调试和开发。 在诸多公司中，瑞士的0 l l eh a l l e n g r e n 先生在8 0 年代创建的 n o h a u 公司，专门研制生产单片机在线仿真系统，其总部位于美国， 在全世界三十几个国家均有分公司和代理处。n o h a u 公司的产品属 于高性能、高价位的产品，它的产品以其卓越的性能、对单片机品 种的全面覆盏和优秀的技术支持换来了广大用户对它的信赖和对其 价格的接受。 新型的l6 位微控制器特点突出在流水线结构和d s p 处理器大寻 址空间，丰富的片上外设。与其相应的c 语言编译器、仿真器、实 时操作系统以及专家库函数等开发工具构成了个开发16 位单片机 的开发平台，能够提供简单的开发方式用来进行复杂的系统开发。 这种进步也是嵌入式系统开发平台多年技术积累的结果。 由于世界各大著名公司所开发的产品，档次高，价格定位也高， 适用于大型系统的开发，是一种专用的系统开发工具，因而要进行 系统开发的二次投入，不适合我国国情，满足不了广大中小用户的 要求。故尽管嵌入式微控制器功能非常强大、但其并没有在中国得到 现代微控制器的开发与应用设计研究蔓! 夏 广泛的推广。近年来，8 0 5 l 单片机在国内应用领域日益广泛，尤其 是在工业控制领域，硬件、软件扩展技术日见成熟，但早期8 0 5 1 单 片机的运行速度、各项功能还不能满足工业控制的要求，尤其是在 要求高速度的场合，早期8 0 5 1 单片机满足不了工业控制实时控制的 要求，而各公司在不断推出各种新型的18 位高速单片机。p h ih p s 公司推出的8 0 c 5 1 x h 系列单片机是典型代表产品，并且相应推出各 种大型开发产品，但都由于价格昂贵，并且要求用户要增加应用产 品硬件、软件投入，使广大用户望而却步。而工业控制实时控制要 求系统高性能、高速度，但还没有此类的国产产品，作者基于此原 因，着力于这方面的研究，加快1 6 位嵌入式高速单片机在我国的推 广应用。 本系统中，利用8 0 c 5 1 x a 单片机超强的存储扩展能力，建立r a m 存储映象区，以牺牲小部分存储空间来换取时间，达到实现实时在 线仿真、避兔占用- c u 资源、提供方便的仿真开发平台的目的；利 用芯片的高集成技术和系统扩展技术，尽可能多的为用户提供其在 工业控制中所需的各种应用硬件、软件，以减少其应用硬件、软件 成本的再次投入，缩短系统设计周期，满足高效率的社会要求。 2本文的主要研究工作及本课题的发展前景 本文主要研究嵌入式微控制器8 0 c 5 1 x a 开发与应用系统的硬 件、软件设计方法。并对其所涉及的有关问题进行了广泛深入的研 究，具体工作如下： 1 在w i n d o w s 9 5 环境下，利用v is u a lc + + 开发8 0 5 l x a 汇编软 件及其仿真调试操作平台； 2 面向8 0 5 l x a 应用研究，设计仿真主控制板以显示板和键盘 板，并为用户提供尽可能多的硬、软件资源，为方便用户开发多级 多点攒制；提供b i t b u s 网络接口，以便实现工业控制网络系统； 3 在硬件支持基础上，研制相应监控程序： 4 研制b i t b u s 工控网卡并开发相应支持软件满足系统需要； 5 对系统开发进行大嚣的实验并初步应用于实践中。 由于嵌入式单片机种类繁多，选用8 0 5 1 x a 作为开发研究对象， 可以节省大量硬、软件资源。在中国，具有世界上数量最多的嵌入 式系统工程师，单片机的产品化往往是各个行业的专业智慧劳动的 结果，因此在单片机的开发应用领域中，大力推行嵌入式开发规则， 采用先进的开发平台，对我国的固化软件产业的建设和发展，进而 推动嵌入式系统工业进入二十一世纪具有战略意义。 现代微控制器的开发与应用设计研究 第l o 页 1方案的提出 第二章系统概述 在我国，m c s 5 l 系列单片机的应用最为广泛，长期以来开发了 大量的硬件、软件资源，为了使得这些劳动的结晶得以利用选用了 8 05 l x a 作为研究对象。 在程序编写过程中难免发生错误。一些非语法错误在编译过程中 是无法发现的，只有在目标系统上调试才可确定和定位。因此需要一 个性能优良的仿真器来进行调试。当今面向l6 位m c u 的仿真器种 类很多，高中低档都有，连接方式一般通过p c 的串口，并口与仿真 硬件相连。而开发工程师所关心是仿真器的以下两个基本问题： l能否进行实时在线仿真 2 仿真器占用m c u 的资源的多少 不同的仿真器在这几个问题上差别很大。一些仿真器采用通用的 商业芯片作为仿真c p u ，在仿真的同时要处理与p c 机之间的通信 询问，做不到实时仿真，而且还要占用一定的系统资源，如存储器、 中断、i o 和串口。另一些仿真器使用微控制嚣生产厂家提供的专用 仿真芯片( b o n d o u tc h i p ) ，在与市售单片机充分兼容的基础上，通过 若干增加的引脚将芯片内部一些关键信号引到片外在不影响芯片运 行的情况下监浏其运行情况。这样的仿真器可以在不占用系统任何资 源的情况下实现全速或实时仿真。 目前高档的仿真器一般可以实现实时在线仿真，有专用的s h a d o w r a m 作为目标系统存储器的映象，使工程师在不干扰目标系统全速 运行的情况下观察到存储器中数据的实时变化。 本系统面对一般用户，从用户应用角度出发，为用户开发提供一 定的调试手段，并使之本身成为一种应用系统。在尽可能的情况下， 尽量实现实时在线仿真，少占用m c u 资源，在此前提下，选用通用 的商业芯片作为仿真c p u ，通用p c 串口与仿真硬件相连，使之即成 为用户的开发调试工具，又是用户的应用系统，为我国用户使用高速、 高性能单片机提供有利的开发工具和用户目标系统。其结构图如下图 1 1 。 在条件允许下用户可以通过p c 机进行在线仿真调试及离线仿真 调试+ 如现场条件不允许可利用键盘显示系统进行调试。 作为用户仿真系统，用户可以开发出满足其要求的目标系统； 作为用户应用系统，用户则可利用本系统现有资源作为目标系统 现代微控制器的开发与应用设计研究 第1 1 页 b i t b u s 卡通讯 p c 机 图1 1 直接用于应用之中。本系统提供i o 、存储器、a d 及d a 、b i t b u s 通讯接口、键盘显示接臼，以及相应软件资源。 主要实现目标如下： 1 不占用单片机硬件资源，采用单字节软断点( t r a p ) ，实 现草步与断点功能；通过存储器映像电路实现用户现场的保护和恢 复。 2 充分利用8 0 5 l x a 多段存储器的特点，把所需r a m 和i ，o 空间扩展在为一般6 4 k 存储空间内。 3 通过r s 2 3 2 串行口与p c 机联机，在仿真系统软件支持下， 所有汇编链接、调试和e p r o m 固化等过程均在p c 机环境下进行， 简捷高效。 4 外接键盘显示接口，并配备相应监控，可脱机用于现场调 试。 5 可选择不同的目标代码输出格式，以适应各种e p r o m 编程 器编程。 6 完善的动态符号调试功能，在目标代码调试状态下通过反 汇编命令，即可自动显示与源程序基本对应的标号定义和符号地址。 在设置断点、全速运行等命令中可直接使用符号地址，免除了查找绝 对地址的繁琐。 7 可选择p c 机串行口l 或串行口2 作为通信口，通信波特率 在6 0 0 、12 0 0 、2 4 0 0 、48 0 0 、9 6 0 0 范围内选择，从而充分适应不同p c 机类型的兼容性差异。 8 提供常用硬、软件资源。 经大量市场调研和理论论证，并广泛征询用户和相关专家的意 见，在此基础上，进行大量实验，确定了其可行性。 现代微控制器的7 1 ：发与应用设计研究 箔1 2 页 2 硬件组成概述 如图2 1 所示是8 0 c 5 1 x a 开发与应用系统硬件组成框图 p c 机 b i t总线 一 存储l 键盘 器却 一娃m n u r 一 托、制 t i 也 赡 a d 控制t 18 0 c5 lt 叫巡# lv 单元x a电路路 蓖 r s 片 儿 232 j 机总线 上i 一，。 d ，a 接口t 叫驱动 - q 单元 单元 单元 h p o d 仿真头 图2 18 0 c 5 l x a 开发与应用系统硬件组成框图 本系统主要由存储器单元电路、总线控制逻辑电路、总线驱动、 i o 及a d 、d ，a 单元、键盘显示控制单元、b i t b u s 控制单元及r s 2 3 2 接口单元构成。 总线控制逻辑电路主要实现仿真空间地址映象及其提供各种控制 信息。并产生外引仿真信号。这些信号由p o d 插头外引。 总线驱动主要使得外引仿真信号其有足够驱动能力，满足用户扩 展目标系统的需求。 存储器单元电路主要提供程序存储空间存放监控程序，以及提供 仿真存储空间及实现地址映象。 键盘显示控制单元为用户在脱离p c 机状态下提供调试手段，也 可作为用户目标系统的键盘、显示接口资源。 b i t b u s 控制单元为用户实现多点控制统一管提供工业网络接 口。采用4 85 协议，实现远距离通讯。各控制单元通过b i t b u s 构成 网络，与p c 联接通过b i t b u s 板卡实现。 r s 2 3 2 接口单元，在提供单一+ 5 v 电源情况下实现与p c 通讯， 通过该串口进行仿真调试，并为用户预留通讯接口。 i o 、a d 、d ，a 单元为用户预留接口电路。 3软件组成概述 现代微控制器的开发与应用设计研究塑! ! 夏 8 0 c5 l x a 开发与应用系统主要靠p c 机显示屏提供用户界面。用 户通过p c 机向系统装载代码文件，发出各种操作命令，系统向p c 机提供各种状态信息，送回要储存的文件等。p c 机与系统之间通过 r s 23 2 口进行双向串行通信。因此，整个系统应包括两部分：一部分 是p c 机中的调试软件，另一部分是系统仿真器板的监控软件。 1 p c 机调试软件 p c 机调试软件主要包括：源程序编辑软件、汇编软件、反汇编 软件、文件格式提供软件、仿真调试软件等。 源程序编辑软件主要用于实现汇编源程序的建立、修改以及 文件操作。 汇编软件主要用于实现将源程序文件汇编成目标代码文件。 反汇编软件主要用于实现将目标代码文件反汇编成源程序文 件形式。 文件格式转换软件主要用于各种格式文件转换，以适应于各种仿 真器及编程器的需要。 仿真调试软件主要用于实现在线仿真调试，包括静态测试、单步 运行、断点运行、跟踪运行、全速运行等的实现。 2 监控软件 监控软件主要包括主程序模块、命令处理模块及用户软件资源模 块三大部分。 主程序模块主要是实现程序初始化及系统常规事务处理。 命令处理模块主要用于接收来自p c 机或键盘发出的命令。并加 以作相应处理操作。 用户软件资源模块主要提供给用户一些可用于目标系统的软件资 源以缩短软件设计周期。 现代微控制器的开发与应用设计研究第1 4 疆 第三章b i t b u s 通讯 1x 4 5 0 2 5 串行e e p r o m 及看门狗 1 ie e p r o m 及串行访问 一、概述 1 一般说明 x 2 5 0 4 3 4 5 把三种常用的功能：看门狗定时器，电压监控和e 2 p r o m 组合在单个封装之内。这种组合降低了系统成本并减少了对电 路板空间的要求。 看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统。当系统故障 时，在可选的超时周期( t i m e o u ti n t e r v a l ) 之后，x 2 50 4 3 4 5 看门狗 将以页f 罱r e s e t 信号作出响应。用户可从三个预置的值中选择此 周期。一旦选定，即使在电源周期变化之后，此周期也不改变。 利用x 25 0 4 3 4 5 低v c c 检测电路，可以保护系统使之免受低电 压状况的影响。当v c c 降到最小v c c 转换点以下时，系统复位。复 位一直确保到v c c 返回且稳定为止。 x 250 4 3 4 5 的存贮器部分是c m o s 的4 0 9 6 位串行e 2 p r o m ，它 在内部按5 l2 8 来组织。x 2 5 0 4 3 4 5 的特点是具有允许简单的三绒 总线工作的串行外设接口( s e r i a lp e r p h e r a li n t e r f a c e ，s p i ) 和软件 协议。 x 2 5 0 4 3 4 5 利用了x i e o r 公司专有的d i r e c tw r i t e l ”晶片提供最 小为l0 0 ，0 0 0 周期字节的使用期限( e n d u r a n c e ) 和最小为l0 0 年的 数据保存期。 2 特点 可编程的看门狗定时器低v c c 检测 直至v c c = l v 复位信号有效l m h z 时钟速率 5 12 8 位串行e 2 p r o m 一一4 字节页方式 低功耗c m o s 一一l0 a 备用电流一一3 m a 工作电流 27 v 至55 v 电源电压 块锁定( b l o c kl o c k ) 一一保护l 4 ，1 2 或所有e p r o m 阵列 内建偶然性的( 1 n a d v e r t e l l t ) 写保护 现代微控制器的开发与应用设计研究 第1 5 页 一一上电掉电保护电路一一写锁存一一写保护引脚 高可靠性 一使用期限：l 0 0 ，0 0 0 周期字节 一数据保存期：l0 0 年 一e s d 保护：所有引脚2 0 0 0 v bb i 脚小型d i p 封装 8 引线s o l e 封装 14 引线t s s o p x 2 5 0 4 3 = r e s e t 低有效 x 25 0 45 = r e s e t 高有效 3引脚排列与引脚名 芯片选择输入 串行输出 写保护输入 地 d 1 p i s o i c ( x 2 5 0 4 3 1 4 5 ) 18 27 36 45 v c c r e s e t r e s e t s c k s i 电源电压 复位输出 串行时钟输入 串行输入 4引脚说明 串行输出( s o ) s o 是推挽串行数据输出引脚。在读周期内，数据在此引脚上移 出，数据由串行时钟的下降沿同步输出。 串行输入( s i ) s i 是串行数据输入引脚。所有操作码，字节地址以及写入存贮器 的数据在此引脚上输入。数据由串行时钟的上升沿锁存。 串行时钟( s c k ) 串行时钟控制用于数据输入和输出的串行总线定时。操作码，地 址或出现在s i 引脚上的数据在时钟输入的上升沿锁存，而s o 引脚 上的数据在时钟输入的下降沿之后发生改变。 芯片选择( c s ) 当丽为趟电平时，x 2 5 0 4 3 4 5 不被选择，s o 输出引脚处于高阻 状态，除非内部写操作正在进行，否则x 2 5 0 4 3 4 5 将处于备用电源方 式( s t a n d b yp o w e rm o d e ) 。醯为低电平使x 2 5 0 4 3 45 能工作，把它 霞于工作电源方式( a c t i v ep o w e rm o d o ) 。应当注意，在上电之后， 在任何操作开始之前需要丽从高电平至低电平的跳变。 写保护( w p ) 现代微控制器的开发与应用设计研究 第1 6 负 当司 为低电平时，向x 2 5 0 4 3 45 的非易失性写操作被禁止，但 是器件的其它功能仍正常。当碲保持高电平时，所有的功能包括 非易失性写操作都正常。在贡仍为低电平时，w 变为低电平将中 断对x 2 50 4 3 4 5 的写操作。如果内部写周期已经开始，w p 变为低电 平将不影响写操作。 复位( r e s e t ，r e s e t ) x 250 4 3 的司泰骱是低电平有效，漏极开路的输出端，只要v c c 下降至低于最小v c c 检测电平，司醉衙便变为低电平。它将保持低 电平直至v c c 上升到最小v c c 检测电平2 0 0 n ls 为止。如果允许看门 狗定时器工作且c s 保持高电平或低电平的时闯长于看门狗超时周 期那么r e s e t 也变为低电平。c s 的下降沿将复位看门狗定时器。 x 250 45 的r e s e t 是高电平有效，其工作情况类似。 二、工作顾理 x 2 5 0 4 3 4 5 是设计成直接与许多常用微控制器系列的同步串行外 设接口( s p i ) 相接的5 l2 g e 2p r o m 。 x 2 5 0 4 3 4 5 包括一个8 位指令寄存器。它可通过s i 输入来访问， 数据在s c k 的上升沿由时钟同步输入。在整个工作期内，c s 必须是 低电平且霹 输入必须是高电平。x 2 5 0 4 3 4 5 监视总线，如果在预置 的时间周期内没有总线的活动，那么它将提供司酲衙r e s e t 输出。 表l 包括指令及其操作码的列表。所有的指令，地址与数据都以 m s b ( 最高有效位) 在前的方式传送。读和写指令的位3 包含了高地 址位a 8 。 输入的数据在c s 变为低电平之后的s c k 第一个上升沿被采样。 s c k 是静态的，允许用户停止时钟并在其后恢复操作。 表3 1指令集 指令名指令格式操作 w r e n0 0 0 0o 】i o 设置写使能锁存嚣( 允许写操作) w r d l0 0 0 00 10 0 复位写使能锁存器( 禁止写操作) r d s r0 0 0 00 10 l 读状态寄存嚣 w r s r0 0 0 00 0 0 1写状态寄存器( 块锁定位) r e a d0 0 0 0a8 0 1 1 从开始于所选地址的存储器阵列中读出数据 w r i t e0 0 00a8 0 】0 把数据写入开始于所选地址的存储器阵列( 1 至4 字节) 最左边的位置表示指令的最高有效位( m s b ) 。以最高有效位在先的方式 传送指令。 现代微控制器的开发与应用设计研究第1 7 页 1写使能锁存嚣 x 2 5 0 4 3 45 包含一个“写使能”锁存器。在内部完成写操作之前 此锁存器必须被设置( s e t ) 。w r e n 指令可设置锁存器而w r d i 指 令将复位锁存器。在上电情况下和字节，页或状态寄存器写周期完 成之后，该锁存器自动复位。如果w p 变为低电平，锁存器也被复位 2状态寄存器 r d s r 指令提供对状态寄存器的访问。在任何时候都可以读状态 寄存器，即使在写周期也如此。状态寄存器的格式如下 76543210 ixxw d lw d 0b l l b l 0w ew i p 当发出w r e n ，w r d i 和r d s r 命令时，不必发送字节地址或数 据。 “正在写”( w r i t ei np r o c ess ，w i p ) 位表示x 2 5 0 4 3 4 5 是否忙于 写操作。当设置为“1 ”时，写操作正在进行，当设置为“0 ”时， 没有写操作在进行。在写期间，所有其它位全置为“l ”。w i p 位是只 读的。 “写使能锁存”( w r i t ee n a b l el a t c h ，w e l ) 位表示“写使能”锁 存器的状态。当设置为“1 ”时，锁存器置位，当设置为“0 ” 时， 锁存器复位。w e l 位是只读的，它由w r e n 指令置位，由w r d i 指 令或成功地完成了写周期后复位。 块保护( b l o c kp r o t e c t ，b l 0 或b l l ) 位表示所使用的保护范围。 这些非易失性的位由发出w r s r 指令来设置，允许用户选择四种保 护级别之一和对看门狗定时器编程。x 2 5 0 4 3 4 5 分为四个10 2 4 位的 段。可以锁定一个，两个或全部四个段。即，在选定的段内用户可以 读这些段但是不能改变( 写) 数据。用b l l 和b l 0 的状态可以控制 范围的划分，且可说明如下表3 2 表3 2 l状态寄存器位被保护的阵列地 b l lb l 0 址 0o 无 o l$ 18 0 $ lf f los i o o $ if f 1 1$ 0 0 0 $ 1f f 看门狗定时器( w a t c h d o gt i m e r 3 所示那样设置看门狗的超时功能。 指令来设置。 w d 0 和w d l ) 位允许如下表3 这些非易失性的位由发出w r s r 现代微控制器的开发与应用设计研究第1 8 页 表3 3 状态寄存器位看门狗超时周期 iw d lw d 0 ( 典型值) 0o 14 秒 0l 6 0 0 毫秒 1o 2 0 0 毫秒 1l 禁止 3时钟和数据定时 在s i 线上输入的数据在s c k 的上升沿被锁存。数据由s c k 的下 降沿输出到s o 线上。 4读时序 当从e 2 p r o m 存贮器阵列读数据时，首先把c s 拉至低电平以选 择芯片。8 位的读( r e a d ) 指令被发送到x 25 0 4 3 4 5 ，其后是8