第7章 单片机应用系统

P A N
20102010-9-23
单片机原理与应用
第7章 单片机应用系统开发 章
3. RAM资源分配 资源分配 RAM分为片内RAM和片外RAM。片外RAM的容量比 较大，通常用来存放批量大的数据，如采样结果数据；片 内RAM容量较少，尽可能重叠使用，数据暂存区与显示、 打印缓冲区重叠。 对于MCS-51单片机来说，片内RAM是指00H～7FH单 元，这128个单元的功能并不完全相同，分配时应注意发 挥各自的特点，做到物尽其用。
第7章 单片机应用系统开发 章
2. 仿真器的选择 仿真器功能越强，程序调试效率就越高，理想的单片机开发系统必 须具有如下功能： (1) 不占用硬件资源。一些低档的MCS-51仿真器（仿真头）只能 将P0、P2口作为总线使用，不能作为I/O口使用。 (2) 随机浏览、修改内部RAM、特殊功能寄存器内容。 (3) 浏览、编辑程序存储器各存储单元内容。 (4) 随机修改程序计数器PC的值。 (5) 浏览、修改外部RAM单元内容。 (6) 具备连续、单步、跟踪执行功能，以方便程序的调试。 (7) 灵活、方便的断点设置和取消功能。断点数目最好没有限制， 以方便程序调试。
第7章 单片机应用系统开发 章
7.1.2硬件设计
硬件设计的任务是根据总体设计要求，在所选定的单片机类型 的基础上，具体确定系统中所用的元器件及系统构成方式，设计出 系统的电路原理图，必要时做一些部件实验，以验证电路图的正确 性、可靠性。当然也包括工艺结构设计、印制板设计等。 1. 元器件选择原则 2. 系统构成方式选择 3. 系统硬件电路设计原则 4. 印制电路板设计
P A N
20102010-9-23
单源自文库机原理与应用
第7章 单片机应用系统开发 章
2. 程序存储器资源分配 片内ROM存储器用于存放程序和数据表格。按照MCS51单片机的复位及中断入口的规定，002FH以前的地址单 元都作为中断、复位入口地址区。在这些单元中一般都设 置了转移指令，转移到相应的中断服务程序或复位启动程 序。当程序存储器中存放的功能程序及子程序数量较多时， 应尽可能为它们设置入口地址表。一般的常数、表格集中 设置表格区。二次开发扩展区应尽可能放在高位地址区。
P A N
20102010-9-23
单片机原理与应用
第7章 单片机应用系统开发 章
1. I/O引脚资源分配 引脚资源分配
单片机芯片各I/O引脚功能不完全相同，如部分引脚具 有第二输入/输出功能；各I/O引脚输出级电路结构不尽相 同，如8XC5X的P0口采用漏极开路输出方式，而P1～P3 口采用准双向结构。此外，在87LPC76X系列中，P1.5引 脚只能作为输入引脚使用。因此，在分配I/O引脚时，需 要认真对待。
单片机原理与应用
7.1单片机应用系统开发过程
单片机应用系 统的开发过程包括 总体设计、硬件设 计、软件设计、仿 真调试、可靠性实 验和产品化等几个 阶段，但各阶段不 是绝对分开的，有 时是交叉进行的。 图8-1描述了单片 机应用系统开发的 一般过程。
图7-1 单片机应用系统开发过程
第7章 单片机应用系统开发 章
P A N
20102010-9-23
单片机原理与应用
第7章 单片机应用系统开发 章
2. 选择单片机类型
一般来说，在选择单片机类型时，主要综合考虑以下几个问题： (1) 货源充足、稳定 所选单片机芯片在国内元器件市场上货源要稳定、充足，且有成 熟的开发设备。 (2) 性价比要高 在保证性能指标情况下，所用芯片价格要尽可能低，使系统有较 高的性价比。 (3) 研制周期 在研制任务重、时间紧的情况下，应考虑采用自己比较熟悉的系 列，这样可以较快地进行系统设计。最好选择用户广泛、技术成熟 、性能稳定而自己又熟悉的系列、型号。
P A N
20102010-9-23
单片机原理与应用
3. 关键器件的选择
在选定单片机类型后，通常还要对一些严重影响系统性能指标 的器件（如传感器等）进行选择。例如，一个设计合理的测控系统 往往因传感器件的精度或使用条件等因素的限制而达不到应有的效 果。
4. 软硬件功能划分
同一般的计算机系统一样，单片机应用系统的软件和硬件在逻辑功能上是等效的。 具有相同功能的单片机应用系统，其软硬件功能可以在很宽的范围内变化。一些 硬件电路的功能可以由软件来实现，反之亦然。例如，系统日历时钟可以用实时 时钟／日历芯片（如MC146818、PCF8563），也可以用定时中断方式实现；又 如无线或红外解码电路，既可由PT2272解码器完成，也可以通过软件定时方式实 现。在应用中，系统的软、硬件功能划分要根据系统要求而定，多用硬件来实现 一些功能，可以提高系统反应速度、减少存储容量和软件开发的工作量，但会增 加硬件成本、降低硬件的利用率，使系统的灵活性与适应性变差。相反，若用软 件来实现某些硬件功能，可以节省硬件开支，增强灵活性和适应性，但反应速度 会下降。软件设计费用和所需存储器容量要增加。在总体设计时，必须权衡利弊， 仔细划分好硬件和软件的功能。
P A N
20102010-9-23
单片机原理与应用
第7章 单片机应用系统开发 章
7.1.3资源分配
一个单片机应用系统所拥有的硬件资源分片内和片外两部分。片内 资源是指单片机本身所包含的中央处理器、程序存储器、数据存储 器、定时器／计数器、中断源、I/O接口以及串行通信接口等。这部 分硬件资源的种类和数量，不同公司不同类型的单片机之间差别很 大，当设计人员选定某种型号的单片机进行系统设计时，应充分利 用片内的各种硬件资源。但若在应用中，片内的这些硬件资源不够 使用，就需要在片外加以扩展。通过系统扩展，单片机应用系统具 有了更多的硬件资源，因而有了更强的功能。 由于定时器/计数器、中断源等资源的分配比较容易，下面主要介绍 ROM资源和RAM资源的分配。
P A N
20102010-9-23
单片机原理与应用
7.2单片机开发工具及选择
7.2.1仿真器
1. 仿真器种类 单片机仿真器也称为单片机仿真开发器，是单片机开发的重要工具，种类很多。 根据使用的仿真技术，可将仿真器分为HOOKS仿真器和Bondout仿真器两大类。 基于Bondout仿真技术的仿真器使用专门设计的仿真芯片，能真实地仿真某一特 定厂家、系列的单片机芯片——不占用硬件资源、仿真频率高。 但这类仿真器的缺点是通用性差，某一专用的仿真芯片只能仿真某一系列的单 片机CPU，价格高，开发设备更新换代速度慢——新单片机CPU出现后，开发商 才会根据市场需要设计配套的仿真芯片。 HOOKS 仿真技术由Philips公司开发，该技术的核心是通过分时复用I/O引脚方 式来重构MCS-51系列CPU的P0、P2口，使支持HOOKS技术的MCS-51芯片进入 HOOKS仿真状态后，通过硬件将复用的P0、P2口扩展为独立的仿真总线及用户 P0、P2口。 该方法的优点是无须专用的仿真芯片，如用普通的51系列即可进行相同芯片（ 或硬件资源兼容芯片）仿真，因此成本低，只要实时加入新型CPU数据资料，换 上相应CPU即可仿真新的CPU，仿真开发设备更新速度快，投入少。但HOOKS 仿真器通过硬件、软件模拟MCS-51系列芯片的P0、P2口，与实际CPU的P0、P2 口尚有区别（如I/O负载能力），仿真频率也不能太高。
20102010-9-23 单片机原理与应用
第7章 单片机应用系统开发 章
7.3.1硬件可靠性设计
在单片机应用系统硬件设计时，常采用的一些可靠性措施有： 1. 提高元器件的可靠性 在系统硬件设计和加工时，应选用质量好的接插件，并设计好工艺结构；选用 合格的元器件，并进行严格的测试、筛选和老化；设计时技术参数（如负载）留 有一定的余量或降额使用元器件；提高印制板和组装的质量。 2. 冗余与容错设计 要保证单片机应用系统100%无故障是不可能的，容错是指当系统的某个部件 发生故障时，系统仍能完全正常的工作，即给系统增加了容忍故障的能力。为了 使系统具有容错能力，必须在系统中增加适当的冗余单元，以保证当某个部件发 生故障时能由冗余部件接替其工作，原部件修复后再恢复出错前的状态。硬件冗 余设计可以在元件级、子系统级或系统级上进行。例如，在系统级上可采用双机 系统，两套系统可互为备用地工作。 3. 采用抗干扰措施 来自供电系统以及通过导线传输、电磁耦合等产生的电磁干扰信号，是单片机 系统工作不稳定的重要因素，在系统硬件设计时必须采取有效的干扰抑制措施， 有关内容详见7.3.3节。
P A N
20102010-9-23
单片机原理与应用
第7章 单片机应用系统开发 章
(8) 开发系统提供的汇编器（仿真开发软件）必须具备如下功能： 源程序编辑操作方式与用户熟悉的通用字处理软件，如Word相同或相近。 方便、灵活的查找和定位功能，以便迅速找到源程序中特定字符串（如标号 、变量、操作码或操作数助记符）。WAVE系列开发系统附带的编辑器的查找定 位功能就很有特色，如将光标移到源程序内任一字符串后，执行“查找”命令， 光标下的字符串就自动出现在查找对话框内的“查找”文本盒里，无须重新输入 查找字符串，不仅提高了效率，也减少了输入过程中的错漏。 (9) 汇编器（仿真开发软件）应具备一定的容错能力。由于MCS-51汇编语言 指令助记符与Intel X86通用CPU相似，因此编辑源程序时，可能将MCS-51指令系 统的“ANL”（与运算操作助记符）写成“AND”，“ORL”（或运算操作助记符 ）写成“OR”，“XRL”（异或运算操作助记符）写成“XOR”；又如将“PUSH Acc”指令写成“PUSH A”，“POP Acc”指令写成“POP A”、“DJNZ ACC, LOOP”指令写成“DJNZ A, LOOP”等。这样的错误汇编程序应该能够理解。 (10) 设计良好的汇编器，允许将LJMP、SJMP指令统一写做JMP指令，汇编时 根据目标地址远近，自动翻译为SJMP和LJMP。 (11) 汇编器最好支持“条件汇编”和“过程汇编”伪指令，这对于程序设计、 编写将非常方便。 (12) 除了支持A51汇编语言外，最好支持C语言。
第7章 单片机应用系统开发 章
第7章 单片机应用系统开发
由于单片机应用系统种类繁多，技术要 求及指标各不相同，因此设计方案、设计步 骤、开发过程不完全相同，但也存在着一些 共性问题。本章针对大多数应用场合，介绍 单片机应用系统的一般开发过程和软硬件设 计的基本方法。
P A N
20102010-9-23
P A N
20102010-9-23
单片机原理与应用
7.2.2 其他工具
1. 逻辑笔 逻辑笔主要用于判别电路中某点的电平状态（高电平、低电平 ，还是脉冲），是数字电路系统常用的检测工具。 2. 万用表（数字或指针式） 万用表（数字或指针式） 万用表是最基本的电子测量工具，主要用于测量电路系统中各 节点间电压或各节点对地电压，电路中两点通断，判别元器件的好 坏。 3. 通用编程器 由于目前内置OTP ROM、Flash ROM存储器芯片的单片机CPU已 成为主流芯片，程序调试结束后，需要在编程器上将调试好的程序 代码写入CPU内的程序存储器中。 4. IC插座 插座 在单片机开发过程中，可能需要各种规格的IC插座。例如当遇到 目标板上CPU插座周围的元器件，如电解电容、晶振等太高，妨碍 仿真头插入时，可使用一到两块IC插座抬高CPU插座，以方便仿真 头的插入。
第7章 单片机应用系统开发 章
7.3 系统可靠性设计
由于单片机芯片主要应用于工业控制、智能化仪器仪表和家用电 器，因此，对单片机应用系统的可靠性提出了更高的要求。 导致计算机系统出错，不可靠是由于电磁干扰、电源电压及温度 波动、环境湿度大等原因使程序计数器PC“走飞”或内部RAM及寄 存器数据出错。 程序计数器PC“走飞”会导致： (1) PC“走飞”，跳过部分程序段，如果跳过的部分正好是接收 输入数据，则将造成随后的数据处理不正常。 (2) 拆分多字节指令，即将一条指令的操作数部分当指令码执行 ，如果这一“指令码”属于多字节指令，又继续拆分了一指令，即 把下一指令的操作码作为操作数。 (3) 跳到数据区，把数据当指令执行。 P A N
7.1.1 总体设计
设计人员在接到某项单片机应用系统的研制任务后，一般先进 行总体设计。总体设计包括以下内容：
1. 理解系统功能和技术指标
设计人员在接到某项单片机应用系统的研制任务后，先对用户 提出的任务进行深入细致的分析和研究，参考国内外同类或相关产 品的有关资料、标准，根据系统的工作环境、具体用途、功能和技 术指标，拟定出性能／价格比最高的一套方案，这是系统设计的依 据和出发点，也是决定系统设计是否成功的关键。