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| ??集成開發(fā)環(huán)境概述 ????80年代單片機進入我國，當(dāng)時較有影響的是INTEL的NCS-48系列和Zilog公司的Z80系列，20多年來單片機獲得了飛速的發(fā)展，現(xiàn)在單片機已經(jīng)滲入到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，國防軍事，教育科研等諸多領(lǐng)域，已經(jīng)形成了計算機領(lǐng)域的一個重要分支。 ????單片機的應(yīng)用首先要考慮的是它的開發(fā)平臺，也即我們常說的開發(fā)環(huán)境。由于INTEL公司的MCS-51系列較早進入我國，事實上已形成了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，MCS-51的單片機應(yīng)用場合隨處可見，它的軟件資源相當(dāng)豐富，硬件的支持也很完善，價廉物美的開發(fā)器材隨處可取?，F(xiàn)階段，國內(nèi)的大部分單片機開發(fā)工程技術(shù)人員還是普遍使用匯編語言編寫程序。匯編語言有其缺陷性，但它編寫的代碼最小，最直接，效率也最高，所以還深得用戶接受。但是，它有著固有的缺陷，必須十分了解所用單片機的硬件結(jié)構(gòu)，程序編寫困難，代碼難以理解，不易于識讀，難于移植，排錯困難，編寫程序花的時間相當(dāng)多，調(diào)試不便等等。隨著國內(nèi)單片機開發(fā)環(huán)境的完善，開發(fā)技術(shù)水平不斷提高，現(xiàn)在已有相當(dāng)?shù)拈_發(fā)器材支持高級語言的使用和調(diào)試，為單片機的開發(fā)應(yīng)用提供了更好的物質(zhì)條件。高級語言（如C語言）具有開發(fā)周期短，易于識讀，容易移植，也便于初學(xué)著掌握。誠然，高級語言也有它不足之處，就是高級語言產(chǎn)生的代碼過長（也即研制人員常稱的“廢話太多”），對于早期單片機不大的ROM來說，可是非常突出的矛盾，另外它的運行速度太慢，對于本來主頻不高的單片機是致命的弱點。但現(xiàn)在這方面的研制工作也取得了較大的進展，高級語言的弱點也已被較大的克服，象MCS-51上的C語言的代碼長度，如果未加上人工優(yōu)化條件，也可做到最優(yōu)匯編程序水平的120%—150%，這也相當(dāng)可觀了。可以說相當(dāng)于中等匯編程序員的水平。 ????C語言是可以在高級計算機、個人電腦（PC）和單片機使用的唯一一種高級語言，現(xiàn)在很多類型的單片機已經(jīng)具備了C語言編譯軟件和實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。C語言功能十分強大，可以塑造一種良好的開發(fā)環(huán)境，在一種單片上編制的程序比較容易移植到另一種單片機上。 ????目前的C語言編譯器有很多，常見的有MICRO-C51、American automation、Franklin、Archimedes、BSO/TASKING、Micro computer controls等等。C51 C語言編譯器早在80年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但并非所有的C語言編譯器都產(chǎn)生相應(yīng)單片機的有效源代碼，它們各有所長，下面我們略作簡介。 ????American automation 編譯器通過#asm和endasm預(yù)處理選擇支持匯編語言，匯編速度慢，要求匯編的中間環(huán)節(jié)。 ????Franklin它的前身是Keil，它以代碼緊湊領(lǐng)先，可產(chǎn)生最少的代碼。它支持浮點和長整數(shù)，重入和遞歸。它不提供庫的源代碼，不能生成能匯編的匯編代碼，僅產(chǎn)生混合代碼，只能修改后匯編。若使用匯編語言，必須分開匯編程序，然后手工連接。keil/Franklin專業(yè)級開發(fā)工具PK51，支持DOS話Windows環(huán)境。 ????Archimedes 它的鼻祖是瑞典的IAR，是支持分組開關(guān)（Bank）的編譯器，集成環(huán)境類似于Borland和Turbo，C編譯器可產(chǎn)生一個匯編語言文件，然后再用匯編器。 ????BSO/TASKING 它是一家專業(yè)開發(fā)和銷售嵌入式系統(tǒng)軟件工具的公司。它生產(chǎn)基于Windows的集成開發(fā)環(huán)境、調(diào)試器和交叉模擬器，支持鼠標(biāo)，介面友好。軟件格式符合IntelOMF-51和Intel Hex標(biāo)準(zhǔn)，它的匯編器和Intel匯編器兼容。 ????Micro computer controls 它不支持浮點數(shù)，長整數(shù)，結(jié)構(gòu)和多維數(shù)組，定義不允許有參數(shù)，生成的源文件需由Intel或MCC的8051匯編器匯編。 ?????單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā) ????單片機的應(yīng)用系統(tǒng)隨著其用途不同，其硬件和軟件均不相同，也即單片機的最初的選型都很重要，原則上是選擇高性價比的單片機，硬件軟件化是提供系統(tǒng)性價比的有效方法，盡量減少硬件成本，多用軟件來實現(xiàn)相同的功能，這樣也可大大提高系統(tǒng)的可靠性。 ????雖然單片機的硬件選型不盡相同，軟件編寫也千差萬別，但系統(tǒng)的研制步驟和方法是基本一致的，一般都分為總體設(shè)計、硬件電路的構(gòu)思設(shè)計、軟件的編制和仿真調(diào)試幾個階段，下面我們作簡要介紹。 ????[1].總體設(shè)計 ????·確立功能特性指標(biāo) ????不管是工程控制系統(tǒng)還是智能儀器儀表，都必須先分析和了解項目的總體要求，輸入信號的類型和數(shù)量，輸出控制的對象及數(shù)量，輔助外設(shè)（如傳感器)的種類及要求，使用的環(huán)境及工作的電源要求，產(chǎn)品的成本，可靠性要求和可維護性及經(jīng)濟效益等等因素，必要時可參考同類產(chǎn)品的技術(shù)資料，制定出可行的性能指標(biāo)。 ????·單片機的選型 ????現(xiàn)在的單片機數(shù)量品種繁多，各種專用功能的單片機基本上都有，這給用戶者帶來的好處很多，至少可節(jié)約很多外接擴展器件。單片機的選型很重要，選擇時需考慮其能全部滿足規(guī)定的要求，例如控制速度、精度、控制端口的數(shù)量、驅(qū)動外設(shè)的能力、存儲器的大小，軟件編寫的難易程度、開發(fā)工具的支持程度等等。再如要驅(qū)動LED顯示器，可選用多端口的單片機直接驅(qū)動，還可利用少端口加擴展電路構(gòu)成，這就具體的分析選用何種器件有利于降低成本、電路易于制作、軟件便于編寫等等因素。再有，如果要求驅(qū)動LCD顯示器，也可選用具有直接驅(qū)動LCD的單片機，也可加外接驅(qū)動芯片的辦法。這些要求在應(yīng)用時具體問題具體分析。 ????此外，選擇某種單片機還需考慮貨源是否充足，是否便于批量生產(chǎn)，在考慮性價比的時候同樣需研究易實現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的因素。 ????·軟件的編寫和支持工具 ????單片機的應(yīng)用軟件的設(shè)計與硬件的設(shè)計一樣重要，沒有控制軟件的單片機是毫無用處的，它們緊密聯(lián)系，相輔相成。并且硬件和軟件具有一定的互換性，在應(yīng)用系統(tǒng)中，有些功能既可用硬件來實現(xiàn)，也可以軟件來完成，多利用硬件，可以提高研制速度，減少編制軟件的工作量，爭取時間，爭取商機。誠然這樣會增加產(chǎn)品的單位成本，對于以價格為競爭手段的產(chǎn)品就不宜采用。相反，以軟件代替硬件來完成一些功能，最直觀的是降低成本，提高可靠性，增加技術(shù)難度而給仿制者增加仿制難度，這是好的一面，不利的一面是同時也增加了系統(tǒng)軟件的復(fù)雜性，軟件的編制工作量大，研制周期可能會加長，同時系統(tǒng)運行的速度可能也會降低等。因此在總體考慮時，必須綜合分析以上因素，合理地制定某些功能硬件和軟件的比例。 ????不同的單片機甚至同一公司的單片機它們的開發(fā)工具不一定相同或不完全相同，這就要求在選擇單片機時，需考慮開發(fā)工具的因素，原則上是以最少的開發(fā)投資滿足某一項目的研制過程，最好是使用現(xiàn)有的開發(fā)工具或增加少量的輔助器材就可達(dá)到目的的。當(dāng)然，開發(fā)工具是一次性投資，而形成產(chǎn)品卻是長遠(yuǎn)的效益，這就需平衡產(chǎn)品和開發(fā)工具的經(jīng)濟性和效益性。 |
| ????[2].硬件電路設(shè)計 ????總體設(shè)計中確立的功能特性要求，確定單片機的型號，所需外圍擴展芯片、存儲器、I/O電路、驅(qū)動電路、可能還有A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路以及其它模擬電路，設(shè)計出應(yīng)用系統(tǒng)的電路原理圖。 ????·程序存儲器 ????隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在可用作程序存儲器的類型相當(dāng)多，各大半導(dǎo)體公司都推出了一系列程序存儲器，象EPROM、EEPROM、FLASH存儲器以及OTP存儲器等等。這些存儲器各有特點，互有所長。EEPROM和FLASH適合于多次擦寫的場合，最適于開發(fā)調(diào)試階段，當(dāng)然它們的價格也稍比其他的高些。對于批量生產(chǎn)已成熟的應(yīng)用系統(tǒng)最好選用EPROM和OTP的存儲器，最主要的原因是它們的價格稍低，對降低產(chǎn)品的成本是相對有利的。 ????值得一提的是，現(xiàn)在的單片機普遍都帶有程序存儲器，容量也分有不同的等級，從幾百字節(jié)到幾百kB都有，這為它們的應(yīng)用提供了更為廣闊的前景。而且這些單片機價格也貴不了多少，同時，這些內(nèi)置ROM的單片機基本上均可實現(xiàn)軟硬件的程序加密，為保護自己的知識產(chǎn)權(quán)提供了強有力的措施，所以這些單片機深得用戶喜愛，可以說這類單片機逐漸成為市場的主流產(chǎn)品。 ????·數(shù)據(jù)存儲器 ????現(xiàn)在的單片機基本上都帶內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）的，從幾十字節(jié)到幾KB字節(jié)都有，對于數(shù)據(jù)存儲器容量的要求，各個系統(tǒng)之間差別很大，要求也不盡相同，象8051/52系列的單片機片內(nèi)置有128和256字節(jié)的RAM，這對于一般中小型應(yīng)用系統(tǒng)（如實時控制系統(tǒng)和智能儀器儀表）已能滿足要求。對于RAM的容量要求稍大一點，可采用外擴芯片8155這樣的芯片，8155可同時擴充數(shù)量更多的I/O口線。如果是數(shù)據(jù)采集對RAM容量要求較大的系統(tǒng)則需要采用更大容量的數(shù)據(jù)存儲器，當(dāng)然，外擴的RAM也以盡可能少的芯片為原則。 ????·單片機的系統(tǒng)總線 ????8051總共有32個I/O口，如果使用內(nèi)置程序存儲器的芯片，可用于作I/O口線的就較多，一般均可滿足要求。但如需外接ROM和RAM，P0口為標(biāo)準(zhǔn)的雙向數(shù)據(jù)/地址總線口，P2為高8位地址總線口，即使高8位的地址總線口沒有完全使用，余下的I/O口也不能當(dāng)作它用，否則編程將相當(dāng)麻煩。這樣8051能作I/O的端口只有16個。此外，P3口它的中斷功能更為重要，一般在使用中都用作中斷處理，剩下的也只有P1口，這8個I/O口就顯得相當(dāng)寶貴。 ????P0和P2口作數(shù)據(jù)和地址總線，一般可驅(qū)動數(shù)個外接芯片（視外接芯片要求的驅(qū)動電流而異），也即P0和P2口的驅(qū)動能力還是有限的，P0口為LSTTL電路，P2口為4個LSTTL電路，如果外接的芯片過多，負(fù)載過重，系統(tǒng)將可能不能正常工作，此時必須加接緩沖驅(qū)動器予以解決。圖2為使用74LS244和74LS245三態(tài)緩沖驅(qū)動器的應(yīng)用電路。供使用時參考。 ????·I/O接口 ????現(xiàn)在的單片機系列中普遍都有多I/O口的型號，對I/O口的使用應(yīng)從其功能和驅(qū)動能力上加以考慮，對于僅需增加少量的I/O口，最好是選用價格低廉的TTL或CMOS電路擴展即可，這樣也可提高單片機口線的利用率。對于需擴展更多的I/O口，則可選用標(biāo)準(zhǔn)的I/O口擴展芯片8155、8255和8279等芯片，這些芯片接口電路簡單，編程方便，使用靈活，價格適中。 ????·A/D和D/A轉(zhuǎn)換器 ????現(xiàn)在可使用的A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)量繁多，品種齊全，各種分辨率、精度及速度的芯片應(yīng)有盡有。最著名的是美國的模擬數(shù)字器件公司（Analog）的一系列轉(zhuǎn)換器，此外還有MOTOROLA和MAXIM公司等，這給使用提供了很多便利的條件。還有一種趨勢大家都已看到，即現(xiàn)在的各大單片機生產(chǎn)廠商都推出了內(nèi)帶A/D轉(zhuǎn)換器的單片機，這樣的芯片性價比一般都較高。由于A/D或D/A轉(zhuǎn)換器與單片機沒有外部連線，工作也更可靠，體積更小。對轉(zhuǎn)換器的控制均可使用軟件的方法實現(xiàn)，使用十分方便，如果能滿足要求，建議首選這樣的機型，而不要外掛轉(zhuǎn)換器件。當(dāng)然內(nèi)置轉(zhuǎn)換器的單片機，轉(zhuǎn)換器一般都在12位以下，對那些有更高要求的應(yīng)用系統(tǒng)，也只能外接轉(zhuǎn)換器芯片。 |
| [3].軟件設(shè)計 ?????系統(tǒng)資源 ????在單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)中，軟件的設(shè)計是最復(fù)雜和困難的，大部分情況下工作量都較大，特別是對那些控制系統(tǒng)比較復(fù)雜的情況。如果是機電一體化的設(shè)計人員，往往需要同時考慮單片機的軟硬件資源分配。軟件設(shè)計一般可按如下步驟進行，設(shè)計流程圖可口參見圖2。 ????在考慮一個應(yīng)用工程項目時就需先分析該系統(tǒng)完成的任務(wù)，明確軟硬件個承擔(dān)哪些工作，有時，實際上這種情況很多，就是一些任務(wù)可用軟件完成，也可以用硬件構(gòu)成，還需考慮采用軟件或硬件它們優(yōu)勢，一般均以最優(yōu)的方案為首選。象虛定義各輸入/輸出（I/O）的功能、數(shù)據(jù)的傳輸交換形式、與外部設(shè)備接口及它們的地址分配、程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的使用區(qū)域、主程序子程序使用的空間、顯示（如有的話）等數(shù)據(jù)暫存區(qū)的選擇、堆棧區(qū)的開辟等等因素。 |
| ?????程序結(jié)構(gòu) ????一個優(yōu)秀的單片機程序設(shè)計人員，設(shè)計的軟件程序結(jié)構(gòu)是合理、緊湊和高效的。同一種任務(wù)，有時用主程序完成是合理的，但有時需子程序執(zhí)行效率最高，占用CPU資源最少。一些要求不高的中斷任務(wù)或單片機的速度足夠高，可以使用程序掃描查詢也可以用中斷申請執(zhí)行，這也要具體的問題具體分析。對于多中斷系統(tǒng)，但它們存在矛盾時，需區(qū)分輕重緩急，主要和次要的區(qū)別對待。并適當(dāng)?shù)厥跈?quán)予不同的中斷優(yōu)先級別。 ????在單片機的軟件設(shè)計中，任務(wù)可能也很多，程序量很大，是否意味著程序也按部就班從頭到尾編寫下去呢？答案是否定的，在這種情況下一般都需把程序分成若干個功能獨立的模塊，這也是軟件設(shè)計中常用的方法，這也即俗稱的“化整為零”的方法。理論和實踐都證明，這種方法是行之有效的。這樣可以分階段地對單個模塊進行設(shè)計和調(diào)試，一般情況下單個模塊利用仿真工具即可將它們調(diào)試好，最后再將它們有機的聯(lián)系起來，構(gòu)成一個完整的控制程序，并對它們進行聯(lián)合調(diào)試即可。 ????對于復(fù)雜的多任務(wù)實時控制系統(tǒng)，要處理的數(shù)據(jù)就非常龐大，同時又要求對多個控制對象進行實時控制，要求對各控制對象的實時數(shù)據(jù)進行快速的處理和響應(yīng)，這對系統(tǒng)的實時性、“并行性”提出了更高的要求。這種情況下一般要求采用實在時地任務(wù)操作系統(tǒng)，并要求這個系統(tǒng)具備優(yōu)良的實時控制能力。 ?????數(shù)學(xué)模型 ????一個控制系統(tǒng)的研制，明確了它們需完成的任務(wù)，那么擺在設(shè)計人員面前的就是一堆需要協(xié)調(diào)解決的問題了，這是設(shè)計人員必須進一步分析各輸入輸出變量的數(shù)學(xué)關(guān)系，也即建立數(shù)學(xué)模型，這個步驟對一般較復(fù)雜的控制系統(tǒng)是必不可少的，而且不同的控制系統(tǒng)，它們的數(shù)學(xué)模型也不盡相同。 ????在很多控制系統(tǒng)中都需要對外部的數(shù)據(jù)進行采集取樣、處理加工、補償校正和控制輸出。外部數(shù)據(jù)可能是數(shù)字量也可能是模擬量，對于模擬量的輸入，則通過傳感器件進行采樣，由單片機進行分析處理后輸出，輸出的方式很多，可以顯示、打印或終端控制，從模擬量的采樣到輸出的諸多環(huán)節(jié)，這些信號都可能會“失真”——即產(chǎn)生非線性誤差，這些都需要單片機進行補償、校正和預(yù)加重，才能保證輸出量達(dá)到我們所要求的誤差范圍。 ????現(xiàn)階段8位單片機仍是主流，對于復(fù)雜參數(shù)的計算，例如非線性數(shù)據(jù)、對數(shù)、指數(shù)、三角函數(shù)、微積分運算，如使用PC機（32位）的軟件編程相對簡單，并且具有大量的應(yīng)用軟件可利用。但單片機要用匯編語言完成這樣的運算，程序結(jié)構(gòu)是很復(fù)雜的，程序編寫也較困難，甚至難以建立數(shù)學(xué)模型，解決這個問題，常用的方法多半采用查表法實現(xiàn)之。查表法即事先將測試和計算的數(shù)據(jù)按一定規(guī)律編制成表格，并存于存儲器中，CPU根據(jù)被測參數(shù)值和近似值查出最終所需的結(jié)果。查表法是一種行之有效的方法，它可對輸入?yún)?shù)進行補償校正，計算和轉(zhuǎn)換。程序編制簡單，將復(fù)雜的數(shù)值運算簡化為簡單的數(shù)據(jù)輸出的好辦法，常被設(shè)計人員采用。 ????值得一提的是，現(xiàn)行的單片機，大多數(shù)的單片機都具有查表指令，這給軟件設(shè)計提供了技術(shù)條件。 ?????程序流程 ????較復(fù)雜的控制系統(tǒng)一般都需要繪制一份程序流程圖，可以這樣說它是程序編制的綱領(lǐng)性文件，可以有效地知道程序的編寫。當(dāng)然，程序設(shè)計伊始，流程圖不可能盡善盡美，在編制過程中仍需進行修改和完善，認(rèn)真地繪制程序流程圖，可以起到事倍功半的效果。 |
| ????流程圖就是根據(jù)系統(tǒng)功能的要求及操作過程，列出主要的各功能模塊，復(fù)雜程序程序流向多變，需要在初始化時設(shè)置各種標(biāo)志，程序根據(jù)重些標(biāo)志控制程序的流向。當(dāng)系統(tǒng)中各功能模塊的狀態(tài)改變時，只須修改相應(yīng)的標(biāo)志即可，無須具體地管理狀態(tài)變化對其他模塊的影響，這些需要在繪制流程圖時，清晰地標(biāo)識出程序流程中各標(biāo)志的功能。 ?????編制程序 ????上述的工作做好了，就可以開始編制程序了，程序編寫時，首先需對用到的參數(shù)進行定義，和標(biāo)號的定義一樣，使用的字符必須易于理解，可以使用英文單詞和漢語拼音的縮寫形式，這對今后自己的辨讀和排錯都是有好處的。然后初始化各特殊功能寄存器的狀態(tài)，中斷口的地址區(qū)定義，數(shù)據(jù)存儲區(qū)的安排，根據(jù)系統(tǒng)的具體情況，估算中斷、子程序的使用情況，預(yù)留出堆棧區(qū)，和需要的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，接下來就開始編寫程序了。 ????現(xiàn)在的單片機程序還是以匯編語言為主，因為它以簡潔、直觀、緊湊仍被設(shè)計人員樂于接受。高級語言（如C語言）也在單片機設(shè)計中發(fā)揮越來越重要的角色，性能也越來越好，但不管是使用何種語言，最終還是需要匯編成機器語言，調(diào)試正常后，通過燒錄器固化到單片機或ROM中。至此，程序編寫即告完成。 ?????CodeCruiser for EasyPack51集成開發(fā)環(huán)境 |
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