STC Monitor-51的单片机在线仿真调试
摘要：51内核单片机在线仿真调试是一种取代专业仿真器的有效手段。利用ISP/IAP方法和STC Monitor-51监控程序，以及单片机集成开发环境Keil C51的在线仿真功能的支持，STC公司的IAP15F2K61S2单片机实现了在线仿真调试功能，为单片机教学和应用开发提供了一条新的途径。
引言
当今很多院校中，单片机的教学仍以经典的51内核单片机为主。其实验与应用开发中最重要的环节是软、硬件综合调试，通常采用的方法主要有两种：一种是使用仿真器，优点是功能齐全，但是价格较高，一般厂家研发采用;另一种是使用软件仿真和芯片直接烧写验证的方法，其成本虽然低，但在程序或硬件出现疑难问题时，很难找到原因。
实际上，还有一种成本低且具有在线仿真调试功能的技术是在线仿真调试，它特别适合初学者。“在线仿真调试”是指：通过Keil C51编译器，结合单片机中的监控程序，对系统的应用程序和硬件进行仿真调试，可以让单片机以单步、断点、全速等运行模式来执行程序。在线仿真调试是单片机应用开发过程中的高效方法，国内STC公司的51内核单片机IAP15F2K61S2便具有在线仿真调试功能。
1 在线仿真调试概述
Keil C51编译器开放了调试器与目标芯片的接口，只要芯片厂商提供自己特有的驱动程序(动态链接库DLL)，就能使Keil调试器在不改变图形界面的情况下支持相应的硬件仿真调试。
STC Monitor-51是STC公司开发的内嵌Keil C51编译器的目标系统调试模块，它是一个实时监控程序，可利用PC机的USB口与目标端进行通信。在线仿真调试系统的结构示意图如图1所示。
PC机端由Keil调试器和STC Monitor-51的驱动程序stcmon51.DLL组成，stcmon51.DLL是STC公司自主开发的Keil仿真驱动协议，功能相比于 Keil自带的Mon51.DLL有较大的突破，例如：更改通信接口为真正的USB口，支持Keil Flash Download功能，支持软件复位，增加断点数量等。目标端由USB转串口芯片CH340、51内核单片机及STC Monoitor-51监控程序组成。Keil调试器将用户的调试指令通过PC机的USB口传送给目标端;目标端的USB转串口芯片将其转换为TTL电平后发送给单片机，最后由单片机中驻留的STC Monitor-51监控程序分析并执行。
2 在线仿真调试实现
2.1 IAP15F2K61S2的存储器结构
STC Monitor-51具有载入并执行用户程序的功能，所以要求单片机的程序存储器为Flash ROM，并具有ISP功能。ISP(In System Programming，在系统编程)指电路板上器件不用取出，就可以写入用户代码，已经编程的芯片也可以用ISP方式擦除或再编程。
IAP15F2K61S2单片机的程序存储器与数据存储器是独立编址的。IAP15F2K61S2单片机内部在物理上有4个相互独立的存储器空间;程序存储器(程序Flash)、片内基本RAM、片内扩展RAM与EEPROM(数据Flash)。IAP15F2K61S2单片机片内集成了61 KB的程序Flash存储器，其地址为0000H～F3FFH。用户可以使用的最大程序空间为55 KB，整个程序Flash存储器的分布图如图2所示。
很多单片机在出厂时已经将具有Boot loader功能的程序固化在系统区中，因此无需编程器就可通过ISP下载软件将用户程序下载到Flash ROM中。STC公司的单片机可以进行ISP串行下载程序，就是因为系统区中有芯片出厂时就已经固化的ISP引导码。如果想要下载应用程序至单片机，先要在下载软件界面上进行相应选择，然后再上电，当单片机检测到上位机中有特定的下载条件时，便启用ISP下载功能将程序下载至用户程序区;否则，单片机便会从用户应用程序区中开始执行代码。
STC公司的最新ISP下载软件stc-isp-15xx-v6.77.exe还可以将STC Monoitor-51监控程序下载到监控程序区，从而实现在线仿真调试功能。
2.2 IAP15F2K61S2的ISP和IAP实现
在线仿真调试功能的实现依赖于用户系统内部的监控程序和PC机上的下载程序。其具体实现主要利用IAP(In Applicatin Programming，在应用编程)技术，即在程序运行时程序存储器可由程序自身进行擦写。IAP15F2K61S2单片机的IAP功能，与以下几个特殊功能寄存器有关。
IAP_DATA：ISP/IAP数据寄存器，从Flash读出的数据放在此处，写入Flash的数据也需放在此处。
IAP_ADDRH：ISP/IAP地址寄存器高8位。
IAP_ADDRL：ISP/IAP地址寄存器低8位。
IAP_CMD：ISP/IAP命令寄存器，须IAP_TRIG触发方可生效。
IAP_TRIG：ISP/IAP命令触发寄存器。
IAP_CONTR：ISP/IAP控制寄存器。
当IAPEN(IAP_CONTR.7)=1时，只有对IAP_TRIG先写入0x5A、再写入0xA5，ISP/IAP命令才会生效。
ISP/IAP操作完成后，IAP命令寄存器、IAP地址高8位地址寄存器和低8位地址寄存器的内容都不变。如果需要对下一个地址的数据进行 ISP/IAP操作，则要手动将该地址的高8位和低8位对应写入地址寄存器中。每次进行IAP操作时，都要对IAP_TRIG先写入0x5A，再写入 0xA5，ISP/IAP命令才会生效。
ISP/IAP命令寄存器IAP_CMD的格式如表1所列。通过对命令寄存器IAP_CMD的MS1和MS0位进行赋值，可以实现相应功能。
IAP15F2K61S2程序在用户应用程序区时，不仅可以对数据Flash区(EEPROM)进行字节读、字节编程和扇区擦除，而且可以修改用户应用程序区。扇区擦除程序示意性代码如下所示，其他ISP/IAP操作类似。
IAP_ADDRH=EE_address/256; //送扇区地址高字节(地址需要改变时才需重新送地址)
IAP_ADDRL=EE_address%256; //送扇区地址低字节(512字节/扇区)
IAP_CONTR=0xS0; //设置等待时间，允许ISP/IAP操作，送一次就够
IAP_CMD=3; //送扇区擦除命令，命令不需改变时，不需重新送命令
IAP_TRIG=0x5A;
IAP_TRIG=0xA5; //ISP/IAP触发命令
2.3 监控程序
为配合Keil调试器的硬件仿真调试，监控程序应具备相应的单步、断点设置、ID读取等功能。仿真开始时，监控程序接收命令，判断相应的功能操作，再执行。STCMonoit or-51监控程序只能在程序中给定点处监测，调试时需要占用程序空间，属于一种侵入式的调试，其工作流程如图3所示。
2.4 IAP15F2K61S2在线仿真调试过程
以前的51内核单片机在线仿真调试时，需要根据硬件结构，修改应用程序和Keil C51集成开发环境的参数，初学者不易掌握，从而影响普及推广。STC公司的IAP15F2K61S2是十分易用的在线仿真调试芯片，只需利用最新ISP 下载软件stc-isp-15xx-v6.77.exe，将监控程序下载到单片机中，就可轻松地实现在线仿真调试功能。IAP15F2K61S2线仿真调试过程如下。
2.4.1 安装仿真驱动
运行ISP下载软件stc-isp-15xx-v6.77.exe，在“Keil仿真设置”页面中单击“添加MCU型号到Keil中”按钮，在出现的目录选择窗口中，确定到Keil的安装目录(一般可能为“C：Keil”)。添加头文件的同时也会安装STC的STC Monitor-51仿真驱动stcmon51.DLL。
2.4.2 创建仿真芯片
将一颗IAP15F2KG1S2通过目标板连接到电脑的USB口，然后在“Keil仿真设置”页面中单击“将IAP15F2K61S2设置为仿真芯片”按钮，再给目标板上电，当程序下载完成后仿真器便制作完成。
2.4.3 创建项目工程
若上一步的驱动安装成功，则在Keil中新建项目工程、选择芯片型号时，便会有“STC MCU Database”的选择项，然后从列表中选择相应的MCU型号(目前STC支持仿真的型号只有STC15F2K60S2)，单击“确定”完成选择，再按Keil的一般使用方法添加源程序到项目工程中，若编译无误，则可以进行下面的项目设置。
2.4.4 硬件仿真驱动选择
选择Project中的Opertions for Target’Target1’，进入“Debug”设置页，在右侧的硬件仿真驱动下拉列表中选择“STC Monitor-51 Driver”项，然后单击“Settin gs”按钮，对串口的端口号和波特率进行设置，波特率一般选择115 200或者57 600。到此设置便完成了。
2.4.5 在线仿真调试
在这个Keil工程下，按下“Ctrl+F5”即可开始在线仿真调试。若硬件连接无误，将会进入到类似于常用的软件调试，并在命令输出窗口显示当前的仿真驱动版本号和当运行、全速运行等进行仿真调试。调试中的注意事项主要有：断点设置的个数不要太多，否则会影响调试速度;若仿真源代码为汇编程序，则第一条语句必须是长跳转语句，不能使用其他语句;仿真中，不能使用与P3.0和P3.1引脚相关的中断和功能。
结语
结合IAP15F2K61S2单片机与监控程序STC Monoitor-51、Keil C51集成开发软件，提供了一种成本低、功能强的在线硬件仿真调试技术，降低了使用单片机开发工具的门槛，特别适用于单片机初学者以及学校的教学活动，也为选用51内核单片机进行应用开发带来了极大便利，只需下载监控代码就可以进行在线仿真调试。
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