3.2 單片機嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的軟硬件環(huán)境

3.2.1 單片機嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的軟硬件環(huán)境構成

當用戶目標系統(tǒng)設計完成后，還需要應用軟件支持，用戶目標系統(tǒng)才能成為一個滿足用戶要求的單片機嵌入式系統(tǒng)。但該用戶目標系統(tǒng)不具備自開發(fā)能力，需要借助于單片機仿真器（也稱單片機開發(fā)系統(tǒng)）完成該項工作。一個典型的單片機嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境組成如圖3.2所示，單片機嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境硬件由PC、單片機仿真器、用戶目標系統(tǒng)、編程器和數(shù)條連接電纜組成。軟件由PC上的單片機集成開發(fā)環(huán)境軟件和編程器軟件構成，前者為單片機仿真器隨機軟件，后者為編程器隨機軟件。

單片機仿真器也稱單片機開發(fā)系統(tǒng)。單片機仿真器的工作步驟是：取下用戶目標系統(tǒng)的單片機芯片（目標系統(tǒng)CPU），把仿真器上的CPU仿真頭插入用戶目標系統(tǒng)CPU相應的位置，這樣就將仿真器中的CPU和ROM出借給了目標系統(tǒng)；PC通過仿真器和目標系統(tǒng)建立起一種透明的聯(lián)系，程序員可以觀察到程序的運行（實際上程序在仿真器中運行）和CPU內部的全部資源情況，也就是說，在開發(fā)環(huán)境中用戶目標系統(tǒng)中的程序存儲器是閑置的。我們調試的是仿真器中的程序，仿真器中的程序運行完全受仿真器的監(jiān)控程序控制。仿真器的監(jiān)控程序相當于PC的操作系統(tǒng)，該監(jiān)控程序與PC上運行的集成開發(fā)環(huán)境相配合，使得我們可以修改和調試程序，并能觀察程序的運行情況。

待程序調試完成后，將編程器通過通信電纜線連接到PC，將調試好的程序通過編程器寫入單片機芯片（即寫入單片機內部的程序存儲器）或目標系統(tǒng)上的程序存儲器，從用戶目標系統(tǒng)上拔掉仿真頭CPU，即完成了單片機的仿真調試，然后換上寫入程序的單片機芯片（目標系統(tǒng)CPU），得到單片機嵌入式系統(tǒng)的運行態(tài)如圖3.3所示，也稱為脫機運行。由于仿真器的功能差別很大，脫機運行有時和仿真運行并不完全一致，還需要返回仿真過程調試。上述過程有時可能要重復多次。

開發(fā)環(huán)境要求的各種配置如下。

① PC，目前市售的計算機配置都滿足要求。

② 操作系統(tǒng)應使用Windows 95/98/ME/NT/2000/XP或更高版本。

③ 單片機仿真器及相應的配件，包括通信電纜、仿真電纜、電源等。

④ 在PC上運行的單片機仿真器集成開發(fā)環(huán)境軟件。

⑤ 匯編或編譯軟件，將匯編語言或高級語言源程序翻譯為浮動的目標代碼。

⑥ 連接定位器軟件，把多個浮動的目標代碼在單片機程序空間做定位控制。

⑦ 編程器，一種把單片機運行文件寫入EPROM/E2PROM/Flash E2PROM/CPU的工具。

單片機仿真器在開發(fā)環(huán)境中出借CPU和程序存儲器到用戶目標系統(tǒng)，調試完成后通過編程器把程序固化到程序存儲器，插入目標系統(tǒng)，同時插入目標系統(tǒng)CPU，即可得到單片機嵌入式系統(tǒng)的運行態(tài)。

編程器的功能是把調試好的目標代碼寫入單片機的片內（外）程序存儲器里面，把寫好后的芯片插到用戶目標板上進行脫機（脫離仿真器）運行，如未達到用戶要求，則要重新返回仿真階段查找軟件或硬件的原因。這個過程可能要重復多遍。

3.2.2 單片機嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具選擇原則

在單片機嵌入式系統(tǒng)研制中，仿真器是一個重要的輔助開發(fā)工具，因此，有必要選擇一個好的仿真調試工具，滿足做產品開發(fā)的用戶對目標機仿真調試的要求，并且使用方便可靠。

選擇仿真器要求如下：

全地址空間的仿真；

不占用任何用戶目標系統(tǒng)的資源；

必須實現(xiàn)硬斷點，并且具有靈活的斷點管理功能；

硬件實現(xiàn)單步執(zhí)行功能；

可跟蹤用戶程序執(zhí)行；

可觀察用戶程序執(zhí)行過程中的變量和表達式；

可中止用戶程序的運行或用戶程序復位；

系統(tǒng)硬件電路的診斷與檢查；

支持匯編和高級語言源程序級調試。

3.2.3 使用JTAG界面單片機仿真開發(fā)環(huán)境

JTAG（Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動小組）是一種國際標準測試協(xié)議（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片內部測試。現(xiàn)在多數(shù)的高級器件都支持JTAG協(xié)議，如DSP、FPGA器件等。標準的JTAG接口有4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。JTAG最初是用來對芯片進行測試的，基本原理是在器件內部定義一個TAP（Test Access Port，測試訪問口），通過專用的JTAG測試工具對內部節(jié)點進行測試。JTAG測試允許多個器件通過JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個JTAG鏈，能實現(xiàn)對各個器件的分別測試。現(xiàn)在，JTAG接口還常用于實現(xiàn)ISP（In-System Programmable，在系統(tǒng)編程），對單片機內部的Flash E2PROM等器件進行編程。

JTAG編程方式是在線編程，這種方式不需要編程器。傳統(tǒng)生產流程中的先對芯片進行預編程、現(xiàn)裝配的方式，因此而改變。簡化的流程為先固定器件到電路板上，再用JTAG編程，從而大大加快了工程進度。

新一代的單片機芯片內部不僅集成了大容量的Flash E2PROM，芯片還具有 JTAG接口，可接JTAG ICE仿真器，PC提供高級語言開發(fā)環(huán)境（Windows），支持C語言及匯編語言，不僅可以下載程序，還可以在系統(tǒng)調試程序，具有調試目標系統(tǒng)的所有功能，開發(fā)不同的單片機系統(tǒng)只需更換目標板。JTAG仿真開發(fā)環(huán)境如圖3.4所示。

在JTAG單片機仿真開發(fā)環(huán)境中，JTAG適配器提供了計算機通信口到單片機JTAG接口的透明轉換，并且不出借CPU和程序存儲器給應用系統(tǒng)，使得仿真更加貼近實際目標系統(tǒng)。單片機內部已集成了基于JTAG的協(xié)議調試和下載程序。

3.2.4 單片機的在線編程

通常進行單片機開發(fā)時，編程器是必不可少的。仿真、調試完的程序，需要借助編程器燒到單片機內部或外接的程序存儲器中。普通的編程器價格從幾百元到幾千元不等，對于一般的單片機愛好者來說，這是一筆不小的開支。另外，在開發(fā)過程中，程序每改動一次就要拔下電路板上的芯片編程后再插上，也比較麻煩。

隨著單片機技術的發(fā)展，出現(xiàn)了可以在線編程的單片機。這種在線編程目前有兩種實現(xiàn)方法：在系統(tǒng)編程（ISP）和在應用編程（IAP）。ISP一般通過單片機專用的串行編程接口對單片機內部的Flash存儲器進行編程，而IAP技術是從結構上將Flash存儲器映射為兩個存儲體，當運行一個存儲體上的用戶程序時，可對另一個存儲體重新編程，之后將控制從一個存儲體轉向另一個。ISP的實現(xiàn)一般需要很少的外部電路輔助，而IAP的實現(xiàn)更加靈活，通常可利用單片機的串行口接到計算機的RS-232口，通過專門設計的固件程序對內部存儲器編程。例如，Atmel公司的單片機AT89S8252提供了一個SPI串行接口，對內部程序存儲器編程（ISP），而SST公司的單片機SST89C54內部包含了兩塊獨立的存儲區(qū)，通過預先編程在其中一塊存儲區(qū)中的程序就可以通過串行口與計算機相連，使用PC上專用的用戶界面程序直接下載程序代碼到單片機的另一塊存儲區(qū)中。

ISP和IAP為單片機的實驗和開發(fā)帶來了很大的方便和靈活性，也為廣大單片機愛好者帶來了福音。利用ISP和IAP，不需要編程器就可以進行單片機的實驗和開發(fā)，單片機芯片可以直接焊接到電路板上，調試結束即為成品，甚至可以遠程在線升級或改變單片機中的程序。