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单片机实验指导书
单片微型计算机原理
实验指导书
张恒编写
华南理工大学
工业装备与控制工程学院
目录
第一章单片机的开发工具与开发方法………………………3
第二章ME-5103单片机仿真开发系统………………………5
2.1ME-5103单片机开发系统简述………………………5
2.2ME-5103在线仿真器…………………………………5
2.3MBUG调试器………………………………………6
第三章单片机实验系统………………………………………10
3.1单片机实验系统的组成………………………………10
3.2单片机实验的方法……………………………………11
3.3单片机实验的基本步骤………………………………11
第四章单片机实验……………………………………………13
实验一ME-5103仿真器的使用……………………………13
实验二单片机的开发工具与方法…………………………14
实验三循环、分支程序的设计……………………………15
实验四多字节加减法运算…………………………………15
实验五单片机存储器的访问方法…………………………16
实验六数据查找程序………………………………………16
实验七输入/输出接口实验………………………………16
实验八中断系统、定时器综合实验………………………17
实验九顺序控制……………………………………………18
附录A实验系统目标电路板的线路图………………19
附录B实验报告格式和要求………………………20
第一章单片机的开发工具与开发方法
一个单片机应用系统从提出任务到正式投入运行的过程,称为单片机的开发。
开发过程所用的设备称为开发工具。
单片机的实验与单片机的开发其过程是相同的。
单片机具备了微型计算机的主要部件CPU、存储器、I/O接口,并将这些部件集成在一个半导体芯片上。
但从硬件电路而言,单片机只是一个电子元件(例如:
Intel8031为40引脚双列直插式封装的集成电路芯片),不能独立工作。
对单片机必须配置电源和其它的辅助器件、必要的外部设备,外接石英晶体振荡器,并将这些元件、设备组成一个完整的电路板,才能构成实用的单片机硬件系统。
另外单片机没有通用的操作系统,还必须配置适当的工作程序后,才能正常工作。
因此单片机的开发包括两个方面,硬件开发(设计电路板),软件开发(设计应用系统程序)。
单片机本身没有自开发功能(PC机具有这种功能,用户可直接在其上研制应用软件),因而单片机应用系统的设计,必须借助开发工具来排除应用系统样机中的硬件故障、软件错误,利用高效率的开发工具反复修改、调试应用程序,最后将程序固化在单片机内部或外部的存储芯片中。
故单片机的开发自始自终都依赖于开发工具。
现代微型机系统的软硬件调试,仅靠万用表、示波器是不够的,通常采用自动化的调试系统,即用一个具有特定功能的计算机系统来调试尚处于研制阶段的计算机应用系统(称作目标系统)。
单片机的开发工具就是一个特殊的单片机实用系统,称为单片机开发系统,开发系统还可提供一些基本资源(单片机,外部RAM,I/O接口等),能够模仿目标系统运行的电路环境,因而也称之为仿真器。
单片机的开发系统和一般通用计算机相比,在硬件上增加了目标系统的在线仿真器、固化程序代码的写入电路,在软件方面提供类似一般计算机的操作系统之外,还有目标系统的汇编和调试功能。
单片机开发系统的主要功能可概括为如下三个方面:
一在线仿真功能:
在线仿真器(InCircuitEmulator,简称ICE)应能仿真目标系统中的单片机,并能模拟目标系统的ROM,RAM和I/O口,使在线仿真的目标系统运行环境与其脱机运行环境完全"逼真",以实现目标系统的一次性开发。
⒈单片机的仿真功能:
在线仿真时将单片机完整地出借给目标系统,单片机的资源(CPU,RAM,SFR,定时器,中断源,I/O口,外部扩展ROM和RAM的地址空间)允许用户充分使用,不受任何限制。
⒉目标样机程序存储器的模拟功能:
在开发阶段“目标样机的程序”存储在开发系统的RAM中,以便调试过程中对程序进行修改。
开发系统所借出的RAM可作为目标样机的ROM存储器,称之为仿真RAM。
二调试功能:
⒈运行控制功能:
单步,断点,连续(也称‘全速’),启停等控制程序执行方式的功能。
⒉对系统状态的读出修改功能:
提供对寄存器、I/O接口、存储器的内容进行读出、修改、设置初始参数等功能。
⒊跟踪功能:
开发系统能够跟踪和记录总线上的地址,数据以及控制信号的变化,并可随时显示和传送。
⒋程序固化功能:
当目标系统的应用程序全部调试成功后,可利用开发系统的写入电路或写入板,将程序代码固化在EPROM芯片中。
三辅助设计功能:
在单片机的开发过程中有大量重复性、琐碎的工作,利用开发系统提供的辅助功能,可大幅度提高开发工作的效率。
单片机开发系统所提供的交叉汇编程序,充分利用PC机的资源,可将单片机的汇编语言源程序翻译成机器码,代替手工汇编。
开发系统提供的联机调试软件,可同时显示单片机所有部件的状态,并可对变量、符号列表显示,随机跟踪变化等方便快捷的调试手段。
另外,开发系统提供的反汇编功能,使用户可直接阅读、分析机器码程序文件。
大多数开发系统还支持高级语言源程序的编译。
第二章 ME-5103单片机仿真开发系统
2.1 ME-5103单片机开发系统简述
ME-5103单片机开发系统是对Intel8051系列单片机软件、硬件调试的高性能普及型开发工具,图1为该系统的硬件逻辑结构图。
ME-5103单片机开发系统由在线仿真器、MBUG调试器及交叉汇编器等组成。
ME-5103的在线仿真器自带键盘和显示器,能够单独运行,配合MBUG调试器运行时,仿真调试更加直观方便。
使用ME-5103开发系统能够对用户的源程序进行汇编,装入目标代码到ME-5103仿真器或目标系统,可仿真用户目标系统的软、硬件,具有跟踪、单步、断点、全速运行多种命令,显示和修改数据、程序调试、汇编、反汇编等多种功能。
外部ROM
外部RAM
单片机
Intel
8031
片外总线
连接PC机
串行口
I/O接口8155
七段LED数码管(6个)
小键盘(31键)
图1ME-5103单片机开发系统硬件逻辑结构图
2.2 ME-5103在线仿真器
ME-5103单片机在线仿真器的仿真形式为CPU仿真,对目标系统仿真时,必须移去目标系统上的MCU(单片机)芯片,将40线仿真电缆的仿真头插入目标系统的MCU插座,另一头与ME-5103仿真器的CN1相连;RS232电缆一端与PC机的串行口(COM1或COM2)连接,另一端与ME-5103仿真器的CN6连接。
ME-5103仿真器提供了多达48KB的仿真存储器空间,用于仿真用户程序或数据,地址0000H-1FFFH的8KB空间具有后备电池保护功能,即使关闭电源仍能保存用户的程序或数据。
31键的小键盘由一个复位键,16个数字键,14个功能键组成,6个七段LED数码管用于显示地址和数据,数码管上方的8个LED用于显示用户定义寄存器的内容,数码管左侧的2个LED显示当前的仿真模式。
使用ME-5103仿真器的键盘和显示器,能进行跟踪、单步、设置断点及次数、全速运行程序,检查修改片内RAM、SFR、仿真存储器和目标系统存储器,数据块比较、移动、填充,搜寻数据块内匹配和不匹配的字节,显示指令运行的历史路径,计算相对转移的偏移量等操作。
ME-5103仿真器本机晶体振荡频率为6MHz,由8155I/O口的两根线构成仿真器的串行口,并与PC机的串行口用“9针转接线”连接后,可与PC机实现串行通讯,自适应波特率。
ME-5103键盘功能:
图2是ME-5103键盘布置图,左侧16个为十六进制数字键,右侧为14个功能键和一个硬件复位键(RESET)。
16个数字键也可作为当前寄存器区R0~R7和常用16个专用寄存器(SFR)的访问键。
┏━━┓┏━━┓┏━━┓┏━━┓┏━━┓┏━━┓┏━━┓┏━━┓
┃7┃┃8┃┃9┃┃ A┃┃FUNC┃┃USER┃┃MAP┃┃RE-┃
┃R7┃┃DPTR┃┃IE┃┃A┃┃┃┃ ┃┃ ┃┃SET┃
┗━━┛┗━━┛┗━━┛┗━━┛┗━━┛┗━━┛┗━━┛┗━━┛
┏━━┓┏━━┓┏━━┓┏━━┓┏━━┓┏━━┓┏━━┓┏━━┓
┃4┃┃5┃┃6┃┃B┃┃DEC┃┃HEX┃┃HIST┃┃MON┃
┃R4┃┃R5┃┃R6┃┃BSP┃┃┃┃┃┃┃┃┃
┗━━┛┗━━┛┗━━┛┗━━┛┗━━┛┗━━┛┗━━┛┗━━┛
┏━━┓┏━━┓┏━━┓┏━━┓┏━━┓┏━━┓┏━━┓┏━━┓
┃1┃┃2┃┃3┃┃C┃┃BTOP┃┃BEND┃┃EXEC┃┃┃
┃R1┃┃R2┃┃R3┃┃TMTC┃┃BP┃┃BT┃┃┃┃┃
┗━━┛┗━━┛┗━━┛┗━━┛┗━━┛┗━━┛┗━━┛┃STEP┃
┏━━┓┏━━┓┏━━┓┏━━┓┏━━┓┏━━┓┏━━┓┃ ┃
┃0┃┃F┃┃E┃┃D┃┃-┃┃+┃┃TRA-┃┃┃
┃R0┃┃SCSB┃┃┃┃┃┃LAST┃┃NEXT┃┃CE┃┃┃
┗━━┛┗━━┛┗━━┛┗━━┛┗━━┛┗━━┛┗━━┛┗━━┛
图2ME-5103键盘布置图
常用的功能键和复位键的定义如下:
RESET系统复位键:
按下该键使系统硬件复位,此时程序计数器PC和所有的SFR初始化为上电状态,不改变ME-5103的仿真模式、状态和片内RAM的内容,七段数码管显示"P",等待接收命令。
MON监控键(在监控状态,按下MON键七段数码管显示"P"),用于终止一个命令,执行一新的操作。
LAST上一地址的内容
NEXT下一地址的内容或显示当前地址的内容
TRACE跟踪运行命令键,执行一条指令,显示当前的状态。
STEP单步运行命令键,每按一次STEP键,执行一条指令。
EXEC全速运行程序
MAP仿真模式选择键,连续按下MAP键,可选择如下四种仿真模式:
仿真模式0ME-5103的程序和数据空间
仿真模式1目标系统的程序空间,ME-5103的数据空间
仿真模式2ME-5103的程序空间,目标系统的数据空间
仿真模式3目标系统的程序和数据空间
2.3 MBUG调试器
MBUG调试器是ME-5103单片机开发系统的仿真调试软件,可在PC机上运行。
MBUG是一个基于DOS的应用程序,通过串行口对ME-5103进行控制和操作,对汇编以及高级语言的调试提供了方便、灵活、有效的窗口界面。
使用MBUG软件调试器及交叉汇编器,能够对用户的源程序进行汇编,装入目标代码到ME-5103的在线仿真器或目标系统,具有跟踪、单步、断点设置、全速运行等多种命令。
当ME-5103仿真器处于"P"状态时,MBUG采用随机方式与ME-5103仿真器串行通讯,波特率自适应。
在非通讯状态期间,ME-5103仿真器和PC机都可以分别进行操作。
一 MBUG的窗口环境:
MBUG将屏幕划分为寄存器窗口、存储器窗口、工作窗口、标号窗口、变量窗口、文件名窗口及主菜单命令等多个窗口。
ME-5103仿真器的状态、命令提示、调试过程中的出错信息显示在屏幕的顶行和底行,用户无须切换即可得到各种调试信息。
图3所示为MBUG的窗口形式,对某个窗口操作时,连续按动Tab键使光标切换到该窗口,以便激活它的操作命令。
┌─────┬──────────────────┐
│版本号│状态行│
├─────┴─────┬─────────┬──┤
│││PSW│
││寄存器窗口││
│││窗口│
││││
│工作窗口├─────────┴──┤
│││
││存储器窗口│
│││
│││
├───────────┴────────────┤
│命令提示行│
└────────────────────────┘
图3调试软件MBUG的窗口
状态行:
MBUG在屏幕的顶行显示:
MBUG版本号、仿真MCU类型、装入调试程序的文件名、仿真模式和串行口信息等。
工作窗口:
MBUG的工作窗口在装入程序后,可用三种方式来显示被调试程序:
(1)源文件文本方式:
可显示伪指令及数据定义,与用户的源程序格式相同。
(2)机器码方式:
每行依次显示该条指令的存储地址、指令代码、反汇编助记符。
(3)标号方式:
仅显示源程序的标号和助记符表示的机器指令。
寄存器窗口:
显示单片机所有寄存器的内容
显示特殊功能寄存器SFR、寄存器R0~R7或片内变量。
此窗口的显示内容可被用户定义。
存储器窗口:
显示用户指定存储区域的内容
可分别显示单片机的片内数据空间(IDATA),片外数据空间(XDATA),程序空间(CODE),
位寻址空间(BIT)。
显示格式:
每行显示8个连续单元的内容
左边列:
显示每行起始单元的内存地址
中间列:
按字节依次显示8个单元的内容(用十六进制数表示)
右边列:
显示该行8个字节所对应的ASCII码字符
命令和错误指示信息行:
命令和出错信息行位于屏幕的底行,显示当前可操作的命令信息或命令执行过程中发生的错误及当前的状态。
变量表及标号表窗口:
这是一个弹出式窗口,出现在RUN模块中,显示变量、标号的地址和属性。
对话和行编辑窗口:
MBUG的大多数命令为单键输入,但有时需要输入一串字符,例如输入地址、标号、文件名或汇编语句等,用户可以在此窗口下输入。
汇编窗口:
当调用了汇编命令时,MBUG内含的交叉汇编器将自动弹出一个对话窗口,在此窗口内输入源文件名,机器码文件名;汇编完成后将显示源程序的出错信息。
二 MBUG的主菜单
在DOS状态下,执行MBUG.EXE文件便可启动MBUG调试器,按任意键后屏幕出现主菜单(MainMenu),选择主菜单命令可以用下面三种方法:
1. 使用光标键移动光带,按回车键。
2. 直接按主命令首字母键。
3. 按 Alt+高亮度字符。
MBUG主菜单常用命令:
1 OSshell:
DOS功能调用
选择该命令后将进入操作系统界面,在DOS提示符下可执行各种DOS命令或可执行文件。
操作完成后在DOS状态下,键入EXIT命令可返回MBUG调试器。
修改程序时,使用该功能可在不退出MBUG的情况下,启动编辑软件(EDIT.EXE),从而加快操作的速度。
注意:
使用该命令后,一定要键入EXIT返回,切不可再次运行MBUG.EXE,多次加载MBUG.EXE将使ME-5103开发系统与PC机的串行通讯出错。
2 Assemble :
汇编
Assemble作为MBUG调试器的一个独立模块,在PC机上运行,对用户的源程序进行交叉汇编,将ASCII码源程序文件(*.ASM)汇编为机器码文件(*.HEX)。
汇编器的有效字符:
数字:
0~9, 字母:
A~Z,a~z;字母不区分大小写。
分隔符:
冒号,空格,制表符,逗号,分号,单引号,双引号。
下划线
汇编器的符号:
符号必须由字母开始,包括标号、寄存器名、变量名、指令助记符等。
汇编器的常数:
常数可为二进制、十进制、十六进制常数,字符常数(ASCII码),其格式为:
二进制数必须以字母B结尾,例如:
01110001B
十进制数以字母D结尾(可缺省),如34D,16
十六进制数必须以字母H结尾,若第一个字符为字母,则必须有前导零:
例如:
1FH,20H,0FFFFH,0D8H,0ACH
数值可以是带符号数,如-1,-10H,+28
ASCII字符串,如'*','YES','Good!
'
请注意:
(1)十六进制常数以字母(A~F)开头时,一定要加前导0,以便区分于变量名。
若无前导0,则在汇编时将产生语法错误。
(2)数字如果没有结尾字母B或H,则一律视为十进制数。
3 Load :
装入调试文件
将存于PC机磁盘中的机器码文件(*.HEX),通过串行口装入ME-5103仿真器的存储器或目标系统的存储器。
4 Run :
调试运行模块
这是MBUG调试器的一个主要模块,用户在仿真调试过程中,运行程序、修改数据、观察变量都可以在此模块内完成。
MBUG具有源文件、代码、标号三种调试功能, 在进入MBUG后首先将调试的目标代码文件用LOAD装入ME-5103仿真器或用户系统,此时在工作区窗口上将显示用户源程序文本,然后即可进入调试运行过程。
装入的代码文件,必须是用MBUG中Assemble汇编器汇编产生的代码文件。
通常在LOAD模块装入代码文件成功之后,直接进入RUN模块。
在主菜单中选择了Run命令后,MBUG通过串行口装入ME-5103仿真器的当前状态,刷新显示寄存器和存储器窗口的内容,并在工作窗口从当前程序计数器PC地址开始显示程序。
在调试运行状态下,可用下列子命令进行操作:
F3:
设置程序计数器PC的值,有两种操作方法:
(1)按下F3键,在其对话窗中直接输入地址(十六进制)。
(2)移动光标键使光带停留在新的指令行处,先按下F3键,再按回车键,则光带处的地址作为新的PC被设置。
F5:
以单步方式执行程序(STEP)
每按一次F5键,单步执行一条指令。
若执行的指令是调用指令(CALL),则将被调用的子程序一步全速运行完成。
F8:
以跟踪方式执行程序(TRACE)
每按一次F8键,执行一条指令,然后ME-5103开发系统与PC机进行一次串行通信,将执行结果及单片机的状态传送给PC机,并刷新显示内容。
Ctrl+F8:
自动连续执行跟踪,按任意键停止。
F9:
全速运行 (Exec)
在全速运行方式下,ME-5103开发系统与PC机处于脱机状态,程序执行期间不穿插串行通信,连续运行用户程序。
因此程序执行速度很快,但程序的运行结果不能随时显示在PC机上,只能通过目标系统观察。
Ctrl+M:
改变存储器显示空间
当光带处于工作窗口或存储器窗口时,连续按下该组合键,可在四种存储空间切换:
即IDATA(内部RAM)─→BIT(位寻址)─→XDATA(外部RAM)─→CODE(ROM)
用Ctrl+M切换到需要显示的存储空间后,光标会停在地址域上,此时再输入欲显示的起始地址,按下回车键后,存储器窗口的显示将改变。
Ctrl+G:
指定窗口显示首地址
先用TAB键将光带移到存储器窗口或工作窗口内,按下该组合键,将弹出一个对话窗,此时输入欲显示的首地址,然后按下回车键。
F10:
返回主菜单
F4:
运行程序到光带处
F2:
设置断点(BP)
移动光带到需要设置断点处,按下F2键,断点处的指令行变为红色光带。
F7:
改变工作窗口显示格式
用Load命令装入工作窗的程序有三种显示方式,即源文件方式,机器码方式,标号方式;连续按下F7键可在3种方式之间轮流切换。
Ctrl+Break:
中断正在运行的程序
Ctrl+C:
切换串行口,每按下一次该组合键,在串行口COM1与COM2之间进行一次切换。
5 Disassemble:
反汇编命令
MBUG的反汇编器,可将机器码文件(*.HEX)反汇编成汇编语言助记符文件。
6 Programing:
程序固化命令
连接写入板时,可将用户的程序代码固化在EPROM芯片中。
7 Quit:
退出MBUG,返回DOS操作系统。
第三章 单片机实验系统
对于计算机类课程实践环节非常重要,根据《单片微机原理及应用》课程的教学要求,结合工控学院的专业特点,设计了单片微机原理实验系统,并且编制了相应的实验内容和建立单片机实验上机操作试题库。
3.1 单片机实验系统的组成
单片机实验系统由ME-5103单片机仿真开发系统、实验目标电路板、PC机、直流稳压电源组成。
图4所示为单片机实验系统的组成及设备连接图。
┌─────┐┌─────┐
│单片机│串行口│ PC机│
┌────┐│开发系统├─────┤│
│ 稳压├────┤ME-5103│COM2│Pentium│
│ 电源│└─┬─┬─┘│166│
│ ││40││MMX│
│5V├──┐│线│││
│12V││┌─┴─┴─┐└─────┘
└────┘└─┤目标电路板│
└─────┘
图4单片机实验系统设备连接图
单片机的实验与单片机的开发一样,必须依靠开发工具,所有实验都在ME-5103开发系统上运行。
然而单独使用开发系统,调试程序的效率很低,因开发系统的小键盘只能输入十六进制数,用汇编语言写好的程序,需手工翻译成机器指令的代码,然后一个字节一个字节地用小键盘输入到开发系统的仿真存储器中。
另外开发系统的七段LED数码管仅能显示一两个寄存器或存储单元的内容,调试操作复杂且费时,更为不便的是修改程序后,几乎要重新操作一遍。
这样的效率在有
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