80C51系列單片機(jī)仿真器選購(gòu)指南（上）

       第一章   為什么要使用仿真器？  


        1.1 仿真的概念 

        仿真的概念其實(shí)使用非常廣，最終的含義就是使用可控的手段來(lái)模仿真實(shí)的情況。 

       在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，仿真應(yīng)用的范圍主要集中在對(duì)程序的仿真上。例如，在單片機(jī)的開發(fā)過(guò)程中，程序的設(shè)計(jì)是最為重要的但也是難度最大的。一種最簡(jiǎn)單和原始的開發(fā)流程是：編寫程序－燒寫芯片－驗(yàn)證功能，這種方法對(duì)于簡(jiǎn)單的小系統(tǒng)是可以對(duì)付的，但在大系統(tǒng)中使用這種方法則是完全不可能的。 

      1.2  仿真的種類 

       軟件仿真：這種方法主要是使用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)模擬運(yùn)行實(shí)際的單片機(jī)運(yùn)行，因此仿真與硬件無(wú)關(guān)的系統(tǒng)具有一定的優(yōu)點(diǎn)。用戶不需要搭建硬件電路就可以對(duì)程序進(jìn)行驗(yàn)證，特別適合于偏重算法的程序。軟件仿真的缺點(diǎn)是無(wú)法完全仿真與硬件相關(guān)的部分，因此最終還要通過(guò)硬件仿真來(lái)完成最終的設(shè)計(jì)。 

      硬件仿真：使用附加的硬件來(lái)替代用戶系統(tǒng)的單片機(jī)并完成單片機(jī)全部或大部分的功能，使用了附加硬件后用戶就可以對(duì)程序的運(yùn)行進(jìn)行控制，例如單步，全速，查看資源，斷點(diǎn)等。硬件仿真是開發(fā)過(guò)程中所必須的。 

      1.3  為什么要使用仿真器? 

       在與一些有經(jīng)驗(yàn)的工程師交談中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)一部分工程師在開發(fā)中不使用或很少仿真器。向他們?cè)儐?wèn)原因，得到的回答是“仿真器不可靠”。但是他們是如何解決程序開發(fā)中遇到的問(wèn)題呢？通過(guò)深入的交流才明他們是照這樣的方法來(lái)開發(fā)程序的： 

       (1)   根據(jù)自己的設(shè)計(jì)建立一個(gè)符合要求的硬件平臺(tái)，如果該平臺(tái)涉及的程序比較復(fù)雜，還要搭建一個(gè)人機(jī)交流的通道。人機(jī)交流通道可能是一個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)光二極管，蜂鳴器，復(fù)雜的可能是串口通訊口，LCD顯示屏。 

      (2)  寫一個(gè)最簡(jiǎn)單的程序，例如只是將發(fā)光二極管連續(xù)的閃爍。程序編譯后燒寫到單片機(jī)芯片中，驗(yàn)證硬件平臺(tái)是否工作正常。 

     (3)  硬件平臺(tái)正常工作后編寫系統(tǒng)最低層的驅(qū)動(dòng)程序，每次程序更改后都重新燒寫單片機(jī)芯片驗(yàn)證。如果在程序驗(yàn)證中遇到問(wèn)題，則可能在程序中加入一些調(diào)試手段，例如通過(guò)串口發(fā)送一些信息到PC 端的超級(jí)終端上，用于了解程序的運(yùn)行情況。 

     (4)  系統(tǒng)低層驅(qū)動(dòng)程序完成后再編寫用戶框架程序，由于這部分已經(jīng)不涉及到硬件部分，所以程序中的問(wèn)題用戶一般能夠發(fā)現(xiàn)。 

       但是更多的調(diào)查表明，使用以上方法的工程師總的看來(lái)所設(shè)計(jì)的程序不是很龐大或很復(fù)雜。因?yàn)樵谧龊?jiǎn)單的項(xiàng)目時(shí)，我們可以通過(guò)一個(gè)發(fā)光二極管就可以表達(dá)出內(nèi)部的信息；如果程序復(fù)雜，可能需要更多的信息來(lái)表示內(nèi)部的狀態(tài)，這樣可能就需要串口協(xié)助調(diào)試；如果程序更復(fù)雜，硬件更多，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，那工程師就要更多的增強(qiáng)調(diào)試手段，串口可能就不能滿足了，需要類似于斷點(diǎn)的功能，因?yàn)槲蚁胫涝谀骋粋€(gè)時(shí)刻單片機(jī)內(nèi)部的狀態(tài)究竟是怎樣？ 

        如果用戶程序的修改非常頻繁，可能一次又一次地的燒寫芯片占用的時(shí)間就很多，這時(shí)用戶就會(huì)想能下載程序并運(yùn)行的裝置。到這里，您會(huì)看到，隨著用戶要求的越來(lái)越高，調(diào)試裝置已經(jīng)越來(lái)越象一個(gè)通用的仿真器了。因此我們的建議是：不要回避使用仿真器，因?yàn)槭褂梅抡嫫髂芴岣吣拈_發(fā)速度。 

        但是不能否認(rèn)的是，用戶回避使用仿真器也是有原因的。因?yàn)榉抡嫫饕彩且环N電子裝置，非常依賴于設(shè)計(jì)者的水平。如果一個(gè)仿真器設(shè)計(jì)者的水平有欠缺，那將給仿真器的使用者帶來(lái)很大的問(wèn)題，因?yàn)榉抡嫫鞯氖褂谜邔⒎植磺宄烤故浅绦虻膯?wèn)題還是出在那里。隨著電子設(shè)備的復(fù)雜化，設(shè)計(jì)工程師面臨前所未有的壓力。您可以想象，用戶發(fā)現(xiàn)了程序中有一個(gè)問(wèn)題，首先懷疑是自己系統(tǒng)中的問(wèn)題，可能是軟件方面也可能是硬件方面。因?yàn)橛脩粝到y(tǒng)處于開發(fā)階段，用戶基本上不會(huì)懷疑仿真器。在這種情況下，用戶將耗費(fèi)很大的精力在自己的系統(tǒng)中尋找并不存在的問(wèn)題。如果用戶最終發(fā)現(xiàn)問(wèn)題來(lái)源于仿真器，并通過(guò)燒寫芯片驗(yàn)證確實(shí)如此，那這個(gè)仿真器用戶以后可能會(huì)逐漸放棄使用仿真器。 

       用戶放棄使用仿真器，對(duì)用戶的影響是巨大的。因?yàn)榉艞壥褂靡粋€(gè)設(shè)計(jì)不完善的仿真器，也放棄了 使用其它設(shè)計(jì)完善的仿真器，關(guān)鍵是放棄了合理的開發(fā)方法。因此我們的建議是：不要回避使用仿真器，但要挑選好的仿真器。 

      1.4仿真器的附加服務(wù)更加重要 

       在購(gòu)買仿真器的同時(shí)，還要注意仿真器廠家的服務(wù)，這一點(diǎn)很關(guān)鍵。這里說(shuō)的服務(wù)包含仿真器本身的服務(wù)，例如仿真器使用上的指導(dǎo)服務(wù)，仿真器的維修服務(wù)。這些都是一個(gè)產(chǎn)品的最基本的服務(wù)，對(duì)于仿真器這種特殊產(chǎn)品來(lái)將還不是全部的服務(wù)。 

       使用仿真器來(lái)開發(fā)產(chǎn)品，會(huì)遇到很多問(wèn)題：產(chǎn)品本身的問(wèn)題，仿真器的問(wèn)題，仿真器和用戶系統(tǒng)的問(wèn)題。如果用戶開發(fā)經(jīng)驗(yàn)不是很豐富，他并不能排除遇到的問(wèn)題究竟來(lái)源于哪個(gè)方面。這時(shí)，他可能求助于仿真器生產(chǎn)廠商。如果仿真器的生產(chǎn)廠商只專注于仿真器的設(shè)計(jì)，而對(duì)于其它的單片機(jī)應(yīng)用不熟悉，他可能對(duì)用戶提出的問(wèn)題不能作出正確的判斷而一味的強(qiáng)調(diào)自己的仿真器沒(méi)有問(wèn)題。與之相反，一個(gè)既熟悉仿真器的使用，又有豐富開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的仿真器支持廠商則能協(xié)助用戶快速的找出問(wèn)題，實(shí)踐證明這兩種情況帶來(lái)的效果是完全不一樣的。因此我們的建議是：挑選好的仿真器，更要挑選好的技術(shù)支持。  {{分頁(yè)}}

       第二章    仿真器中使用的技術(shù) 

        仿真器的生產(chǎn)在國(guó)內(nèi)有十多年的歷史，其中使用的技術(shù)根據(jù)時(shí)間和性能的不同大約分成以下幾種： 

       (1) 仿真開發(fā)系統(tǒng) 

       這種技術(shù)主要在仿真器的初級(jí)階段使用。由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有好的仿真技術(shù)或仿真芯片，仿真器設(shè)計(jì)成了一個(gè)雙平臺(tái)的系統(tǒng)并根據(jù)用戶的要求在監(jiān)控系統(tǒng)和用戶系統(tǒng)中切換。這種仿真系統(tǒng)性能完全依賴于設(shè)計(jì)者的水平，實(shí)際的最終性能廠家之間相差很大。不過(guò)總的說(shuō)來(lái)需要占用一定的用戶資源并且設(shè)計(jì)復(fù)雜，現(xiàn)在基本上已經(jīng)淘汰，只是使用在一些開發(fā)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中。 

       (2)  Bondout 技術(shù) 

       一般來(lái)說(shuō)，人們常常說(shuō)的專用仿真芯片其實(shí)就是 Bondout。這種仿真芯片一般也是一種單片機(jī)， 但是內(nèi)部具有特殊的配合仿真的時(shí)序。當(dāng)進(jìn)入仿真狀態(tài)后，可以凍結(jié)內(nèi)部的時(shí)序運(yùn)行，可以查看/修改在靜止時(shí)單片機(jī)內(nèi)部的資源。 

       使用Bondout 制作的仿真器一般具有時(shí)序運(yùn)行準(zhǔn)確（也有例外），設(shè)計(jì)制作成本低等優(yōu)點(diǎn)；Bondout芯片一般是由單片機(jī)生產(chǎn)廠家提供的，因此它只能仿真該廠商指定的單片機(jī)，仿真的品種很少。 

        (3)  HOOKS 技術(shù) 

       HOOKS 是PHILIPS擁有的一項(xiàng)仿真技術(shù)，主要解決不同品種單片機(jī)的仿真問(wèn)題。使用該專利技術(shù) 就可以仿真所有具有HOOKS 特性的單片機(jī)，即使該單片機(jī)是不同廠家制造的。使用HOOKS 技術(shù)制造的仿真器可以兼容仿真不同廠家的多種單片機(jī)，而且仿真的電氣性能非常接近于真實(shí)的單片機(jī)。但是HOOKS 技術(shù)對(duì)仿真器的制造廠家的技術(shù)要求特別高，不同的仿真器生產(chǎn)廠家同時(shí)得到HOOKS 技術(shù)的授權(quán)，但是設(shè)計(jì)的仿真器的性能差別很大。 

        10 年前國(guó)內(nèi)就已經(jīng)得到了 PHILIPS  的 HOOKS 技術(shù)授權(quán)，但是受當(dāng)時(shí)技術(shù)水準(zhǔn)的限制研制的 HOOKS 仿真器還不能實(shí)用。即使到了今天，也不是每個(gè)仿真器廠家都能生產(chǎn)HOOKS 仿真器，即使生 產(chǎn)出來(lái)性能也差異很大，用戶應(yīng)仔細(xì)區(qū)別。 

       (4)  內(nèi)嵌仿真功能的芯片 

       隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，很多單片機(jī)生產(chǎn)廠商在芯片內(nèi)部增加了仿真功能，一般通過(guò)JTAG 接口進(jìn)行控制。為了降低成本和增加可靠性，內(nèi)嵌的仿真部分一般功能比較簡(jiǎn)單。 

       根據(jù)當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，如果只仿真標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51 系列單片機(jī)可以選用Bondout 技術(shù)的仿真器；如果用戶希望仿真器功能更多更靈活的諸如增強(qiáng)型80C51 系列單片機(jī)的話，那么必須選用HOOKS 技術(shù)仿真器。二者比較而言，采用HOOKS 技術(shù)的仿真器性價(jià)比要高于Bondout 技術(shù)。 

      第三章  國(guó)內(nèi)仿真器的現(xiàn)狀 

        到今天為止國(guó)內(nèi)的仿真器發(fā)展大約有20 年的歷史，總的說(shuō)來(lái)生產(chǎn)商的規(guī)模都不是很大，在新產(chǎn)品 的研制/開發(fā)/服務(wù)上都不能投入很大的資金。根據(jù)仿真器使用的技術(shù)來(lái)劃分，國(guó)內(nèi)仿真器的設(shè)計(jì)大約可以分成以下幾個(gè)時(shí)期： 

      (1)  70 年代末期-80 年代中期 這個(gè)時(shí)期采用的技術(shù)主要是仿真開發(fā)系統(tǒng)，現(xiàn)在看來(lái)技術(shù)含量不高，用戶要求也不高。 

      (2)  80 年代末期-90 年代末期 這個(gè)時(shí)期主要使用華邦一顆帶有仿真功能的芯片制作，采用的技術(shù)應(yīng)該叫做Bondout。采用這顆芯片能大大簡(jiǎn)化仿真器的設(shè)計(jì)，因此國(guó)內(nèi)仿真器的水準(zhǔn)有了大的提高，基本上可以不占用用戶資源。 

      正是由于仿真性能的提高，國(guó)內(nèi)的仿真器制作在將近 10 年的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有進(jìn)步，一直采用這種制作模式。雖然個(gè)別廠商也嘗試過(guò)別的技術(shù)來(lái)提高仿真水準(zhǔn)，例如HOOKS 技術(shù)，但是由于本身技術(shù)的限制沒(méi)有成功。相反國(guó)外的仿真器較早地使用了HOOKS 技術(shù)，在初期由于HOOKS 技術(shù)本身的復(fù)雜性，仿 真性能和價(jià)格不如國(guó)內(nèi)采用Bondout 的仿真器。 

       隨著IC 技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)制作HOOKS 技術(shù)的條件已經(jīng)成熟，但是國(guó)內(nèi)的幾家主要的生產(chǎn)廠商還 陶醉于Bondout 技術(shù)之中。 

       (3)  2000 年開始 

    2000 年是中國(guó)仿真器市場(chǎng)變化最大的時(shí)期，其中最引人注目的變化是華邦仿真芯片W78958 的停產(chǎn)。 

       華邦公司在設(shè)計(jì)W78958 芯片時(shí)，其內(nèi)部的仿真功能只是為了仿真器廠商能制作仿真器以便更好的推廣W78958。但是經(jīng)過(guò)幾年的變化，W78958 演變成為一顆仿真器上使用的仿真專用芯片而不是用戶使用的標(biāo)準(zhǔn)芯片，使用的范圍也僅限于國(guó)內(nèi)，一年不到20000 只的用量也促使華邦公司在進(jìn)入2002年后宣布將停產(chǎn)該芯片。 

       W78958 停產(chǎn)以后，國(guó)內(nèi)仿真器廠商處于一個(gè)非常尷尬的局面。由于W78958 在國(guó)內(nèi)使用了將近10 年，國(guó)內(nèi)的用戶群非常龐大，這些用戶將無(wú)法得到持續(xù)的支持特別是維修方面。另外，國(guó)內(nèi)圍繞在W78958 上所做的技術(shù)工作也無(wú)法得到延續(xù)和提高，很多業(yè)界人士認(rèn)為仿真器行業(yè)將面臨另起爐灶或重新洗牌的局面。 

       HOOKS 技術(shù)無(wú)疑是仿真器廠商在失去W78958 后的替代品，但是由于沒(méi)有長(zhǎng)期跟蹤和關(guān)注，短期內(nèi)多數(shù)廠家無(wú)法將復(fù)雜的HOOKS 技術(shù)應(yīng)用于成熟的產(chǎn)品中。專家們認(rèn)為仿真器廠家的整體轉(zhuǎn)型可能需要2－3 年的周期，并且有相當(dāng)?shù)姆抡嫫鲝S家將會(huì)被淘汰，市場(chǎng)擁有量將主要集中在少數(shù)幾個(gè)仿真器廠家。      

       周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司是PHILIPS 在國(guó)內(nèi)最大的代理商，它以獨(dú)特的技術(shù)銷售引起國(guó)內(nèi)乃至全球的注目。周立功公司成立時(shí)間不到5 年，但是膨脹很快，現(xiàn)在已然成為國(guó)內(nèi)單片機(jī)行業(yè)的龍頭，一言一行對(duì)整個(gè)行業(yè)影響很大。 

       2001 年12 月，周立功公司試探性地推出第一款仿真器TKS－764，用于支持周立功公司當(dāng)時(shí)的 主打芯片51LPC 系列OTP 單片機(jī)。由于TKS－764 內(nèi)部穩(wěn)定可靠的設(shè)計(jì)，并直接直接在Keil 中的調(diào)試，所以推出后得到51LPC 用戶的青睞，擁有相當(dāng)大的用戶群。 {{分頁(yè)}} 

        2002 年6 月，周立功旗下的廣州致遠(yuǎn)電子有限公司在國(guó)內(nèi)率先推出研制達(dá)兩年之久的HOOKS 仿真器，全面支持PHILIPS 和其它公司的增強(qiáng)型80C51 系列單片機(jī)的仿真問(wèn)題。該系列仿真器徹底解決了國(guó)內(nèi)仿真器在仿真低電壓、內(nèi)部64K 程序、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)關(guān)閉ALE、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)切換6/12 Clock、4 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)、串口從地址自動(dòng)識(shí)別和幀錯(cuò)誤檢測(cè)以及P8xC51 獨(dú)具定時(shí)器2 等增強(qiáng)性能的難題， 短期內(nèi)使仿真器的用戶群迅速擴(kuò)大，并在業(yè)界得到良好的口碑。 

       TKS 系列HOOKS 技術(shù)仿真器推出后，在仿真器行業(yè)引起了不小的震動(dòng)。因?yàn)橹芰⒐驹诠娗暗男蜗笠灰恢笔且粋€(gè)優(yōu)秀的芯片代理商，在掌握了先進(jìn)的仿真器技術(shù)后將改變整個(gè)行業(yè)的格局。國(guó)內(nèi)的仿真器生產(chǎn)廠商在華邦的仿真芯片停產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)自己處于一個(gè)尷尬的境地，現(xiàn)有的仿真器不能繼續(xù)生產(chǎn)了。而轉(zhuǎn)向HOOKS 技術(shù)還需要一段研發(fā)的過(guò)程，即使有些廠家匆匆推出了HOOKS 技術(shù)仿真器卻明顯比周立功公司的HOOKS 技術(shù)仿真器在性能上有明顯的差距，仿真器行業(yè)可能會(huì)重新洗牌。 

       第五章 如何挑選通用仿真器 

       仿真器是一種很特殊的電子工具，仿真器的性能跟設(shè)計(jì)者的水平密切相關(guān)。同樣使用一種仿真器技術(shù)，但是最終產(chǎn)品的性能差別很大。根據(jù)用戶的不同用途，可以照如下標(biāo)準(zhǔn)挑選仿真器： 

       如果主要用途是商業(yè)產(chǎn)品開發(fā)，使用專用仿真器比較理想因?yàn)閷Ｓ梅抡嫫髦皇欠抡婺骋环N或一類芯片，可以做得性能比較高，性能也比較穩(wěn)定，不用兼顧其它芯片的特殊要求。專用仿真器可能價(jià)格高一點(diǎn)，但是對(duì)商業(yè)開發(fā)來(lái)講良好的性能是第一位的。 

       盡量采用技術(shù)含量高的仿真技術(shù) 

       例如，HOOKS 技術(shù)由于其良好的兼容性以及接近實(shí)際芯片的性能，應(yīng)該成為通用和專用仿真器
首選。 

       慎重選擇仿真芯片裝在外置仿真頭上的結(jié)構(gòu) 

      有些仿真器的仿真芯片放置在外置仿真頭的上方，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)更換仿真頭來(lái)更換仿真器的仿真性能，通用性比較強(qiáng)，可以仿真不同類型的單片機(jī)。一些宣傳中說(shuō)仿真芯片貼近用戶板，性能是最可靠的，但實(shí)際不是這樣的。仿真芯片除了輸出用戶信號(hào)外，還要通過(guò)復(fù)雜的總線由監(jiān)控電路控制，這種控制時(shí)序是最重要的。由于控制時(shí)序頻率比較高，因此不應(yīng)該通過(guò)較長(zhǎng)的仿真電纜輸出到外部仿真頭上，這很容易受到外部的干擾或干擾外部。一旦控制時(shí)序出現(xiàn)問(wèn)題，仿真芯片離用戶板再近也沒(méi)有用途。 

        注意仿真器的一些細(xì)節(jié)問(wèn)題。例如： 

           (1)  否支持外部復(fù)位信號(hào)？ 

           (2)   是否支持用戶板晶振？ 

           (3)   能否在真正仿真內(nèi)部64K 程序 （P0/P2 口仍做I/O 口）？ 

           (4)   P0/P2 口是否可以同時(shí)用作I/O 口和總線？ 

           (5)  仿真器的輸出/輸入口是否有可靠的保護(hù)？ 

           (6)   是否支持低電壓的仿真？ 

           (7)  是否支持增強(qiáng)型80C51性能？例如內(nèi)部的附加X(jué)RAM，雙DPTR，ALE 關(guān)閉，6CLK 時(shí)鐘等。 

           (8)   是否支持靜態(tài)關(guān)閉和動(dòng)態(tài)關(guān)閉ALE？ 

           (9)   是否靜態(tài)切換和動(dòng)態(tài)切換6/12 Clock？ 

           (10)是否支持更高的仿真頻率？ 

      仿真器廠家后續(xù)的技術(shù)支持 

       由于仿真器在應(yīng)用中的特殊性，用戶在選購(gòu)時(shí)盡量選擇有強(qiáng)大技術(shù)支持的生產(chǎn)廠家。好的技術(shù)支持不但能給您帶來(lái)仿真器使用上的支持，也能給您在應(yīng)用項(xiàng)目上的各個(gè)方面提出良好的建議和指導(dǎo)，使您能快速準(zhǔn)確的完成您目前的項(xiàng)目。但如前所述，國(guó)內(nèi)多數(shù)廠商規(guī)模很小，不能給用戶提供全面的技術(shù)支持。周立功公司在進(jìn)入工具行業(yè)后，提出了單片機(jī)的一攬子解決方，提供包括工具在內(nèi)的全方位的用戶支持，開辟了一種全新的銷售服務(wù)模式。 

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