51單片機(jī)編程環(huán)境的搭建及代碼編寫的方法

1. 51單片機(jī)概述

51單片機(jī)是對(duì)所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。目前教科書基本都是以早期的MCS-51為原型，講解微機(jī)的原理及其接口技術(shù)的。早期的51單片機(jī)功能都較弱，需擴(kuò)展rom，ram等才能組成一個(gè)較復(fù)雜的系統(tǒng)。而現(xiàn)今流行的8位51單片機(jī)都比早期芯片作了較多的功能擴(kuò)展，性能強(qiáng)勁。生產(chǎn)51單片機(jī)的廠家有很多，像atmel的at80c51系列，華邦w78c051系列，宏晶stc80c51系列等，其中***宏晶stc系列51單片機(jī)在國(guó)內(nèi)尤為流行。因此，筆者采用宏晶性價(jià)比較高的一款51單片機(jī)stc12c5a60s2來(lái)作開發(fā)講解。該款51單片機(jī)已經(jīng)是宏昌第N代產(chǎn)品了，其主要特征如下：

1.1. 增強(qiáng)型8051 CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051;

1.2. 工作頻率范圍：0 - 35MHz，相當(dāng)于普通8051的 0～420MHz;

1.3. 用戶應(yīng)用程序空間60K字節(jié)，片上集成1280字節(jié)RAM;

1.4. 通用I/O口36個(gè)（以封裝PDIP40為例），可設(shè)置成準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏，每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過(guò)55Ma;

1.5. ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專用編程器，無(wú)需專用仿真器 可通過(guò)串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序。

1.6. 內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S），EEPROM，看門狗，內(nèi)部RC振蕩器，4個(gè)定時(shí)器，7路外部I/O口中斷等。

尤其需注意的是stc新一代的單片機(jī)都是1T單時(shí)鐘/機(jī)器周期，與課本介紹的早期51單片機(jī)是12T單周期是不一樣的，軟件實(shí)現(xiàn)延時(shí)時(shí)需作注意，其余擴(kuò)充的特殊功能寄存器等請(qǐng)參考stc12c5a60s2的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

2. 51單片機(jī)編程環(huán)境概述2.1. 代碼編譯工具

51單片機(jī)開發(fā)軟件基本無(wú)疑選用Keil C51集成開發(fā)環(huán)境。Keil C51是德國(guó)Keil Software公司（ARM公司收購(gòu)了）出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)，提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等，目前最新版本已經(jīng)到了uVision5。這里需要說(shuō)明的是，Keil C51并不完全與ANSI C一樣，Keil C51由于面向的是51單片機(jī)，為了更好地詳述51的架構(gòu)，Keil C51擴(kuò)展了一些獨(dú)特的關(guān)鍵字，語(yǔ)法描述等。如用code說(shuō)明為常量放在代碼區(qū)，data說(shuō)明直接尋址區(qū)的變化，sfr聲明特殊功能寄存器等。

圖2.1-1

2.2. 代碼調(diào)試工具2.2.1. Keil自帶仿真調(diào)試器

Keil集成開發(fā)環(huán)境除了編譯鏈接工具外，還自帶了一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器。當(dāng)然軟仿真是能夠看到Keil編譯后的匯編代碼，單步調(diào)試可以跟蹤各個(gè)寄存器的狀態(tài)變化，但是軟仿真是無(wú)法得到真實(shí)的外部輸入狀態(tài)的，如仿真真實(shí)開發(fā)板的按鍵輸入等。代碼調(diào)試時(shí)往往需要知道編譯器是否按照要求進(jìn)行代碼的編譯處理，因此，可以讓編譯器輸出它是如何編譯，鏈接文件的，我們可以查看這些了解編譯器編譯c生成的匯編代碼，鏈接的符號(hào)，內(nèi)存分配之類的信息。Keil在Target屬性中Listing列可進(jìn)行設(shè)置，如C Compiler Listing選項(xiàng)中是c編譯器輸出選項(xiàng)，點(diǎn)上Assembly Code即輸出c編譯對(duì)應(yīng)的匯編代碼，在文件.lst中。C Preprocessor Listing為c編譯器預(yù)處理輸出的信息，AssemblerListing為匯編器輸出的處理信息，LinkerListing為鏈接器輸出的處理信息（在.m51后綴文件中），這包括編譯器對(duì)內(nèi)存的分配，各個(gè)函數(shù)符號(hào)等。通常編譯后的匯編代碼以及代碼的鏈接信息是可以跟蹤查看，以判斷代碼的問(wèn)題所在。

2.2.2. Proteus仿真軟件

Proteus軟件是英國(guó)Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件，它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。Proteus具有電路仿真功能，能仿真一些最基本電子元器件，如led，數(shù)碼管，鍵盤等，并且是能仿真51單片機(jī)代碼運(yùn)行的。在這里需要說(shuō)明的是，請(qǐng)務(wù)必不能以仿真電路的效果圖與真實(shí)的硬件開發(fā)混攪，電路仿真軟件往往都是邏輯上的電路連接，完全不能夠用來(lái)說(shuō)明真實(shí)硬件開發(fā)過(guò)程。此外，Proteus仿真51單片機(jī)也會(huì)有一些邏輯的問(wèn)題，例如，在硬件上真實(shí)可運(yùn)行的代碼在Proteus上無(wú)法仿真達(dá)到效果，修改一下代碼順序即可?？傊?，對(duì)于小代碼，Proteus都是可以勝任的，如果代碼太復(fù)雜，仿真任務(wù)會(huì)達(dá)到100%，無(wú)法再進(jìn)行仿真了。因此，筆者推薦對(duì)于初學(xué)者，可先用Proteus進(jìn)行仿真，進(jìn)行一些最基本的練習(xí)，熟悉匯編語(yǔ)言，51單片機(jī)狀態(tài)變化，c語(yǔ)言等，驗(yàn)證自己在51單片機(jī)架構(gòu)學(xué)習(xí)中的一些理解，代碼實(shí)現(xiàn)的理解。學(xué)習(xí)到一定的程度還是需要一塊51開發(fā)板進(jìn)行開發(fā)練習(xí)的，畢竟仿真軟件只能仿真很少部分的外圍，也不能仿真復(fù)雜的硬件及代碼。

圖2.2.2-1

2.3. 代碼燒錄工具

Keil C51編譯生成的hex文件通過(guò)STC_ISP工具，連接串口線（一般采用usb轉(zhuǎn)串口線）進(jìn)行下載。代碼燒寫傳輸是通過(guò)51單片機(jī)的uart串口信號(hào)線Tx，Rx完成的，stc單片機(jī)實(shí)現(xiàn)isp下載是因?yàn)樾酒瑑?nèi)部有廠商的固化代碼，上電復(fù)位后是先執(zhí)行固化代碼，檢測(cè)串口有無(wú)接收到特定的命令，如果有則進(jìn)入下載模式，與上位機(jī)的isp下載軟件進(jìn)行通信，從而把代碼下載進(jìn)單片機(jī)rom區(qū)。如果沒(méi)有有效的串口下載命令，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行真正的用戶代碼，即從0000H處開始執(zhí)行代碼。

圖2.3-1

3. 匯編流水燈入門代碼

筆者認(rèn)為學(xué)習(xí)51單片機(jī)并不是能通過(guò)別人的例子用c語(yǔ)言模仿寫出類似的功能即可，必須要對(duì)自己的編碼意圖比較清晰，這樣脫離任何例程都是可以自己掌控編寫代碼。因此學(xué)習(xí)51單片機(jī)其實(shí)更準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)是學(xué)習(xí)微機(jī)的原理以及接口技術(shù)。而微機(jī)的原理以及接口技術(shù)對(duì)于51，arm或其它架構(gòu)的mcu都是通用的，通過(guò)51來(lái)學(xué)習(xí)微機(jī)原理會(huì)涉及到匯編語(yǔ)言，因?yàn)橹挥袇R編語(yǔ)言才能直接描述51內(nèi)部的工作狀態(tài)。筆者以過(guò)來(lái)人的身份推薦初學(xué)者從51微機(jī)原理，匯編學(xué)起。C語(yǔ)言只是簡(jiǎn)化封裝了匯編語(yǔ)言的一些處理過(guò)程，學(xué)完匯編，c語(yǔ)言也自然會(huì)達(dá)到相應(yīng)的水平。此外，對(duì)于軟件出錯(cuò)調(diào)試，只能跟蹤匯編代碼，查看寄存器的狀態(tài)判斷，而想學(xué)習(xí)arm，從事更深入的嵌入式開發(fā)，匯編是必不可少的。

3.1. 硬件原理圖

8個(gè)LED連接到P0口，當(dāng)短接CON2后，只要P0口對(duì)應(yīng)位為0（低電平），相應(yīng)的LED則被點(diǎn)亮。此外說(shuō)明一下為什么不用P0對(duì)應(yīng)位為1時(shí)點(diǎn)亮而用0，因?yàn)閭鹘y(tǒng)51單片機(jī)I/O口是弱上拉的，高電平是輸不出大電流的（相對(duì)低電平），高電平拉電流估計(jì)是ua級(jí)，但低電平灌電流幾個(gè)ma是不成問(wèn)題的。對(duì)于stc系列51單片機(jī)，I/O口是可以配置成推挽輸出的，這樣高低電平都是可以達(dá)到20ma（手冊(cè)數(shù)據(jù)）的輸出/吸收電流。

圖3.1-1

3.2. 工程搭建

打開Keil C51，Project-》NewuVersion Project，保存項(xiàng)目后，選擇cpu為Atmel的AT89C52的51單片機(jī)，這里需要說(shuō)明的是，Keil沒(méi)有stc系列的51單片機(jī)選擇，只要是51內(nèi)核，在Keil下可選擇任一廠家，任一款51單片機(jī)進(jìn)行代碼編寫，因?yàn)榇a都是兼容的。而不同廠商芯片之間的差異只是rom大小，ram大小，片內(nèi)外設(shè)以及一些廠家特有的特殊功能寄存器的定義。這些都可以在工程中，代碼中重新定義，編譯器會(huì)老老實(shí)實(shí)按照要求編譯代碼。選擇了cpu后，會(huì)提示是否加入51的啟動(dòng)代碼到工程中，由于我們編寫的是匯編語(yǔ)言，此處不需要，加入后啟動(dòng)代碼會(huì)與我們自己的匯編代碼定義沖突。這里需要說(shuō)明的是，啟動(dòng)代碼是初始化c環(huán)境需要的文件，啟動(dòng)代碼會(huì)設(shè)置c代碼運(yùn)行時(shí)的堆棧，清零全局變量，靜態(tài)變量區(qū)等。這就是為什么我們?cè)赾文件中定義一個(gè)全局變量，默認(rèn)這個(gè)變量的初始值為0（C標(biāo)準(zhǔn)）。

3.3. 代碼編寫

創(chuàng)建一個(gè)新文件，命名為L(zhǎng)EDs.ASM，ASM為51匯編文件后綴，保存并加入工程。匯編的一些基本用法在代碼注釋中有說(shuō)明，更多的匯編用法請(qǐng)google，百度。這里需要說(shuō)明的是，51單片機(jī)第一條指令位置是在0H，后面相鄰的地址是分配給相應(yīng)的中斷進(jìn)入的，因此第一條指令往往會(huì)跳轉(zhuǎn)避開中斷向量地址區(qū)。以下代碼實(shí)現(xiàn)8個(gè)LED燈輪流點(diǎn)亮，點(diǎn)亮延時(shí)1s，這個(gè)匯編代碼是模仿c語(yǔ)言函數(shù)結(jié)構(gòu)化編程的，里面可以類似認(rèn)識(shí)到c編譯器大概是如何處理c函數(shù)并生成匯編的，當(dāng)然編譯器匯編質(zhì)量基本是無(wú)法達(dá)到人工匯編質(zhì)量的。

ORG 0H ; 表示后面緊跟的那條指令的地址是 0000H

JMP Begin; 無(wú)條件跳轉(zhuǎn)到Begin處，以避免中斷向量地址

ORG 0BH ;000BH處為定時(shí)器T0的中斷處理入口

JMP T0_INT ; 未使用T0定時(shí)器中斷，只供代碼說(shuō)明

T0_INT：

; 中斷發(fā)生時(shí)會(huì)自動(dòng)把當(dāng)前程序運(yùn)行地址PC壓入棧sp

; 中斷處理完后用RETI中斷返回，從棧sp中出棧到PC返回打斷程序處

RETI

LED1 EQUP0.0 ; LED1由P0口第0位控制，以下類似

LED2 EQU P0.1

LED3 EQU P0.2

LED4 EQU P0.3

LED5 EQU P0.4

LED6 EQU P0.5

LED7 EQU P0.6

LED8 EQU P0.7

ORG 100H

Begin：

MOV P0， #0xff ;P0口輸出全1，所有LED滅

LOOP：

; R6，R7為調(diào)用函數(shù)的參數(shù)傳入，參數(shù)為16位，需2字節(jié)

; _Delay_ms對(duì)應(yīng)c函數(shù)原型為void Delay_ms（intnCount）

; 共延時(shí)nCount * 1ms（12M普通8051），對(duì)于stc指令周期1T的

; 延時(shí)nCount * （1/6）ms （12M）

CLR LED1 ;直接位清0指令，清除P0口第0位，LED1亮

MOV R7， #（1000& 0xff） ; 參數(shù)為1000，普通8051延時(shí)1s

MOV R6， #（（1000》》8） & 0xff） ; 16位變量