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第一章 基础理论 1.1 单片机程序设计与应用系统开发过程 单片机的行为是受程序控制的，因此开发与使用单片机必然会遇到程序设计的问题，单片机设计是一个硬件与软件结合的问题，而其软件设计的工作往往占有更多的成分。一个完整的嵌入式系统开发过程，除了硬件电路的设计外，软件工作包括程序编辑、汇编或编译、程序下载、程序调试、脱机验证等过程。 程序的编辑就是按照一定的格式，采用汇编或者C等高级语言进行编写。早期的单片机程序设计在DOS环境下符合一定的格式编辑，然后采用一个合适的软件汇编，生成二进制等CPU能识别的目标代码，将单片机（内带程序存储器的情形）或程序存储器放入编程器，编程器通过串口或USB等接口与PC机相连，将PC机存放的CPU能识别的代码下载到单片机或程序存储器中。图1-1是一个简单的说明。 图1-1　程序设计过程 采用以上方式进行开发的情形下，单片机必须是能从电路板上取下来，这对贴片封装的单片机就无能为力了。此时为了能在线仿真调试，需要昂贵的仿真头和仿真电缆与软件，而且几乎没有仿真器能做到100%的功能仿真，甚至有的问题正是来自于仿真器。随着技术的发展，采用ISP技术，只要在目标电路板上预留一个接口，通过一个很小的下载器，与PC机串、并口或USB口相连，就可以进行程序的调试与下载，尤其是有的单片机具有JTAG接口，下载调试更加方便，调试尽可能少占用单片机资源，更有甚者，像freescale的单片机，内置背景调试控制器（BDC ，Background Debug Controller），支持一线ISP和程序调试。目前程序开发需要的各种软件，如编辑、汇编、编译、链接、调试、下载等都集成到一个环境下（集成开发环境IDE），这些开发环境有的是针对某种单片机，由单片机厂商提供，有的则比较通用一些，这些开发环境如Silicon Laboratories，AVR Studio，Keil uVision，Freescale CodeWarrior等。 对于单片机初学者而言，进行单片机入门级的学习，建议手头具备如下材料： （1）某款单片机的完整的数据手册。需要搞清楚存储器配置情况，程序应该放在哪，数据与变量应该放在哪，程序是如何放入单片机中的（如果单片机中有程序存储器的话），如果单片机支持ISP功能，最好动手做一个下载器； （2）拥有使用单片机的完整的指令系统，寻址方式如果不太好掌握，先看指令。建议采用C等高级语言编程，这样可以避免学习枯燥难记的汇编指令。最好有一些例程，以及若干能完成某种功能的程序模块，包括对单片机管脚的电平控制程序。必须掌握程序的总体结构、变量的定义、程序开始位置、中断入口与处理方法、单片机I/O口的控制，单片机寄存器的控制等； （3）选择并确定合适的程序设计开发环境与编译器，了解程序设计中辅助汇编与编译的伪指令，通过实例了解程序设计中应该包含的头文件和库文件；了解集成开发环境中的程序调试与模拟仿真方法； （4）如果条件允许，选择合适的开发板与程序下载调试的方式，程序调试与监控手段。 （5） 尽可能多的看别人写的完整的实例程序。 （6） 如果是要进行系统开发，则需要在系统开发工具与开发语言的选择上下一番功夫。 1.1.1 单片机应用系统开发工具的选择 单片机系统的开发离不开相应的开发工具，包括编程器、实时仿真器、虚拟仿真软件、编译软件等。开发工具的主要作用包括系统硬件电路的诊断与检查、程序的输入与修改、程序的调试、程序的固化等。 编程器的作用就是将单片机程序的机器码烧写到单片机的存储器中，也称为程序的下载、烧写或固化。对于支持ISP功能的单片机，只需要下载电缆（或下载器）就可以完成。 实时仿真器包括相应的软件和硬件，一般是通过PC机，用软件监视程序在单片机中的实际情况。有的时候，程序实际是在PC机上运行，当需要与硬件交换信息的时候，才通过适当的接口实现PC机与目标板的信息交换。仿真器的主要功能是实时运行程序，在程序中设置断点，通过仿真接口，监视和控制程序的运行，查看和修改内部寄存器和数据存储器等。除了硬件实时仿真器，另一种做法就是软件监控程序的方法，在单片机的程序存储器中开辟一块地方，预先下载一段代码，该代码与PC机通讯，接受PC机的命令，同时接管单片机正常的中断，读取单片机内部寄存器与存储器信息，并发送到PC机，以达到程序监控的目的。针对支持ISP功能的单片机，可以通过实时仿真器或监控软件完成程序的下载工作。 虚拟仿真软件主要在没有单片机硬件情况下进行软件程序调试。通常这种系统是通过模拟开发软件和计算机平台构成。在仿真软件的支持下，可方便地实现对单片机硬件模拟、指令模拟和运行状态模拟，从而完成软件开发的全过程。目前比较典型的产品有英国Labcenter electronics公司的C/C++的Freesca