引言

当今很多院校中，单片机的教学仍以经典的51内核单片机为主。其实验与应用开发中最重要的环节是软、硬件综合调试，通常采用的方法主要有两种：一种是使用仿真器，优点是功能齐全，但是价格较高，一般厂家研发采用；另一种是使用软件仿真和芯片直接烧写验证的方法，其成本虽然低，但在程序或硬件出现疑难问题时，很难找到原因。

实际上，还有一种成本低且具有在线仿真调试功能的技术是在线仿真调试，它特别适合初学者。“在线仿真调试”是指：通过Keil C51编译器，结合单片机中的监控程序，对系统的应用程序和硬件进行仿真调试，可以让单片机以单步、断点、全速等运行模式来执行程序。在线仿真调试是单片机应用开发过程中的高效方法，国内STC公司的51内核单片机IAP15F2K61S2便具有在线仿真调试功能。

1在线仿真调试概述

Keil C51编译器开放了调试器与目标芯片的接口，只要芯片厂商提供自己特有的驱动程序(动态链接库DLL)，就能使Keil调试器在不改变图形界面的情况下支持相应的硬件仿真调试。

STC Monitor51 是STC公司开发的内嵌Keil C51编译器的目标系统调试模块，它是一个实时监控程序，可利用PC机的USB口与目标端进行通信。在线仿真调试系统的结构示意图如图1所示。

图1 在线仿真调试系统的结构示意图

PC机端由Keil调试器和STC Monitor51的驱动程序stcmon51.DLL组成，stcmon51.DLL是STC公司自主开发的Keil仿真驱动协议，功能相比于Keil自带的Mon51.DLL有较大的突破，例如：更改通信接口为真正的USB口，支持Keil Flash Download功能，支持软件复位，增加断点数量等。目标端由USB转串口芯片CH340、51内核单片机及STC Monoitor 51监控程序组成。Keil调试器将用户的调试指令通过PC机的USB口传送给目标端；目标端的USB转串口芯片将其转换为TTL电平后发送给单片机，最后由单片机中驻留的STC Monitor 51监控程序分析并执行。

2在线仿真调试实现

2.1IAP15F2K61S2的存储器结构

STC Monitor 51具有载入并执行用户程序的功能，所以要求单片机的程序存储器为Flash ROM，并具有ISP功能。ISP（In System Programming，在系统编程）指电路板上器件不用取出，就可以写入用户代码，已经编程的芯片也可以用ISP方式擦除或再编程。

IAP15F2K61S2单片机的程序存储器与数据存储器是独立编址的。IAP15F2K61S2单片机内部在物理上有4个相互独立的存储器空间：程序存储器（程序Flash）、片内基本RAM、片内扩展RAM与EEPROM（数据Flash）。IAP15F2K61S2单片机片内集成了61 KB的程序Flash存储器，其地址为0000H～F3FFH。用户可以使用的最大程序空间为55 KB，整个程序Flash存储器的分布图如图2所示。

图2 IAP15F2K61S2程序Flash存储器的分布图

很多单片机在出厂时已经将具有Boot loader功能的程序固化在系统区中，因此无需编程器就可通过ISP下载软件将用户程序下载到Flash ROM中。STC公司的单片机可以进行ISP串行下载程序，就是因为系统区中有芯片出厂时就已经固化的ISP引导码。如果想要下载应用程序至单片机，先要在下载软件界面上进行相应选择，然后再上电，当单片机检测到上位机中有特定的下载条件时，便启用ISP下载功能将程序下载至用户程序区；否则，单片机便会从用户应用程序区中开始执行代码。

STC公司的最新ISP下载软件stcisp15xxv6.77.exe还可以将STC Monoitor 51监控程序下载到监控程序区，从而实现在线仿真调试功能。

2.2IAP15F2K61S2的ISP和IAP实现

在线仿真调试功能的实现依赖于用户系统内部的监控程序和PC 机上的下载程序。其具体实现主要利用IAP（ In Applicatin Programming，在应用编程）技术，即在程序运行时程序存储器可由程序自身进行擦写。IAP15F2K61S2单片机的IAP功能，与以下几个特殊功能寄存器有关。

IAP_DATA：ISP/IAP 数据寄存器，从Flash 读出的数据放在此处，写入Flash的数据也需放在此处。

IAP_ADDRH：ISP/IAP 地址寄存器高8位。

IAP_ADDRL：ISP/IAP 地址寄存器低8位。

IAP_CMD：ISP/IAP 命令寄存器，须IAP_TRIG触发方可生效。

IAP_TRIG：ISP/IAP 命令触发寄存器。

IAP_CONTR：ISP/IAP 控制寄存器。

当IAPEN（IAP_CONTR.7）=1 时，只有对IAP_TRIG 先写入0x5A、再写入0xA5，ISP/IAP命令才会生效。

ISP/IAP操作完成后，IAP命令寄存器、IAP地址高8位地址寄存器和低8位地址寄存器的内容都不变。如果需要对下一个地址的数据进行ISP/IAP操作，则要手动将该地址的高8位和低8位对应写入地址寄存器中。每次进行IAP操作时，都要对IAP_TRIG 先写入0x5A，再写入0xA5，ISP/IAP命令才会生效。

ISP/IAP命令寄存器IAP_CMD的格式如表1所列。通过对命令寄存器IAP_CMD的MS1和MS0位进行赋值，可以实现相应功能。

IAP15F2K61S2程序在用户应用程序区时，不仅可以对数据Flash区（EEPROM）进行字节读、字节编程和扇区擦除，而且可以修改用户应用程序区。扇区擦除程序示意性代码如下所示，其他ISP/IAP操作类似。

IAP_ADDRH = EE_address / 256;//送扇区地址高字节（地址需要改变时才需重新送地址）

IAP_ADDRL = EE_address % 256;//送扇区地址低字节（512字节/扇区）

IAP_CONTR = 0x80;//设置等待时间，允许ISP/IAP操作，送一次就够

IAP_CMD = 3;//送扇区擦除命令，命令不需改变时，不需重新送命令

IAP_TRIG = 0x5A;

IAP_TRIG = 0xA5;//ISP/IAP触发命令

2.3 监控程序

为配合Keil调试器的硬件仿真调试，监控程序应具备相应的单步、断点设置、ID读取等功能。仿真开始时，监控程序接收命令，判断相应的功能操作，再执行。STC Monoitor 51监控程序只能在程序中给定点处监测，调试时需要占用程序空间，属于一种侵入式的调试，其工作流程如图3所示。

图3 STC Monoitor 51监控程序工作流程图

2.4IAP15F2K61S2在线仿真调试过程

以前的51内核单片机在线仿真调试时，需要根据硬件结构，修改应用程序和Keil C51集成开发环境的参数，初学者不易掌握，从而影响普及推广。STC公司的IAP15F2K61S2是十分易用的在线仿真调试芯片，只需利用最新ISP下载软件stcisp15xxv6.77.exe，将监控程序下载到单片机中，就可轻松地实现在线仿真调试功能。IAP15F2K61S2线仿真调试过程如下。

2.4.1安装仿真驱动

运行ISP下载软件stcisp15xxv6.77.exe，在“Keil仿真设置”页面中单击“添加MCU型号到Keil中”按钮，在出现的目录选择窗口中，确定到Keil的安装目录(一般可能为“C:\\Keil\\”)。添加头文件的同时也会安装STC的STC Monitor51仿真驱动stcmon51.DLL。

2.4.2创建仿真芯片

将一颗IAP15F2K61S2通过目标板连接到电脑的USB口，然后在“Keil仿真设置”页面中单击“将IAP15F2K61S2设置为仿真芯片”按钮，再给目标板上电，当程序下载完成后仿真器便制作完成。

2.4.3创建项目工程

若上一步的驱动安装成功，则在Keil中新建项目工程、选择芯片型号时，便会有“STC MCU Database”的选择项，然后从列表中选择相应的MCU型号（目前STC支持仿真的型号只有STC15F2K60S2），单击“确定”完成选择，再按Keil的一般使用方法添加源程序到项目工程中，若编译无误，则可以进行下面的项目设置。

2.4.4硬件仿真驱动选择

选择Project中的Opertions for Target'′Target1′，进入“Debug”设置页，在右侧的硬件仿真驱动下拉列表中选择“STC Monitor51 Driver”项，然后单击“Settings”按钮，对串口的端口号和波特率进行设置，波特率一般选择115 200或者57 600。到此设置便完成了。

2.4.5在线仿真调试

在这个Keil工程下，按下“Ctrl+F5”即可开始在线仿真调试。若硬件连接无误，将会进入到类似于常用的软件调试，并在命令输出窗口显示当前的仿真驱动版本号和当前仿真监控代码固件的版本号,可以选择单步运行、断点运行、全速运行等进行仿真调试。调试中的注意事项主要有：断点设置的个数不要太多，否则会影响调试速度；若仿真源代码为汇编程序，则第一条语句必须是长跳转语句，不能使用其他语句；仿真中，不能使用与P3.0和P3.1引脚相关的中断和功能。

结语

结合IAP15F2K61S2单片机与监控程序STC Monoitor 51、Keil C51集成开发软件，提供了一种成本低、功能强的在线硬件仿真调试技术，降低了使用单片机开发工具的门槛，特别适用于单片机初学者以及学校的教学活动，也为选用51内核单片机进行应用开发带来了极大便利，只需下载监控代码就可以进行在线仿真调试。