仿真技术在单片机开发中的应用探讨

薛晓鲲

（西安外事学院工学院，陕西 西安 710000）

【摘要】现在单片机（Single-Chip Microcomputer）因其技术慢慢成熟，逐渐成为计算机发展和应用中不可缺少的重要方面，单片机（Single-Chip Microcomputer）技术的开发与运用彻底改变了传统的固有思路。本文选取电子琴系统作为例子来介绍仿真技术在单片机开发中的运用，并以单片机MCS-51和AT89S51软硬件协同（hardware-software codesign）的仿真技术来对整个系统进行模拟效仿,主要目的是为了突出单片机的普及程度,然后进一步对单片机（Single-Chip Microcomputer）技术的运用和发展起到促进的作用。

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关键词 仿真技术；单片机；应用

0　概述

单片机（Single-Chip Microcomputer）操作起来方便快捷，而且单片机能够很准确地对数据进行处理，可谓是速度快、效率高，正因为这样，单片机（Single-Chip Microcomputer）被广泛应用到了各个领域，可以称的上是计算机的左膀右臂，更是其不可缺少的重要分支。往后，单片机（Single-Chip Microcomputer）内的RAM、ROM存储容量越来越大，编程也会越来越方便，输入/输出端口会变得更多功能化，工作温度范围更广、可靠性更高、抗干扰能力更强、内部资源会变得更为丰富。

与此同时，电子设计自动化(EDA)以计算机的硬件和软件为基本的工作平台因为集成电路和计算机技术的飞速发展已经发展成为可以独当一面，甚至可以是作为替代品来完成电子系统设计的重要工具。其中FPGA是一种新兴的可编程逻辑器件(PLD),与其它可编程逻辑器件(PLD)相比,具有更高的密度、更快的工作速度和更大的编程灵活性，FPGA是一种新兴的可编程逻辑器件可以取代现有的全部微机接口芯片实现微机系统中的存储器、地址译码等多种功能具有更高的密度、更快的工作速度和更大的编程灵活性被广泛应用于各种电子类产品中[1]。单片机（Single-Chip Microcomputer）的优点良多，如果一定要举例说明，那首先提到的一定是它物超所值并且操作起来简单灵活、数据处理的能力极为突出……而FPGA的高速规范等特点能使这两个设备相互结合，以后的发展前景无限。

（1）单片机的含义

单片机（Single-Chip Microcomputer）又称微控制器，诞生于1971年（由intel公司研制），是一种由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成的集成电路，优点在于可靠性高、体积小、扩展灵活、应用软件配套并且能耗小、价格低等。单片机的发展分为早期、中期、当前三个主要阶段，经历了由Single Chip Microcomputer到Micro Controller Unit再到System on Chip的升级阶段，单片机的发明对于电子信息技术而言是向前踏进了一大步。

第一阶段是初级单片机形成的阶段，该阶段的特点是存储器容量较小，寻址范围<4K,没有串行接口，指令系统功能弱。

第二阶段是高性能单片机阶段，该阶段的特点是结构体系较第一阶段而言更加完善且性能大大提高，面向控制的特点更是进一步突出（其中，MCS-51为单片机中的经典款）。

第三阶段是微控制器化阶段，该阶段的特点是片内面向测控系统外围电路增强，使单片机（Single-Chip Microcomputer）可以在复杂的自动测控系统和设备中方便灵活地运用。

（2）单片机的应用

单片机（Single-Chip Microcomputer）因为什么原故而被器重，进而可以被广泛的应用呢？其实究其主要原因该是因为单片机（Single-Chip Microcomputer）能被更轻松地应用到嵌入式系统之中。单片机（Single-Chip Microcomputer）数量众多（远超过PC机和其他计算的总和），甚至在数量上从某种意义而言竟然比人类的总和还多，可见其数量之多！单片机（Single-Chip Microcomputer）的家族随着科学的发展慢慢壮大起来，如今，几乎所有能接触到的电子产品（如手机、电话、计算器）中都少不了集成有单片机（Single-Chip Microcomputer）的存在，机电一体化产品（如B超、打印机、复印机等）中也有它，实时工业控制（如温度控制、生产线控制等）中也有它，交通领域（如工业控制系统、汽车）中同样也会发现它的踪迹。

单片机的发展可以使人们的生活质量得到很大的提高，因为单片机能够使家电网络化技术增强，随着单片机技术的不断升级与精进，会使我们的生活更加的便捷。

1　单片机的分类

单片机（Single-Chip Microcomputer）有了新的发展，根据市场的需求，单片机（Single-Chip Microcomputer）的运行速度不断得到提高，用户可以根据产品的需要进行速度的选择。

单片机（Single-Chip Microcomputer）根据二进制运算的结果可以分为8位、16位、32位单片机等……可以根据使用场合的不同分为高端单片机和低端单片机，也可以根据通用类型来区分，分为通用型和专用型单片机[2]。甚至可以根据涉及的领域来进行单片机的分类，如家用类、通信类、军工类等单片机的类型。

2　有关仿真技术

仿真技术(Simulation Techniques)是以仿真工具（Simulator）为探索方法，仿真软件（simulation software）为探索目标，通过建立仿真模型(Simulation Models) 和进行仿真实验（simulation experiment）的方法来对自己猜测的结论进行初步研究、初步分析、初步评估，进过一些列分析后再更深入地进行深层次的研究、分析、评估，并根据取得结果来对自己的结论进行判定的综合技术。仿真技术(Simulation Techniques)不像大的工程，进行该项技术完全不需要被场地、气象、环境等所束缚，可以根据需求反复进行，经济实惠。由于科学技术的发展，仿真技术(Simulation Techniques)也在快速地与时俱进，仿真系统研究的对象日趋复杂，所用的建模愈来愈复杂，规模也愈来愈大且可以涉及的范围也十分广泛。它与很多学科都有千丝万缕的关系，可以毫不夸张的说仿真技术(Simulation Techniques)是一门综合多种学科的先进技术。

随着仿真技术的发展，仿真技术(Simulation Techniques)的应用目的变得多样化、全面化。仿真技术(Simulation Techniques)是作为对实际系统进行试验的辅助工具而应用的，其目的可以包括但不仅限于系统的研究、系统的设计与分析、系统的测试与评估、操作人员的培训等……

仿真技术(Simulation Techniques)的应用不仅仅限于产品，更可以来进行方案论证，战术技术指标论证、设计分析、生产制造、试验、维护、训练等各个有需要的阶段，除此之外，仿真技术(Simulation Techniques)还可以用于多个或单个系统中，可谓是以较低的费用取得最好的可能性。

3　仿真技术在单片机开发中的应用探讨（电子琴系统设计）

关于低级别的模拟，软件和硬件协同仿真技术（hardware-software codesign）对此研究还比较完善，与普通的不同（软件调试环境、微处理器模型和硬件协同仿真RTL描述），它在相对良好的环境中，自备控制接口通过一个系列软件（经由处理器和硬件交互发起）来和软件环境和硬件环境进行对接，我们在这里以电子琴的开发为例，介绍软硬件协同仿真技术（hardware-software codesign）在电子琴系统中的应用。

3.1　整体设计

现在我们以电子琴系统举例子进行说明，仿真板（emulator）是硬件仿真（hardware simulation）和调试界面，系统执行（system performs）、单步执行（single step）、监控断点等功能都是经由单片机（Single-Chip Microcomputer）仿真软件来对它们进行负责和处理的。AT89S51 /MCS-51单片机、矩阵键盘（matrix keyboard ）、音频模块（NAMTM）和显示模块（display module）应该被包括在电子琴的系统设计之中。这样子进行系统设计是以该系统的硬件和软件设计的前期来验证其正确性和性能效率为主要目的。

3.2　MCS-51单片机

3.2.1　关于整体系统的设计

MCS-51单片机由Intel公司生产，由于运用时间较早，影响面又大，已经成为了行业中的标杆，且该单片机（Single-Chip Microcomputer）采用两种半导体工艺生产，一种采用高速度、高密度和短沟道HMOS工艺。另一种是采用高速度、高密度和低功耗的互补金属氧化物的CHMOS工艺。

3.2.2　关于单片机的设计

MCS-51单片机以一个8位CPU为首，该CPU就像人类的大脑一样，是MCS-51单片机的指挥台，指令由CPU发出，然后根据CPU发出的指令，CPU会有相关执行机构来对指令进行读入和分析，MSC-51单片机内含的所有部件都受CPU的控制。这个CPU是由8位算术/逻辑运算部件ALU、布尔处理器、定时/控制部件和若干寄存器等主要部件组成。

MCS-51单片机的3个寄存器，分别是内部有工作寄存器、专用寄存器和特殊功能寄存器。

MCS-51单片机的两个存储器是分别独立的，可以储存不同的东西，按储存类型分为程序存储器和数据存储器，这两个存储器各的寻址系统均不相同，而控制信号、功能和分开编址则统称为哈佛结构（Harvard architecture）。

3.2.3　仿真设计难点

如何进行源程序编辑中的查找和替换是仿真设计的一大难点，为了可以对源程序提供的查找和替换功能进行又快又准地编辑,在对其进行编辑处理时时,（焦点虽然处于编辑位置）但是查找替换功能依然没有办法顺利进行下去，此刻应该想到将焦点放到查找和替换的窗口上,想办法让系统能够暂时性地生成一个编辑窗体对象进行焦点的定位,使在编辑窗体内查找和替换内容的操作这一项设想成为现实。MCS-51的CPU不仅是一个庞大的类，而且是仿真软件的核心，这些大类可分为：数据传送类、算术运算类、逻辑运算及移位类、控制转移类、位操作类等，不仅如此，还需要对CPU内部的所有资源(内部RAM,寄存器,位操作区)进行定义。

3.3　AT89S51单片机

3.3.1　关于单片机的设计

AT89S51单片机，其中有40个引脚，4K字节闪存芯片上的程序存储器，128 字节的随机存取数据存储器，32个外部双向口，五个中断优先级嵌套中断，两个16位可编程定时计数器，两个全双工串行通信端口，WDT电路，片上时钟振荡器，低功耗、高性能的8 位芯片[3]。芯片兼容标准MCS-51指令集和80C51引脚结构，使用高密度，非易失性内存技术，可为许多嵌入式控制应用提供具有成本效益的解决方案。

3.3.2　关于结构的设计

电子琴系统具有的按键数量较其他而言略多，因此这次例子中将其按矩阵结构来进行排列，尽管键盘按矩阵的结构排列比按连接式结构排列相比，不论是从识别方式还是其他都要更加的复杂，不过这样可以使端口的利用频率得到提高。各个按键之间（包括每一行和每一列）行线和列线要根据电阻器的功率作参考进行对应的连接，而按键的状态只会显示数字“0”和“1”。当按钮没有被按下的时候，输出端行线的产量高，这说明键按还没有被按下时，下列线输入能够和芯片链接，而一旦某一个键被按下，输入端电压会显示变低，我们可以通过观察输入线的状态得知有没有按键是被按下的状态，这可以使系统的性能得到提高。

3.3.3　在设计中对音频模块和显示模块的设计

对AT89S51使用音频脉冲刺激其定时器，每个反向输出脉冲的时间不断地经过反向、反向、再反向的过程，然后通过蜂鸣器发出刚刚流程中产生出不同频率的脉冲信号后，优美的音乐就诞生了，这就构成了使电子琴系统的音频模块形成的基本因素。另外，将AT89S51 单片机的P2 端口连接到一共阴数码管a－h 的引脚上，可以实现电子琴系统的显示模块，能够在数码管上循环显示数字0-9，总之，单片机仿真技术由于考虑到软件的实际情况，模拟运行验证可以更真实的应用环境，系统设计更容易早期发现问题，避免设计错误，克服芯片的开发成本高的缺点[4]。对整个系统的软件进行一番模拟和操作，不仅能降低开发的风险，还能减少开发的时间和开发的成本得到。

把共阴极数码管a-h这8个引脚连到AT89S51单片机的P2端口的P2.0-P2.7，来形成电子琴系统应用的显示模块，数码管在应用中可以将数字0-9显示出来。

简而言之，在进行系统仿真的设计和开发时有几点是必须要考虑到的，那就是软件和单片机（Single-Chip Microcomputer）的实际情况以及运行并验证仿真模拟软件的可行性有多大，在系统设计的方案落实之前，一些前期的问题要尽可能的考虑周全，要将“三思而后行”的观念落到实处，这样可以使将来在软件运行时有可能发生的问题得到避免，并且节约了成本，避免了投资浪费的情况发生，同时这也是对人力和物力的节省，使单片机（Single-Chip Microcomputer）技术的设计开发成本在可行性范围内大幅度地降低。

4　总结

当今社会，杀毒软件和防火墙越来越智能化，但是归根结底这些软件主要还是针对用户的操作系统环境进行实时监测、检测和防御病毒。那么针对一些具有高要求的企业的网络，提前计划和部署相应的安全解决方案是非常有必要的。不难理解，对于一些不安装任何防火墙和杀毒软件的电脑，公司的重要文件通过网络泄露机密的可能性是很大的。但是，根据我们的实践可以知道，大多数情况下安全管理软件和防毒软件会互相冲突、互相报错，并且这问题不容易解决。但现如今，我们可以通过仿真技术在单片机开发中的应用很好地解决这个（安全管理软件与防毒软件相互冲突）问题，这样就会使得企业信息安全得到了很大的保障，安全性得到了提高，继而减轻了企业IT的工作负担和工作内容。

考虑以上因素，微控制器硬件因为软硬件协同（hardware-software codesign）仿真技术的研发，所以不再需要模拟的全部功能，不仅如此，该技术的创造发明能让一个成功的系统设计增强信心。换而言之，软硬件协同（hardware-software codesign）仿真技术能让系统设计的调整更加简便，能提前评估设计的性能，还可以让软硬件的检测更加的容易。软硬件协同（hardware-software codesign）仿真技术的研发在单片机（Single-Chip Microcomputer）开发中表现出了卓越的仿真能力，这无条件地让这个技术摇身一变成为现今最好的仿真工具之一，据此可得，仿真技术在单片机（Single-Chip Microcomputer）开发的进程中具有非凡地推广意义。在此，我们不难预测，随着科学技术的不断发展和计算机仿真技术的日益完善，单片机（Single-Chip Microcomputer）仿真技术能实现单片机（Single-Chip Microcomputer）开发应用的最大效益并且日后的应用一定会更加广泛。

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参考文献

［1］李列文.FPGA低功耗设计相关技术研究[D].中南大学,2014.

［2］谈发明.基于中低端单片机的抢占式RTOS精简设计[D].南京理工大学,2009.

［3］徐金增.单片机编程仿真实验系统的设计与实现[D].山东师范大学,2009.

［4］陈华林.仿真技术在单片机开发中的应用[J].科技传播,2011,23:180.

［责任编辑：薛俊歌］