51單片機編程環境的搭建及代碼編寫的方法

1. 51單片機概述

51單片機是對所有兼容Intel 8031指令系統的單片機的統稱。目前教科書基本都是以早期的MCS-51為原型，講解微機的原理及其接口技術的。早期的51單片機功能都較弱，需擴展rom，ram等才能組成一個較復雜的系統。而現今流行的8位51單片機都比早期芯片作了較多的功能擴展，性能強勁。生產51單片機的廠家有很多，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單片機在國內尤為流行。因此，筆者采用宏晶性價比較高的一款51單片機stc12c5a60s2來作開發講解。該款51單片機已經是宏昌第N代產品了，其主要特征如下：

1.1. 增強型8051 CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統8051;

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

1.3. 用戶應用程序空間60K字節，片上集成1280字節RAM;

1.4. 通用I/O口36個（以封裝PDIP40為例），可設置成準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏，每個I/O口驅動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過55Ma;

1.5. ISP（在系統可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序。

1.6. 內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/S），EEPROM，看門狗，內部RC振蕩器，4個定時器，7路外部I/O口中斷等。

尤其需注意的是stc新一代的單片機都是1T單時鐘/機器周期，與課本介紹的早期51單片機是12T單周期是不一樣的，軟件實現延時時需作注意，其余擴充的特殊功能寄存器等請參考stc12c5a60s2的數據手冊。

2. 51單片機編程環境概述2.1. 代碼編譯工具

51單片機開發軟件基本無疑選用Keil C51集成開發環境。Keil C51是德國Keil Software公司（ARM公司收購了）出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等，目前最新版本已經到了uVision5。這里需要說明的是，Keil C51并不完全與ANSI C一樣，Keil C51由于面向的是51單片機，為了更好地詳述51的架構，Keil C51擴展了一些獨特的關鍵字，語法描述等。如用code說明為常量放在代碼區，data說明直接尋址區的變化，sfr聲明特殊功能寄存器等。

圖2.1-1

2.2. 代碼調試工具2.2.1. Keil自帶仿真調試器

Keil集成開發環境除了編譯鏈接工具外，還自帶了一個功能強大的仿真調試器。當然軟仿真是能夠看到Keil編譯后的匯編代碼，單步調試可以跟蹤各個寄存器的狀態變化，但是軟仿真是無法得到真實的外部輸入狀態的，如仿真真實開發板的按鍵輸入等。代碼調試時往往需要知道編譯器是否按照要求進行代碼的編譯處理，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，內存分配之類的信息。Keil在Target屬性中Listing列可進行設置，如C Compiler Listing選項中是c編譯器輸出選項，點上Assembly Code即輸出c編譯對應的匯編代碼，在文件.lst中。C Preprocessor Listing為c編譯器預處理輸出的信息，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），這包括編譯器對內存的分配，各個函數符號等。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，以判斷代碼的問題所在。

2.2.2. Proteus仿真軟件

Proteus軟件是英國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，數碼管，鍵盤等，并且是能仿真51單片機代碼運行的。在這里需要說明的是，請務必不能以仿真電路的效果圖與真實的硬件開發混攪，電路仿真軟件往往都是邏輯上的電路連接，完全不能夠用來說明真實硬件開發過程。此外，Proteus仿真51單片機也會有一些邏輯的問題，例如，在硬件上真實可運行的代碼在Proteus上無法仿真達到效果，修改一下代碼順序即可。總之，對于小代碼，Proteus都是可以勝任的，如果代碼太復雜，仿真任務會達到100%，無法再進行仿真了。因此，筆者推薦對于初學者，可先用Proteus進行仿真，進行一些最基本的練習，熟悉匯編語言，51單片機狀態變化，c語言等，驗證自己在51單片機架構學習中的一些理解，代碼實現的理解。學習到一定的程度還是需要一塊51開發板進行開發練習的，畢竟仿真軟件只能仿真很少部分的外圍，也不能仿真復雜的硬件及代碼。

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STC_ISP工具，連接串口線（一般采用usb轉串口線）進行下載。代碼燒寫傳輸是通過51單片機的uart串口信號線Tx，Rx完成的，stc單片機實現isp下載是因為芯片內部有廠商的固化代碼，上電復位后是先執行固化代碼，檢測串口有無接收到特定的命令，如果有則進入下載模式，與上位機的isp下載軟件進行通信，從而把代碼下載進單片機rom區。如果沒有有效的串口下載命令，則跳轉執行真正的用戶代碼，即從0000H處開始執行代碼。

圖2.3-1

3. 匯編流水燈入門代碼

筆者認為學習51單片機并不是能通過別人的例子用c語言模仿寫出類似的功能即可，必須要對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。因此學習51單片機其實更準確來說是學習微機的原理以及接口技術。而微機的原理以及接口技術對于51，arm或其它架構的mcu都是通用的，通過51來學習微機原理會涉及到匯編語言，因為只有匯編語言才能直接描述51內部的工作狀態。筆者以過來人的身份推薦初學者從51微機原理，匯編學起。C語言只是簡化封裝了匯編語言的一些處理過程，學完匯編，c語言也自然會達到相應的水平。此外，對于軟件出錯調試，只能跟蹤匯編代碼，查看寄存器的狀態判斷，而想學習arm，從事更深入的嵌入式開發，匯編是必不可少的。

3.1. 硬件原理圖

8個LED連接到P0口，當短接CON2后，只要P0口對應位為0（低電平），相應的LED則被點亮。此外說明一下為什么不用P0對應位為1時點亮而用0，因為傳統51單片機I/O口是弱上拉的，高電平是輸不出大電流的（相對低電平），高電平拉電流估計是ua級，但低電平灌電流幾個ma是不成問題的。對于stc系列51單片機，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到20ma（手冊數據）的輸出/吸收電流。

圖3.1-1

3.2. 工程搭建

打開Keil C51，Project-》NewuVersion Project，保存項目后，選擇cpu為Atmel的AT89C52的51單片機，這里需要說明的是，Keil沒有stc系列的51單片機選擇，只要是51內核，在Keil下可選擇任一廠家，任一款51單片機進行代碼編寫，因為代碼都是兼容的。而不同廠商芯片之間的差異只是rom大小，ram大小，片內外設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，編譯器會老老實實按照要求編譯代碼。選擇了cpu后，會提示是否加入51的啟動代碼到工程中，由于我們編寫的是匯編語言，此處不需要，加入后啟動代碼會與我們自己的匯編代碼定義沖突。這里需要說明的是，啟動代碼是初始化c環境需要的文件，啟動代碼會設置c代碼運行時的堆棧，清零全局變量，靜態變量區等。這就是為什么我們在c文件中定義一個全局變量，默認這個變量的初始值為0（C標準）。

3.3. 代碼編寫

創建一個新文件，命名為LEDs.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明，更多的匯編用法請google，百度。這里需要說明的是，51單片機第一條指令位置是在0H，后面相鄰的地址是分配給相應的中斷進入的，因此第一條指令往往會跳轉避開中斷向量地址區。以下代碼實現8個LED燈輪流點亮，點亮延時1s，這個匯編代碼是模仿c語言函數結構化編程的，里面可以類似認識到c編譯器大概是如何處理c函數并生成匯編的，當然編譯器匯編質量基本是無法達到人工匯編質量的。

ORG 0H ; 表示后面緊跟的那條指令的地址是 0000H

JMP Begin; 無條件跳轉到Begin處，以避免中斷向量地址

ORG 0BH ;000BH處為定時器T0的中斷處理入口

JMP T0_INT ; 未使用T0定時器中斷，只供代碼說明

T0_INT：

; 中斷發生時會自動把當前程序運行地址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