淺談單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

摘 要：單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程像一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣，單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)也是由硬件和軟件組成。硬件和軟件只有緊密配合，協(xié)調(diào)一致，才能組成高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。本文簡要介紹了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件與軟件的設(shè)計(jì)流程和方法。

關(guān)鍵詞：單片機(jī) 硬件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號：TB1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0019-01

1 總體設(shè)計(jì)

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)根據(jù)對系統(tǒng)的功能要求及其應(yīng)用環(huán)境等確定合理、具體的功能和技術(shù)指標(biāo)，對應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性、通用性、先進(jìn)性、可維護(hù)性以及成本等進(jìn)行綜合考慮，以盡量合理并符合單片機(jī)性能及開發(fā)工具等因素選擇合適的單片機(jī)機(jī)型。接下來要根據(jù)系統(tǒng)中可能涉及的傳感器、模擬電路、I/O接口、存儲器、打印機(jī)和顯示器等器件和設(shè)備進(jìn)行器件選擇，使之符合系統(tǒng)在精度、速度和可靠性等方面的要求。最后確定硬件和軟件的功能劃分，由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中某些功能用硬件和軟件都能實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮研制周期和成本等因素具體劃分軟、硬件功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，在所選擇的單片機(jī)型的基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)擴(kuò)展所要用的存儲器、I/O電路、A/D及D/A電路和有關(guān)的外圍電路等，然后設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電路原理圖。

單片機(jī)內(nèi)部沒有程序存儲器或存儲器容量不夠時(shí)需擴(kuò)展外部程序存儲器。可作為程序存儲器的芯片有多種非易失存儲器，從它們的價(jià)格和性能特點(diǎn)上考慮選擇。由于目前單片機(jī)片內(nèi)存儲器的容量越來越大，如設(shè)計(jì)的應(yīng)用系統(tǒng)所需的存儲器空間比較小，則可能就沒有必要擴(kuò)充程序存儲器。對于數(shù)據(jù)存儲器的容量要求，各個(gè)系統(tǒng)之間差別比較大。有的測量儀器和儀表只需少量的RAM即可，此時(shí)應(yīng)盡量選用容量能符合要求的單片機(jī)。對于要求較大容量RAM的系統(tǒng)，對RAM芯片的選擇原則是盡可能減少芯片的數(shù)量。由于外設(shè)多種多樣，這使得單片機(jī)與外設(shè)之問的接口電路也各不相同。因此，I/O接口電路常常是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中設(shè)計(jì)最復(fù)雜也是最困難的部分之一。在設(shè)計(jì)I/O接口電路時(shí)應(yīng)從體積、價(jià)格、功能、負(fù)載等幾方面考慮。此外還要考慮和系統(tǒng)中的傳感器、放大器相匹配等問題。所有的需要擴(kuò)展外部存儲器和輸入/輸出接口設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)都需要設(shè)計(jì)譯碼電路，譯碼電路在設(shè)計(jì)時(shí)要盡可能簡單，這就要求存儲器空間分配合理、譯碼方式選擇得當(dāng)。

如果單片機(jī)外部擴(kuò)展的器件較多，負(fù)載過重，就要考慮設(shè)計(jì)總線驅(qū)動器。系統(tǒng)擴(kuò)展和配置設(shè)計(jì)遵循的原則如下：（1）盡可能選擇典型通用的電路，并符合單片機(jī)的常規(guī)用法。（2）系統(tǒng)的擴(kuò)展與外圍設(shè)備配置的水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)前的功能要求，并留有適當(dāng)余地，便于以后進(jìn)行功能擴(kuò)充。（3）整個(gè)系統(tǒng)中相關(guān)的器件要性能匹配。（4）應(yīng)注意在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能充分地利用單片機(jī)的片內(nèi)資源，使自己設(shè)計(jì)的電路向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化靠攏。硬件設(shè)計(jì)結(jié)束后，應(yīng)編寫出硬件電路原理圖及硬件設(shè)計(jì)說明書。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是一個(gè)整體。軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)一，系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)定型后，軟件的功能也就基本明確了。一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中的軟件一般是由系統(tǒng)監(jiān)控程序和應(yīng)用程序兩部分組成的。

合理的軟件結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)出一個(gè)性能優(yōu)良的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)，必須予以充分重視。在程序設(shè)計(jì)方法上，模塊程序設(shè)計(jì)是單片機(jī)應(yīng)用中最常用的程序設(shè)計(jì)技術(shù)。這種方法是把一個(gè)完整的程序分解為若干個(gè)功能相對獨(dú)立的較小的程序模塊，對各個(gè)程序模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)、編制和調(diào)試，最后將各個(gè)調(diào)試好的程序模塊連成一個(gè)完整的程序。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是單個(gè)程序模塊的設(shè)計(jì)和調(diào)試比較方便、容易完成，一個(gè)模塊可以為多個(gè)程序所共享。缺點(diǎn)是各個(gè)模塊的連接有時(shí)有一定難度。還有一種方法是自上而下設(shè)計(jì)程序。此方法是先從主程序開始設(shè)計(jì)，主程序編好后，再編制各從屬的程序和子程序。這種方法比較符合人們的日常思維。其缺點(diǎn)是上一級的程序錯(cuò)誤將對整個(gè)程序產(chǎn)生影響。

在軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定之后就可以進(jìn)入程序設(shè)計(jì)了，一般設(shè)計(jì)過程首先根據(jù)問題的定義，描述出各輸入變量和輸出變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，即建立數(shù)學(xué)模型。然后根據(jù)系統(tǒng)功能及操作過程，先列出程序的簡單功能流程框圖（粗框圖），再對粗框圖進(jìn)行擴(kuò)充和具體化，即對存儲器、寄存器、標(biāo)志位等工作單元作具體的分配和說明。把功能流程圖中每一個(gè)粗框轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的存儲單元、寄存器和I/O口的操作，從而繪制出詳細(xì)的程序流程圖（細(xì)框圖）。在完成流程圖設(shè)計(jì)以后，便可編寫程序。

編寫一個(gè)好的程序，正確性是主要的。但是，應(yīng)當(dāng)在保證完成規(guī)定功能的情況下，使整個(gè)程序所占內(nèi)存空間少、執(zhí)行指令時(shí)間短。這就要根據(jù)指令的功能、長度和執(zhí)行時(shí)間，精心選擇指令和排列指令。一般來說，編寫程序的過程可分為下述幾個(gè)步驟： 分析課題，根據(jù)要求確定算法或解題思路；根據(jù)算法或解題思路定出運(yùn)算步驟和順序，把運(yùn)算步驟畫成框圖；確定數(shù)據(jù)和工作單元，分配存放單元；按所使用的計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)，把確定的運(yùn)算步驟寫成匯編語言程序；上機(jī)調(diào)試源程序，從而確定源程序。在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)實(shí)際問題和所使用的計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)來確定算法，然后按盡可能節(jié)省數(shù)據(jù)存放單元、縮短程序長度和程序運(yùn)行時(shí)間3個(gè)原則編寫程序。按程序的基本結(jié)構(gòu)一般可分為直接程序、分支程序、循環(huán)程序和子程序。一個(gè)復(fù)雜的程序，一般由上述基本程序組成。單片機(jī)應(yīng)用程序可以采用匯編語言，也可以采用某些機(jī)器語言，例如可通過KielC51軟件來編寫C語言等。編寫完均須匯編成80C51的機(jī)器碼，經(jīng)調(diào)試正常運(yùn)行后，再固化到非易失性存儲器中去，完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)調(diào)試

當(dāng)完成了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)和硬件組裝后，便可進(jìn)入單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試階段。系統(tǒng)調(diào)試的目的是要查出用戶系統(tǒng)中硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)中存在的錯(cuò)誤及可能出現(xiàn)的不協(xié)調(diào)問題，以便修改設(shè)計(jì)，最終使用戶系統(tǒng)能正確、可靠地工作。通常是先排除明顯的硬件故障后和軟件結(jié)合起來進(jìn)行調(diào)試。常見的硬件故障有邏輯錯(cuò)誤、元器件失效、可靠性差和電源故障等。在進(jìn)行硬件調(diào)試時(shí)先進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，用萬用表等工具在樣機(jī)加電前根據(jù)原理圖和裝配圖仔細(xì)檢查線路，核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否正確。然后加電檢查各點(diǎn)電位是否正常。接下來再借助仿真開發(fā)儀器進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，分別測試擴(kuò)展的RAM、I/O口、I/O設(shè)備、程序存儲器以及晶振和復(fù)位電路，改正其中的錯(cuò)誤。軟件調(diào)試就是檢查系統(tǒng)軟件中的錯(cuò)誤。通常是把各個(gè)程序模塊分別進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試通過后再組合到一起進(jìn)行綜合調(diào)試，達(dá)到預(yù)定的功能技術(shù)指標(biāo)后即可將軟件固化。

參考文獻(xiàn)

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