80C51系列单片机仿真器选购指南

  第一章   为什么要使用仿真器？ 
 

        1.1 仿真的概念

        仿真的概念其实使用非常广，最终的含义就是使用可控的手段来模仿真实的情况。 

      在嵌入式系统的设计中，仿真应用的范围主要集中在对程序的仿真上。例如，在单片机的开发过程中，程序的设计是最为重要的但也是难度最大的。一种最简单和原始的开发流程是：编写程序－烧写芯片－验证功能，这种方法对于简单的小系统是可以对付的，但在大系统中使用这种方法则是完全不可能的。

      1.2  仿真的种类

       软件仿真：这种方法主要是使用计算机软件来模拟运行实际的单片机运行，因此仿真与硬件无关的系统具有一定的优点。用户不需要搭建硬件电路就可以对程序进行验证，特别适合于偏重算法的程序。软件仿真的缺点是无法完全仿真与硬件相关的部分，因此最终还要通过硬件仿真来完成最终的设计。

      硬件仿真：使用附加的硬件来替代用户系统的单片机并完成单片机全部或大部分的功能，使用了附加硬件后用户就可以对程序的运行进行控制，例如单步，全速，查看资源，断点等。硬件仿真是开发过程中所必须的。

      1.3  为什么要使用仿真器?

       在与一些有经验的工程师交谈中，我们会发现有相当一部分工程师在开发中不使用或很少仿真器。向他们询问原因，得到的回答是“仿真器不可靠”。但是他们是如何解决程序开发中遇到的问题呢？通过深入的交流才明他们是照这样的方法来开发程序的：

       (1)   根据自己的设计建立一个符合要求的硬件平台，如果该平台涉及的程序比较复杂，还要搭建一个人机交流的通道。人机交流通道可能是一个简单的发光二极管，蜂鸣器，复杂的可能是串口通讯口，LCD显示屏。

      (2)  写一个最简单的程序，例如只是将发光二极管连续的闪烁。程序编译后烧写到单片机芯片中，验证硬件平台是否工作正常。

     (3)  硬件平台正常工作后编写系统最低层的驱动程序，每次程序更改后都重新烧写单片机芯片验证。如果在程序验证中遇到问题，则可能在程序中加入一些调试手段，例如通过串口发送一些信息到PC 端的超级终端上，用于了解程序的运行情况。

     (4)  系统低层驱动程序完成后再编写用户框架程序，由于这部分已经不涉及到硬件部分，所以程序中的问题用户一般能够发现。

       但是更多的调查表明，使用以上方法的工程师总的看来所设计的程序不是很庞大或很复杂。因为在做简单的项目时，我们可以通过一个发光二极管就可以表达出内部的信息；如果程序复杂，可能需要更多的信息来表示内部的状态，这样可能就需要串口协助调试；如果程序更复杂，硬件更多，实时性更强，那工程师就要更多的增强调试手段，串口可能就不能满足了，需要类似于断点的功能，因为我想知道在某一个时刻单片机内部的状态究竟是怎样？

        如果用户程序的修改非常频繁，可能一次又一次地的烧写芯片占用的时间就很多，这时用户就会想能下载程序并运行的装置。到这里，您会看到，随着用户要求的越来越高，调试装置已经越来越象一个通用的仿真器了。因此我们的建议是：不要回避使用仿真器，因为使用仿真器能提高您的开发速度。

        但是不能否认的是，用户回避使用仿真器也是有原因的。因为仿真器也是一种电子装置，非常依赖于设计者的水平。如果一个仿真器设计者的水平有欠缺，那将给仿真器的使用者带来很大的问题，因为仿真器的使用者将分不清楚究竟是程序的问题还是出在那里。随着电子设备的复杂化，设计工程师面临前所未有的压力。您可以想象，用户发现了程序中有一个问题，首先怀疑是自己系统中的问题，可能是软件方面也可能是硬件方面。因为用户系统处于开发阶段，用户基本上不会怀疑仿真器。在这种情况下，用户将耗费很大的精力在自己的系统中寻找并不存在的问题。如果用户最终发现问题来源于仿真器，并通过烧写芯片验证确实如此，那这个仿真器用户以后可能会逐渐放弃使用仿真器。

       用户放弃使用仿真器，对用户的影响是巨大的。因为放弃使用一个设计不完善的仿真器，也放弃了 使用其它设计完善的仿真器，关键是放弃了合理的开发方法。因此我们的建议是：不要回避使用仿真器，但要挑选好的仿真器。

      1.4仿真器的附加服务更加重要

       在购买仿真器的同时，还要注意仿真器厂家的服务，这一点很关键。这里说的服务包含仿真器本身的服务，例如仿真器使用上的指导服务，仿真器的维修服务。这些都是一个产品的最基本的服务，对于仿真器这种特殊产品来将还不是全部的服务。

       使用仿真器来开发产品，会遇到很多问题：产品本身的问题，仿真器的问题，仿真器和用户系统的问题。如果用户开发经验不是很丰富，他并不能排除遇到的问题究竟来源于哪个方面。这时，他可能求助于仿真器生产厂商。如果仿真器的生产厂商只专注于仿真器的设计，而对于其它的单片机应用不熟悉，他可能对用户提出的问题不能作出正确的判断而一味的强调自己的仿真器没有问题。与之相反，一个既熟悉仿真器的使用，又有丰富开发经验的仿真器支持厂商则能协助用户快速的找出问题，实践证明这两种情况带来的效果是完全不一样的。因此我们的建议是：挑选好的仿真器，更要挑选好的技术支持。

       第二章    仿真器中使用的技术

        仿真器的生产在国内有十多年的历史，其中使用的技术根据时间和性能的不同大约分成以下几种：

       (1) 仿真开发系统

       这种技术主要在仿真器的初级阶段使用。由于当时没有好的仿真技术或仿真芯片，仿真器设计成了一个双平台的系统并根据用户的要求在监控系统和用户系统中切换。这种仿真系统性能完全依赖于设计者的水平，实际的最终性能厂家之间相差很大。不过总的说来需要占用一定的用户资源并且设计复杂，现在基本上已经淘汰，只是使用在一些开发学习系统中。

       (2)  Bondout 技术

       一般来说，人们常常说的专用仿真芯片其实就是 Bondout。这种仿真芯片一般也是一种单片机， 但是内部具有特殊的配合仿真的时序。当进入仿真状态后，可以冻结内部的时序运行，可以查看/修改在静止时单片机内部的资源。

       使用Bondout 制作的仿真器一般具有时序运行准确（也有例外），设计制作成本低等优点；Bondout芯片一般是由单片机生产厂家提供的，因此它只能仿真该厂商指定的单片机，仿真的品种很少。

        (3)  HOOKS 技术

       HOOKS 是PHILIPS拥有的一项仿真技术，主要解决不同品种单片机的仿真问题。使用该专利技术 就可以仿真所有具有HOOKS 特性的单片机，即使该单片机是不同厂家制造的。使用HOOKS 技术制造的仿真器可以兼容仿真不同厂家的多种单片机，而且仿真的电气性能非常接近于真实的单片机。但是HOOKS 技术对仿真器的制造厂家的技术要求特别高，不同的仿真器生产厂家同时得到HOOKS 技术的授权，但是设计的仿真器的性能差别很大。

        10 年前国内就已经得到了 PHILIPS  的 HOOKS 技术授权，但是受当时技术水准的限制研制的 HOOKS 仿真器还不能实用。即使到了今天，也不是每个仿真器厂家都能生产HOOKS 仿真器，即使生 产出来性能也差异很大，用户应仔细区别。

       (4)  内嵌仿真功能的芯片

       随着芯片技术的发展，很多单片机生产厂商在芯片内部增加了仿真功能，一般通过JTAG 接口进行控制。为了降低成本和增加可靠性，内嵌的仿真部分一般功能比较简单。

       根据当前的发展趋势，如果只仿真标准的MCS-51 系列单片机可以选用Bondout 技术的仿真器；如果用户希望仿真器功能更多更灵活的诸如增强型80C51 系列单片机的话，那么必须选用HOOKS 技术仿真器。二者比较而言，采用HOOKS 技术的仿真器性价比要高于Bondout 技术。

      第三章  国内仿真器的现状

        到今天为止国内的仿真器发展大约有20 年的历史，总的说来生产商的规模都不是很大，在新产品 的研制/开发/服务上都不能投入很大的资金。根据仿真器使用的技术来划分，国内仿真器的设计大约可以分成以下几个时期：

      (1)  70 年代末期-80 年代中期 这个时期采用的技术主要是仿真开发系统，现在看来技术含量不高，用户要求也不高。

      (2)  80 年代末期-90 年代末期 这个时期主要使用华邦一颗带有仿真功能的芯片制作，采用的技术应该叫做Bondout。采用这颗芯片能大大简化仿真器的设计，因此国内仿真器的水准有了大的提高，基本上可以不占用用户资源。

      正是由于仿真性能的提高，国内的仿真器制作在将近 10 年的时间内没有进步，一直采用这种制作模式。虽然个别厂商也尝试过别的技术来提高仿真水准，例如HOOKS 技术，但是由于本身技术的限制没有成功。相反国外的仿真器较早地使用了HOOKS 技术，在初期由于HOOKS 技术本身的复杂性，仿 真性能和价格不如国内采用Bondout 的仿真器。

       随着IC 技术的发展，国内制作HOOKS 技术的条件已经成熟，但是国内的几家主要的生产厂商还 陶醉于Bondout 技术之中。

       (3)  2000 年开始

    2000 年是中国仿真器市场变化最大的时期，其中最引人注目的变化是华邦仿真芯片W78958 的停产。

       华邦公司在设计W78958 芯片时，其内部的仿真功能只是为了仿真器厂商能制作仿真器以便更好的推广W78958。但是经过几年的变化，W78958 演变成为一颗仿真器上使用的仿真专用芯片而不是用户使用的标准芯片，使用的范围也仅限于国内，一年不到20000 只的用量也促使华邦公司在进入2002年后宣布将停产该芯片。

       W78958 停产以后，国内仿真器厂商处于一个非常尴尬的局面。由于W78958 在国内使用了将近10 年，国内的用户群非常庞大，这些用户将无法得到持续的支持特别是维修方面。另外，国内围绕在W78958 上所做的技术工作也无法得到延续和提高，很多业界人士认为仿真器行业将面临另起炉灶或重新洗牌的局面。

       HOOKS 技术无疑是仿真器厂商在失去W78958 后的替代品，但是由于没有长期跟踪和关注，短期内多数厂家无法将复杂的HOOKS 技术应用于成熟的产品中。专家们认为仿真器厂家的整体转型可能需要2－3 年的周期，并且有相当的仿真器厂家将会被淘汰，市场拥有量将主要集中在少数几个仿真器厂家。     

       周立功单片机发展有限公司是PHILIPS 在国内最大的代理商，它以独特的技术销售引起国内乃至全球的注目。周立功公司成立时间不到5 年，但是膨胀很快，现在已然成为国内单片机行业的龙头，一言一行对整个行业影响很大。

       2001 年12 月，周立功公司试探性地推出第一款仿真器TKS－764，用于支持周立功公司当时的 主打芯片51LPC 系列OTP 单片机。由于TKS－764 内部稳定可靠的设计，并直接直接在Keil 中的调试，所以推出后得到51LPC 用户的青睐，拥有相当大的用户群。

        2002 年6 月，周立功旗下的广州致远电子有限公司在国内率先推出研制达两年之久的HOOKS 仿真器，全面支持PHILIPS 和其它公司的增强型80C51 系列单片机的仿真问题。该系列仿真器彻底解决了国内仿真器在仿真低电压、内部64K 程序、静态和动态关闭ALE、静态和动态切换6/12 Clock、4 个中断优先级、串口从地址自动识别和帧错误检测以及P8xC51 独具定时器2 等增强性能的难题， 短期内使仿真器的用户群迅速扩大，并在业界得到良好的口碑。

       TKS 系列HOOKS 技术仿真器推出后，在仿真器行业引起了不小的震动。因为周立功公司在公众前的形象一一直是一个优秀的芯片代理商，在掌握了先进的仿真器技术后将改变整个行业的格局。国内的仿真器生产厂商在华邦的仿真芯片停产后发现自己处于一个尴尬的境地，现有的仿真器不能继续生产了。而转向HOOKS 技术还需要一段研发的过程，即使有些厂家匆匆推出了HOOKS 技术仿真器却明显比周立功公司的HOOKS 技术仿真器在性能上有明显的差距，仿真器行业可能会重新洗牌。

       第五章 如何挑选通用仿真器

       仿真器是一种很特殊的电子工具，仿真器的性能跟设计者的水平密切相关。同样使用一种仿真器技术，但是最终产品的性能差别很大。根据用户的不同用途，可以照如下标准挑选仿真器：

       如果主要用途是商业产品开发，使用专用仿真器比较理想因为专用仿真器只是仿真某一种或一类芯片，可以做得性能比较高，性能也比较稳定，不用兼顾其它芯片的特殊要求。专用仿真器可能价格高一点，但是对商业开发来讲良好的性能是第一位的。

       尽量采用技术含量高的仿真技术

       例如，HOOKS 技术由于其良好的兼容性以及接近实际芯片的性能，应该成为通用和专用仿真器
首选。

       慎重选择仿真芯片装在外置仿真头上的结构

      有些仿真器的仿真芯片放置在外置仿真头的上方，这种方式的优点是可以通过更换仿真头来更换仿真器的仿真性能，通用性比较强，可以仿真不同类型的单片机。一些宣传中说仿真芯片贴近用户板，性能是最可靠的，但实际不是这样的。仿真芯片除了输出用户信号外，还要通过复杂的总线由监控电路控制，这种控制时序是最重要的。由于控制时序频率比较高，因此不应该通过较长的仿真电缆输出到外部仿真头上，这很容易受到外部的干扰或干扰外部。一旦控制时序出现问题，仿真芯片离用户板再近也没有用途。

        注意仿真器的一些细节问题。例如：

           (1)  否支持外部复位信号？

           (2)   是否支持用户板晶振？

           (3)   能否在真正仿真内部64K 程序 （P0/P2 口仍做I/O 口）？

           (4)   P0/P2 口是否可以同时用作I/O 口和总线？

           (5)  仿真器的输出/输入口是否有可靠的保护？

           (6)   是否支持低电压的仿真？

           (7)  是否支持增强型80C51性能？例如内部的附加XRAM，双DPTR，ALE 关闭，6CLK 时钟等。

           (8)   是否支持静态关闭和动态关闭ALE？

           (9)   是否静态切换和动态切换6/12 Clock？

           (10)是否支持更高的仿真频率？

      仿真器厂家后续的技术支持

       由于仿真器在应用中的特殊性，用户在选购时尽量选择有强大技术支持的生产厂家。好的技术支持不但能给您带来仿真器使用上的支持，也能给您在应用项目上的各个方面提出良好的建议和指导，使您能快速准确的完成您目前的项目。但如前所述，国内多数厂商规模很小，不能给用户提供全面的技术支持。周立功公司在进入工具行业后，提出了单片机的一揽子解决方，提供包括工具在内的全方位的用户支持，开辟了一种全新的销售服务模式。

        第六章 如何测试通用仿真器

        在选择了仿真器生产厂商后，用户还需要对仿真器的性能做仔细的测试，保证您选择的仿真器能够达到该仿真器保证的性能以及作为仿真器应该达到的性能。

       在选择一种仿真器前，通过该仿真器的广告和销售人员的介绍，用户能基本上了解该仿真器的突出性能。这些突出性能应该是该仿真器确实存在的功能，虽然可能有被夸大但一般都不会有欺骗的成分。这些性能好不好需要有针对性的一一验证，这里只能建议用户将目光注意在实际仿真性能上，而不要过分注意一些与仿真器无关或关系不大的功能。

       很多的仿真器虽然具备一些附加的功能，但是用户必须要注意到这些仿真器可能在一些最基本的仿真功能却做不好，这种现象在国产的仿真器中非常普遍！由于用户并不专业于仿真器的测试，因此在购买中不知道对这些仿真器的死点进行验证。等以后在学习特别是在开发设计中，这些设计中的死点可能给您带来莫名其妙的问题。您可能要花几倍的时间来寻找其中的原因，因为您首先怀疑是您系统的问题而不怀疑是仿真器的问题。所以选择一个性能可靠的仿真器是十分重要的，这需要非常专业化的测试程序来实现。

       以下的测试程序由广州致远电子有限公司提供，经过长时间的使用证明能基本上反映出一个仿真器设计水平的高低。广州致远电子有限公司在提供这些测试程序时声明：这些测试程序只是指出仿真器设 计中容易出现的问题，但并不有意攻击任何含有上述问题的仿真器厂家。