Отладочный модуль для микроконтроллеров серии MCS51
Страница в стадии разработки.

   Данная статья опубликована в номере 11/99 журнала "Радио" (стр. 22). С разрешения главного редактора публикую ее на страничке. Прошивку ПЗУ с Монитором можно взять здесь. Размер - 1,8 Кб. В приводимом ниже тексте исправлены ошибки, имеющиеся в журнальном варианте.

   Принципиальная схема отладочного модуля для МК серии MCS51 изображена на рисунке (а пока я ее не дорисовал, отсканированную схему Вы можете взять здесь).

Большинство узлов выполнено по типовым схемам, а устройство сопряжения с последовательным портом персонального компьютера (ПК) заимствовано из прибора, описанного в статье С. Кулешова и Ю. Зауменного "Программатор микросхем ПЗУ" ("Радио", 1995, № 10, с. 22-25). К свободным выводам портов P1 и PЗ микроконтроллера DD1 (на схеме они заканчиваются стрелками) можно подключать различные периферийные устройства. Вилку ХР1 соединяют кабелем с розеткой одного из последовательных портов ПК, под управлением которого будет работать модуль.
    После подачи напряжения питания конденсатор CЗ заряжается через резистор R1. По сигналу сброса RES, формируемому элементом DD3.4, МК DD1 переходит в исходное состояние и выполняет подготовительные операции, в том числе устанавливает уровень логической 1 на всех выводах порта PЗ. Триггер на элементах DD3.1, DD3.2 находится в состоянии, когда его выходным сигналом установлено такое распределение памяти, что область адресов 0000H-7FFFH памяти программ занимает ПЗУ (DD5), a 8000H-0FFFFH - ОЗУ (DD6). Выполняется программа Монитор, находящаяся в ПЗУ. Набирая команды Монитора на клавиатуре ПК, оператор может работать с ОЗУ и периферией модуля.
    Для перевода триггера в другое состояние необходимо подать с управляющего ПК описанную ниже команду Монитора RESET, которая устанавливает сигнал MOD=0. Адреса ОЗУ и ПЗУ памяти программ меняются местами и начинает работать программа, предварительно занесенная оператором в ОЗУ модуля. Это позволяет эмулировать работу реального устройства и проверять программы, оттранслированные в младшие адреса памяти, например, подготовленные для записи в ПЗУ. Кнопка SB1 служит для установки МК в исходное состояние без изменения распределения памяти. Вновь запустить Монитор можно только, нажав кнопку SB2 или выключив и включив питание. Это позволяет в отлаживаемых программах свободно оперировать состоянием порта PЗ (например, работая с периферией), не опасаясь случайно переключить распределение памяти.
    Светодиод HL1 служит простейшим средством отображения информации и весьма полезен, особенно если связь с ПК по той или иной причине отсутствует. После подачи питания он мигает с частотой примерно 1 Гц, что свидетельствует о работоспособности Монитора. Стабилитрон VD1 защищает устройство от неправильной полярности или повышенного напряжения источника питания +5 В.
    Программа Монитор обеспечивает управление модулем и его взаимодействие через последовательный порт RS-232C с ПК, из которого передаются команды и данные, необходимые для работы над конкретной задачей. Через этот же порт ПК получает и отображает на своем экране результаты работы модуля. В ПК должна быть запущена коммуникационная программа "Telemax" из широко распространённой оболочки "Norton Commander 5.0", "Hyper Terminal" из Windows 95 OSR2 или другая подобная. В крайнем случае можно обойтись и без специальной программы, просто посылая командой MS DOS файлы с подготовленными данными в последовательный порт ПК.
    Настраивая коммуникационную программу, следует удалить строки инициализации модема, установить режимы "Локальное эхо" и "Трансляция CR/LF", при необходимости выбрать терминал ANSI и кодовую таблицу ASCII. Режим работы последовательного порта должен быть следующим: скорость - 4800 Бод, число бит на символ - 8, контроль паритета выключен, число стоп-битов - 1. Если все правильно, набираемый на клавиатуре ПК текст будет поступать в отладочный модуль, а его ответы - отображаться на экране.
    Команды Монитора можно набирать как в верхнем, так и нижнем регистрах клавиатуры. Все символы должны быть в кодировке ASCN. Клавиша [BackSpace] удаляет из буфера отладочного модуля последний введённый символ. Каждая команда состоит из имени и операнда. Признаком окончания имени служит символ-разделитель: пробел, табуляция, перевод строки или возврат каретки. Далее будем условно обозначать его символом подчеркивания (_), но вводить можно любой из названных.
    Приняв разделитель, Монитор сравнивает первые четыре ранее принятых и находящихся в буфере символа с содержимым имеющейся в ПЗУ таблицы команд. Обнаружив совпадение, он запоминает адрес обработчика команды из той же таблицы и начинает приём операнда - одного или нескольких шестнадцатиричных чисел. Условимся, что одно- и двубайтные адреса внутренней и внешней памяти МК будут обозначены соответственно XX и ХХХХ, длина блока - YYYY, прочие данные - ZZ или ZZZZ. Например, XXXX,YYYY - блок внешней памяти данных, начинающийся с адреса ХХХХ, длиной YYYY байт. Все незначащие нули необходимо указывать. Операнд также должен закончиться разделителем, после приема которого запускается обработчик команды. Разделитель, введённый в пустой буфер, игнорируется.
    RESET_ZZZZ_ - включается второй режим распределения памяти, МК приводится в исходное состояние, управление передается по адресу ZZZZ. Для нормальной работы команды требуется исправное ОЗУ.
    DATA_XXXX:_ZZ_[ZZ_][XXXX:_ZZ_[ZZ_]]._ - вводится информация в последовательные ячейки внешней памяти данных, начиная с адреса ХХХХ. Квадратные скобки вводить не нужно, они лишь говорят о том, что число операндов может быть произвольным. Ввод данных заканчивается символом точки. Ниже приведен пример использования команд DATA и RESET для ввода в ОЗУ простой программы и ее запуска.

Data
1000: 7B 40 63 B0 10 79 00 EB FA DA FE D9 FA 80 F3 .
Reset 1000

    READ_XX_ или READ_XXXX_ - читается слово (два последовательных байта) из ячеек памяти внутреннего или внешнего ОЗУ данных. Результат передается в последовательный порт.
    WRITE_XX,ZZ_, WRITE_XX,ZZZZ_, WRITE_XXXX,ZZ_ или WRITE_XXXX,ZZZZ_ - записывается байт ZZ или слово ZZZZ по адресу XX или ХХХХ.
    Следует иметь в виду, что команды READ и WRITE реализованы с использованием косвенной адресации, поэтому с регистрами специальных функций работать не могут. Для доступа к регистрам следует специально для каждого из них написать процедуры обмена с прямой адресацией. Примером может служить обработчик команды SPEED. Если в модуле установлен МК с 256-байтным внутренним ОЗУ, команды READ и WRITE смогут работать с его дополнительными 128 байтами по адресам 80H-0FFH.
    LOAD_XXXX,YYYY_ - блок внешней памяти данных заполняется информацией, поступающей через последовательный порт.
    SAVE_XXXX,YYYY_ - в последовательный порт передается содержимое блока внешней памяти данных.
    CALL_ZZZZ_ - вызывается подпрограмма, начинающаяся с адреса ZZZZ. Для возврата в Монитор она должна закончиться командой RET. На время выполнения подпрограммы прерывания запрещены.
    CHECK_XXXX,YYYY_ - вычисляется контрольная сумма - младший байт суммы всех байтов блока внешней памяти данных.
    FILL_XXXX,YYYY,ZZ_ - заполняется байтом ZZ область внешней памяти данных и вычисляется ее контрольная сумма.
    COPY_XXXX,YYYY,ZZZZ_ или COPY_PXXXX,YYYY,ZZZZ_ - копируется по адресу ZZZZ блок внешней памяти данных. Символ Р указывает, что копируемая область находится в памяти программ. Одновременно вычисляется контрольная сумма.
    TEST_XXXX,YYYY_ - проверяется исправность блока внешнего ОЗУ. При отсутствии ошибок выводится сообщение "ОК", в противном случае - "ХХХХ: YY<>ZZ", где ХХХХ - адрес сбойной ячейки, YY - записанное в нее, a ZZ - считанное значение. Команда не разрушает содержимого оперативной памяти.
    SPEED_ZZ_ или SPEED_ZZ+_ - изменяется скорость обмена данными через последовательный порт. По умолчанию она равна 4800 Бод (определяется байтом программы Монитора по адресу 2DH). Значение, равное операнду ZZ, помещается в регистр ТН1 микроконтроллера и определяет скорость работы его приёмопередатчика. Знак плюс в операнде приводит к удвоению скорости за счет установки бита PCON.7.
    Последовательный порт ПК может работать со скоростями 110, 300, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 Бод и выше. Возможность достаточно точной настройки последовательного порта МК серии MSC51 на указанные скорости зависит от частоты примененного кварцевого резонатора. Например, если она равна 12 МГц, порт может быть настроен на 300, 600, 1200, 2400 и 4800 Бод командой SPEED с операндами соответственно 98, CC, E6, F3 и F3+. Применив резонатор на 11,0592 МГц можно было бы достичь скорости 19200 Бод. Однако при передаче файлов МК, вероятно, не будет успевать обрабатывать поступающие со слишком высокой скоростью данные.
    Описанный набор команд может быть расширен и дополнен без повторной трансляции Монитора и даже без стирания ПЗУ. Обработчик новой команды размещают в его свободной области. Имя команды (четыре первых символа в верхнем регистре) записывают, начиная с адреса 5ABH, далее следуют двубайтный адрес обработчика и байт 0FFH. Обработчик должен заканчиваться переходом по адресу 23FH.
    Все упоминаемые далее однобайтные адреса ячеек относятся к внутреннему ОЗУ МК. Монитор использует банки регистров 0 и 2, а также ячейки 20H-3FH. Стек растёт с адреса 50Н. В свободное от приема и обработки команд время микроконтроллер непрерывно выполняет подпрограмму, находящуюся в ПЗУ по адресу, указанному в ячейках 35Н и 36Н. По умолчанию он равен 063Н. Эта подпрограмма, периодически изменяя состояние разряда Р3.4, зажигает и гасит светодиод HL1. Частота мигания зависит от содержимого ячейки ЗDН. Если предполагается использовать этот разряд для других целей, следует подать команду WRITE_35,006A_.
    В ячейках 37Н и 38Н находится адрес обработчика прерывания от последовательного порта, который фактически служит костяком Монитора и определяет его реакции на команды оператора. По умолчанию здесь записан 0, что соответствует вызову стандартного обработчика, находящегося в ПЗУ по адресу 081H.
    Записав по адресу 3ВН код, отличный от 0, можно активизировать функцию "Эхо". Все принимаемые через последовательный порт данные Монитор будет отсылать обратно. Это позволит выключить "Локальное эхо" в коммуникационной программе, а при необходимости - сохранить в текстовом файле все посылаемые отладочному модулю команды и его ответы на них.
    Число по адресу 3AH задает паузу между приемом команды Монитором и ответом на нее, необходимую для переключения некоторых коммуникационных программ с передачи на прием (для "Telemax" этого не требуется). Длительность паузы опрелеляется как (3AH)/50 секунд.
    Один из результатов работы команд, оперирующих блоками памяти (LOAD, SAVE, CHECK, FILL, COPY), - контрольная сумма блока, помещаемая в ячейку 39Н. Ее можно использовать для контроля правильности исполнения перечисленных команд.
    Монитор может непосредственно принимать создаваемые многими ассемблерами файлы формата Intel HEX. Достаточно переслать такой файл в последовательный порт ПК с помощью коммуникационной программы или просто командой MS-DOS COPY <имя файла> COM2. Предварительно используемый порт (в данном случае COM2) должен быть настроен командой MODE COM2:4800,N,8,1. Информация будет записана во внешнюю память данных отладочного модуля, а в случае несовпадения контрольных сумм выдано соответствующее сообщение.
    Каждая строка файла формата Intel HEX начинается символом двоеточия, за которым без пробелов следуют представленные двузначными шестнадцатиричными числами байты:
- число байтов данных, содержащихся в строке;
- старший и младший байты адреса первого из байтов данных;
- нулевой байт;
- байты данных (их число задано первым байтом строки);
- контрольная сумма - младший байт обычной суммы всех байтов строки, взятой со знаком минус.
    НЕХ-файл всегда завершается строкой, содержащей после двоеточия нулевые значения числа байтов данных и адреса, за которыми следует признак последней строки (01) и контрольная сумма, равная FF. Ниже приведен пример такого файла.

:0F1000007B4063B0107900EBFADAFED9FA80F387
:00000001FF

Последняя строка не несет для Монитора никакой информации и может быть опущена.

1. Сташин В. В., Урусов А. В., Мологонцева О. Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. - М: Энергоатомиздат, 1990.
2. Кулешов С., Зауменный Ю. Программатор микросхем ПЗУ. - Радио, 1995, N10, с.22.

   В отладочном модуле описанном на данной страничке и в [1] используется источник питания -5В, без которого можно обойтись, если собрать схемку представленную на рисунке. Легко догадаться, что отрицательное напряжение, возникающее при работе последовательного порта на выводах 2 (ТXD), 4 (RTS) и 20 (DTR) будет заряжать конденсатор С1. Таким образом на коллекторе транзистора VТ1 в отладочном модуле будет необходимый отрицательный потенциал. Вся схема располагается в вилке разъема. Резистор R4 модуля необходимо убрать. Можно расположить схему и не в вилке, но для этого нужно 2 дополнительных провода от выводов 20 (DTR) и 4 (RTS) порта. Диоды VD1-VD3 могут быть любые маломощные.

1. В. Оглезнев. Отладочный модуль для микроконтроллеров серий MCS51. "Радио" N11, 1999.
2. А. Шрайбер. Логический анализатор на базе компьютера. "Радио" N10, 1999.
3. Ю. В. Новиков и др. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. М: "ЭКОМ", 1998.