原创 开源 《单片机那些事儿》（连载）为初学而生 软件仿真篇

为了让大家能直观的了解《单片机那些事儿》的模块化编程篇，这里将软件仿真部分先贴出来。这部分图太多了，一张一张加入是在有点麻烦，所以就省了，具体见链接一文的附件，里面有详图哦。

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在真正讲述模块化编程之前，我们先来来补充一点Keil4的“软仿真”。所谓“软仿真”，就是用Keil4来做软件仿真，这样做，我们可以初步判断我们的程序是否正确，等正确之后，我们才可以将其编译生成HEX文件，最后下载到单片机中。当然不是所有的程序都先需要进行软仿真，再下载到单片机，而是对一些有问题的程序，我们首先可以做一下软件仿真，以便排除一些显而易见的“傻”问题。其实Keil4软件的仿真功能还是比较强，这里我们简单介绍几点，剩余的就留读者自行研究了。

说道Keil4软件的仿真，不得不提它还可以借助一些编程器实现“硬仿真”，这个这里不做介绍，等大家以后学习C8051F系列或STM32的单片机时再具体了解吧。

6.1 Keil4的软仿真

特别提醒：对Keil4不熟的，赶紧去复习一下第一章。我默认看此章节的人对Keil4已经很熟了。

仿真的步骤或者方法其实很简单，由编程界面进入仿真界面之前需检查一个选项设置，具体操作是：单击“Target Options ...”按钮，也即如图6-1所示的“4按钮”，打开“Options for Target ‘Targer 1’”对话框，对话框如图6-2所示，第二个选项卡（Target）下的“Xtal”处一定要设置为：11.0592，否则后续时间仿真的参数值会有出入。接着选择倒数第二个选项卡（Debug），其界面如图6-3所示。这里读者需要注意图中箭头所指的两个复选框，其意义大不相同。

图6-1 Keil4的编辑界面图

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图6-2 Options for Target ‘Target1’界面图

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图6-3 Debug选项卡设置对话框

第一个（Use Simulator）：意思是软件模拟仿真，就是只在软件上做一些仿真动作，与硬件无关。

第二个（Use：...）：这里是用硬件仿真，意思是软件上面的仿真动作也会对应到硬件上。51单片机需要借助一块特殊单片机芯片或仿真器；C8051F系列需要借助EC6等仿真器；STM32需要借助J-link等。这些读者只需要知道有这么回事就是了，不需深入的了解，以后学到了自然就会明白。

这里我们需要进行软件模拟仿真，因此选择软件默认的第一个选项就是了。别的选择默认项，最后单击“OK”按钮。

接着选择菜单项：Debug→Start/Stop Debug Session（或者选择如图6-1所示的7按钮），由编辑界面进入仿真界面，这时若Keil4软件没**，则会有一个“2K”的代码限制，软件的**，我在第一章中已经讲述过了，这里就不费口舌了。进入仿真界面的Keil4如图6-4所示。

图6-4 Keil4的仿真界面图

接下来笔者主要说明图中所标识的13个选项，其中12、13只是为了好说明，没有操作的地方不多。

X入广告。断点：这里的断点不是张敬轩唱的《断点》歌哈，而是在程序中添加一个断点，让程序运行到断点处时停止，以便读者作出别的操作，例如观察某一变量值，或者通过单击单步来运行程序等。插入的方法最直接，就是在想插入行的最后面双击鼠标左键，取消断点的方法也是双击。

1）Reset CPU：复位选项，意思是当程序执行一段以后，读者想让其重新开始，单击此处程序执行点就会回到开始处，即main函数的开头处。

2）Run：程序从头开始全速执行。当有断点时运行到断点处停止，没有时程序按程序规定一直运行。

3）Stop：顾名思义，停止运行的程序。

4）Step：单步运行。当碰见子函数时，会进入子函数。

5）Step Over：单步运行。碰见子函数时，不进入，将子函数当做一个整体来运行。

6）Step Out：单步运行。程序若在子函数内部运行，则会跳出子函数。

7）Run to Cursor Line：运行到光标处。

8）Serial Windows：串口输出窗口。

9）Analysis Windows：逻辑分析窗口。该窗口下有三个子选项。笔者这里以“Logic Analyzer”为例来讲解。别的两个读者自行研究。

10）变量等数值的观察窗口。

11）程序运行的时间。

12）反汇编窗口，这个对于新手来说，估计有些难，读者们只知道有这么回事就是了。

13）C语言程序窗口，可以观察程序此时运行到什么地方了。

当然该界面可操作的地方不止这些，例如观察左边寄存器的值、PC指针、内存数值等，这些就留读者慢慢去琢磨，笔者很懒就不说了。

6.1.1 Keil4的I/O口仿真

这里以跑马灯为例，来仿真P2口的状态值。进入仿真界面后选择菜单项：Peripherals→I/O-Ports→Port 2，此时界面中会出现一个如图6-5所示的复选框。由于此时程序未运行，因此P2口的状态值都为高电平，因此界面显示为：0xFF。当单击“Step”或者“Step Over”按钮时程序运行：P2 = 0xfe，这时就变为：0xFE;界面如图6-6所示。之后就会依次变为：0xFD、0xFB...0x7F。别的端口仿真类似。

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         图6-5程序未运行是P2口的状态值      图6-6程序未运行是P2口的状态值

当程序运行到DelayMS(50)时有两种选择，一种是单击“Step”按钮进入DelayMS()函数，一种是单击“Step Over”不进入DelayMS()函数，直接将函数当做整体运行，这个望读者自行调试，加以区别，笔者就不再说了。至于这里的时间，稍后再说。

6.1.2 Keil4的逻辑分析仪

同样以跑马灯为例。进入仿真界面以后单击“Analysis Windows”（如图6-7的1处），则会默认选中第一个“Logic Analyzer”，这时仿真界面如图6-7所示。

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图6-7 Logic Analyzer界面图

接着单击“Setup...”按钮（图6-7所示的序号2处），打开“Setup Logic Analyzer”对话框，如图6-8所示。

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图6-8 Setup Logic Analyzer对话框

具体操作为：先单击图6-8“1”处的“New”选项，之后在“2”所示的地方填“PORT2.0”，接着再单击“New”按钮，再在“2”处填“PORT2.1”，这样依次再新建6个，在“2”处分别填：PORT2.2、PORT2.3...PORT2.7，最后如图6-8所示。

其中序号3用于以什么方式显示，这里选择位：Bit，当然还可以选择为：Analog和State。序号4是当单击选中该复选框时数值以十六进制方式显示。这些读者可以自行实验。

以上设置好之后单击“Close”按钮，接着选择如图6-4所示的“Run”按钮（全速运行），过几秒钟之后在单击“Stop”按钮，停止运行，这时就可得到如图6-9所示的波形图，界面是不是蛮漂亮的，读者们还不赶紧亲自试一试。

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图6-9 Logic Analyzer的仿真波形图

6.1.3 Keil4的变量值仿真

意思是通过Keil4来观察程序运行中各个变量的数值变化是否正确，这里还是以实例4来做讲解。

回到仿真主界面，先在图8-20所示的序号10处添加两个变量：i、j，添加方法是双击或者按键盘上的F2，之后填写i、j，添加完变量之后“Watch1”窗口如图6-10所示。接着分别右键单击选择i、j行，之后选择：Number Base→Decimal，意思是数值以十进制的形式显示。

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图6-10 “Watch1”窗口中添加完变量之后的界面图

用“Step Over”来运行程序到DelayMS(50)时改为“Step”运行程序，这样就可以进入到DelayMS()函数，这时细心的读者已经注意到变量后面的“Value”已经由“????????”变为了0，接着再单击“Step”运行程序，这时i、j是不是在有规律的变化，其实j变为113自后就再不会变化了，而i则一直再自增（肯定是有范围的）。这时读者还可以观察下面的t1时间如何变化，当读者单击50次“Step”之后，这里的时间是：0.05031250，读者可以想一想，这个时间与我们想要延时的50ms有没有联系，若有的话，又是怎么联系到一起的，或者说起到了延时的作用没？读者们带着这些问题，就可以进入下一章的学习了。

6.2各种版本的延时

在玩单片机的过程中，有一种“功能”一直陪伴在左右，那就是——延时。原因很简单，玩单片机无非是玩一些人能看得见、能听得见、能用得着在一些东西。前面笔者说过，人很聪明，但是眼睛、耳朵等都很“慢”，速度远远跟不上单片机的速度，这样就需单片机在做某件事时等一等，这一等，给人一点反映的时间，这就引出了延时的概念。

笔者这里将延时分为两类：不精确的延时和精确的延时。这两者在概念和实现的方法上大不相同。接下来分别阐述一下这两种延时，希望对读者有所帮助。

6.2.1 续Keil4的时间仿真

在讲述精确延时和非精确延时之前，先来补补上章的内部，Keil4下的延时仿真。这里还是以实例4为例来讲解Keil4软件的时间仿真，在讲述过程中，读者需考虑一个问题，为什么执行DelayMS()函数就能起到延时的作用，难道执行别的函数就起不到延时作用吗？

接下来就打破沙锅问到底，为何DelayMS()函数能起到延时的作用，这里从仿真入手来，来看个究竟。读者按上章所讲述的操作方法，让其Keil4软件进入到仿真界面，这时记下右下角（如图8-20的序号11处）的时间值为：t1=0.00000000s，接着单击一次“Step Over”按钮运行程序，这时程序运行之进入了main()函数，则时间变为：t1=0.00042209s；再单击“Step Over”，程序运行了：P2 = 0xfe和for(;;)，时间变为：t1=0.00042426s，这样运行时间为：t=0.00042426s-0.00042209s≈2us；再运行程序：P2 = _crol_(P2,1)，时间变为：t1=0.00043837s，则程序运行的时间：t=0.00043837s-0.00042426s=0.00001411s≈14us。由此可得出以下三条结论：

（1）任何程序执行是需要时间的。例如这里的2us、14us等。

（2）C语言编写的程序，每条语句运行的时间是不确定的（2us≠14us）。至于汇编，笔者在这里就不说了，读者可以自行了解一下。

（3）程序编写中，一般将这些时间忽略不计。

接着再说“DelayMS(50)”为何能起到延时50ms的作用。操作步骤是先在DelayMS(50)和倒数第二个大括号后打两个断点（两行后面双击就可以打上断点），之后单击“Run”按钮，此时如图8-20所示的标号11处的时间值为：0.00043837s，也即4us多一点，再单击“Run”按钮，这时时间变为：0.05031467s，这样就可以算出执行程序：DelayMS(50)所用的时间，时间值为：0.05031467s-0.00043837s=0.0498763s≈50ms。为何上面的程序执行时间可以忽略，而这里又要借助程序执行的时间来达到延时的目的呢？那是因为，上面的程序执行次数少（先不考虑while(1)），而这里的DelayMS(50)执行了5650（50×113）次，这个时间就要算了，因为其花了50ms了，再不算就OUT了。

6.2.2 真实的时间判定

以上时间都是用软件来仿真，接下来残弈悟恩带领读者们看看这个50ms的真、假程度究竟有多高，是比天还高，还是比海底更低呢。这里借助逻辑分析仪（简易型的哈，高级的笔者买不起）或者示波器来抓取其时间值，两者得到时间值分别如图6-11和6-12所示，现在来对比一下这三个值，软件仿真得到的为：49.87ms，逻辑分析仪抓取的时间为：49.88ms，示波器获取的时间为：50ms，三个值几乎接近我们想要的理论值：50ms，这说明上面的延时函数（DelayMS()）还是写的很“牛X”啊，但再牛也只是一个不精确的延时，要想有精确的延时，那就看下面精确延时的讲述了。

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           图6-11逻辑分析仪抓取的时间值                          图6-12示波器抓取的时间值

6.2.3 精确的延时时间

俗话说，只有相对的，没有绝对的。这里的精确也是相对于上面的不精确而言，因为这里的精确也不是绝对的精确。笔者举个例子，这里所谓的精确的是用定时器和库函数_nop_()来产生，但这两者最终的参考源都是外部晶振，可晶振也是人生产的，怎么可能做到绝对准确的了，如MGMC-V1.0实验板上搭载的11.0592MHz晶振的实际频率为11.045MHz。即使有些高级的单片机内部集成了晶振，也是靠RC来产生的，这些也会受到温度等影响而不稳定。还有定时器在装初值、产生中断等时也需要时间，这些时间都是无法估算到里面的。因此读者要有个清醒地认识，不要一说精确，就要精确到皮秒、飞秒去。

关于定时器和库函数_nop_()的延时，笔者这里就不举例说明了，以后具体的例程中再详细讲解。当然读者朋友们也可以提前研究研究，何乐而不为呢？