单步性能的测试 - 80C51系列单片机仿真器选购指南

1．单步性能的测试

       测试说明：单步是仿真器设计中比较难实现的功能。照通常的理解，用户每执行一个单步应该准确实现理想运行的单步性能。例如，运行一个机器周期的指令，内部的所有时序应该都动作一个机器周 期而不能出现不动作或动作过度的现象。不过很遗憾的看到国内的仿真器多数不能达到这个指标。

       测试程序：

                ORG        0000H

                SETB       TR0                        /*  打开定时器0 */

     TestStart：

                NOP                                   /* 定时器0 运行1个机器周期, TL0 加1 */

                MOV        A,#0FFH                    /* 定时器0 运行1个机器周期, TL0 加1 */

                MUL        AB                         /* 定时器0 运行4 个机器周期, TL0 加4 */

                LJMP       TestStart                  /* 定时器0 运行2 个机器周期, TL0 加2 */

                END

       测试步骤

      (1)  照您当前使用的仿真器要求测试上面的程序；

      (2)  在运行前打开TL0 的显示，以便单步运行后能观察TL0 的变化；

      (3)  使用当前仿真器环境提供的单步功能开始单步运行；

      (4)  单步运行后检查TL0 变化的数值是否与指令的周期数相同。

       测试结论：仿真器如果没有照严格正规的设计，程序的单步运行性能将不准确，一般会出现实际运行时间变长的现象，这在时间要求较高的单步运行将不能仿真程序的真正运行。

       2．中断性能的测试

       测试说明：中断是一种非正常的程序跳转，单步仿真有一定的难度，尤其在低档仿真器中。在当前采用Bondout 技术制作的仿真器中一般可以做到正确仿真，但是仍有一些仿真器不能正确单步仿真中断。

         测试程序：

                ORG       0000H

                LJMP      TestStart

                ORG        000BH                     /*  定时器0 的中断服务程序 */

                RETI

    TestStart：

                SETB      EA                         /* 开放全局中断允许 */

                SETB      ET0                        /* 开放T0 中断允许 */

    TestLoop：

                SETB      TF0                        /*  设置T0 的中断标志 */

                INC       A                          /* A 数值加一,以便观察程序持续运行 */

                LJMP      TestLoop                   /* 连续运行 */

                END

       测试步骤

     (1)  照您当前使用的仿真器要求测试上面的程序。

     (2)  每次SETB TF0 后程序将进入T0 的中断服务程序,执行完毕后返回主程序继续运行。

     (3)   主程序能在TestLoop 中连续运行，因此A 能连续加一，但是每循环一次就进入一次中断。

       测试结论：仿真器如果没有照严格正规设计，程序的中断性能将不准确。可能出现程序不能跳转到中断服务程序，或没有返回到正确的主程序，或A 不能每次循环连续的加1。

       3．连续中断性能的测试

       测试说明：在80C51 的中断系统中，串口中断比较特殊。进入串口中断服务程序后中断标志TI或RI不会自动清除，如果用户程序不对TI 或RI进行清除操作则可能会出现连续进入中断服务程序的情况。根据80C51 的中断处理，在退出中断后必须执行完一条指令后才能重新进入中断服务程序，因此即使连续中断的情况下主程序也能得到连续执行。

       测试程序：

                ORG       0000H

                LJMP      TestStart

                ORG        0023H                     /*  定时器0 的中断服务程序 */

                RETI

    TestStart：

                SETB      EA                         /* 开放全局中断允许 */

                SETB      ES                         /* 开放串口中断允许 */

                SETB      TI

TestLoop：

                NOP

                NOP

                INC        A                         /* A 数值加一,以便观察程序持续运行 */

                LJMP      TestLoop                   /* 连续运行 */

                END

      测试步骤

     (1)   照您当前使用的仿真器要求测试上面的程序。

     (2)   进入TestLoop 后，每次单步运行完一条程序都会进入串口中断，退出后继续运行一条下面的程序，然后又进入中断服务程序，A 的数值可以得到递增。

     (3)   主程序能在TestLoop 中连续运行，因此A 能连续加一，但是每循环一次就进入一次中断。

       测试结论：仿真器如果没有照严格正规设计，程序连续运行中断程序性能将不准确。可能出现程序不能跳转到中断服务程序，或没有返回到正确的主程序，或A 不能每次循环连续的加1。

       测试小结

       上述的几个测试程序对仿真器的性能要求很高，如果仿真器通过测试说明被测试的仿真器仿真性能指标较高；如果仿真器没有通过测试只能判断仿真器性能不是最好，具体的综合性能要有待其它检验。

       第七章    如何挑选测试HOOKS 技术仿真器

        HOOKS 技术是国外普遍采用的一种仿真技术，同Bondout 技术相比较，仿真器的适用范围可以更广。HOOKS 技术在10年前已经被国内引进，并被当时的仿真器厂家试图采用。但是由于HOOKS 技术本身的复杂性，当时国内众仿真器厂家竟无法设计出可以使用的仿真器，致使国内的仿真技术远远落后于国外。

        2002年，周立功旗下的广州致远电子有限公司推出了研制多年的TKS 系列HOOKS 仿真器，并在性能上全面超过国外同类型的HOOKS 仿真器，国内的用户能以低廉的价格购买到技术先进的HOOKS技术仿真器。在TKS 系列HOOKS 仿真器面市以后，国内的仿真器厂商纷纷加强研发力量研制HOOKS技术，经过了一段时间后也宣布供应采用HOOKS 技术的仿真器。用户需要注意的是：HOOKS 技术只是一个基本的仿真技术，要最终作成仿真器还必须依靠设计工程师精心的设计，因此市场上HOOKS 技术的仿真器性能指标可能有很大的差别，有的不占用用户资源，有的就做不到；有的仿真频率可以到很高，但是有的不行。因此用户应仔细加以挑选和鉴别。

       根据HOOKS 技术本身的特点，用户应该对以下的几个方面加以注意和测试。

        能否运行外部用户目标板上的程序

       由于HOOKS 技术中P0/P2 口是重新构造的，因此P0/P2 口上的时序处理是整个设计中的难点。P0/P2 的I/O 特性和数据总线特性相对容易实现一点，但是程序总线很难正确实现，这是由于HOOKS的技术结构决定的。一般HOOKS 仿真器在实现仿真内部64K 代码空间比较容易，但是仿真内部4K （类似89C51）/8K （类似89C54）/16K （类似89C54）/32K （类似89C58）等能外扩ROM 空间的MCU类型则无法实现。在国内外所有的HOOKS 技术的仿真器中，只有广州致远公司的TKS 仿真器B 系列能真正做到稳定运行外部用户目标板上的程序。运行外部用户目标板上的程序是非常必要的，因为用户可能在外部扩充了一般的用户程序，需要实际仿真一下来验证整个系统的正确性；也可能在外部放置了大容量的（可能超过64K 的物理地址限制）分组字库，而这种特性是仿真器内部无法实现的；也可能是外部有分组的BANK 方式的运行代码，这种方式要求仿真器必须有运行外部程序代码的能力。

        P0/P2 口能否同时用作总线和I/O

        这种特性是芯片本来的性能，但是由于HOOKS 技术的难度，有很多HOOKS 仿真器不能做到这一点，导致用户在使用时无法全面满足要求。该性能一般不需要测试，可以直接阅读仿真器的性能说明或向生产厂商或代理商询问。作者检测过国内外知名仿真器厂家的多种HOOKS 仿真器，几乎都没有完美做到P0/P2 口的准确仿真。

        P0/P2 口的直流参数

       如果需要检测的仿真器根本做不到同时仿真I/O 和总线方式，则没有必要检测P0/P2 的直流参数。如果要检测的仿真器宣称能够同时仿真I/O 和总线方式，用户还必须分别在I/O 和总线两种方式下对直流参数进行测试。根据作者的HOOKS 仿真器测试经验，有的仿真器虽然宣称能够同时仿真I/O 和总线方式，但是根本不区分这两种方式驱动能力，采用的是一种平均方式，这样在作为I/O 时高电平驱动能力过大，而作为总线时驱动能力过小。用户在使用这类仿真器作为输入时，必须加大外部信号的驱动能力，这跟实际芯片的驱动能力相差太远；在作为总线使用时，如果外部的总线（包括地址总线和数据总线）个数稍多，总线电平将严重下降而无法工作。用户可以使用下面的测试程序配合示波器检查。

       测试程序：

                ORG         0000H

LJMP      TestStart

TestStart:       MOV      P0,#0FFH

TestLoop:       MOV       P0,#00H

                NOP

                MOV       A,#0FFH

                MOV       DPTR,#0FFFFH

                MOVX      @DPTR,A

                NOP

                MOV       P0,#00H

                SJMP      TestLoop

                END

       测试步骤

        (1)  照您当前使用的仿真器要求测试上面的程序，仿真器不接任何用户设备。

       (2)  单步运行完TestStart 的程序行，P0 的数值设置为0FFH。这时使用电压表测量一下P0的任意一个管脚（例如P0.0）的电压,记录为V1，V1 的数值一般小于当前的电源电压。然后使用一个2K 电阻，一端接仿真器提供的地，另一端接P0.0，使用电压表测量一下P0.0 的电压,记录为V2，V2的电压越接近与0 说明该仿真器P0 在I/O 口方式下的特性越好（接近于开漏）。如果V2 大于1伏说明P0 口的输入电阻在10K 以下，该仿真器P0 口在I/O 下性能较差。

       (3)  在TestLoop 中连续全速运行，仍保持2K 电阻接在P0.0。使用示波器观察P0.0 引脚，可以看到占空比较小的正电平脉冲，该正电平脉冲是有P0 输出的低8 位地址和数据输出引起的，因为处于总线方式，P0 口的驱动能力应该较强。保持示波器的正常显示，然后将2K 电阻不断的接触/脱离P0.0 引脚，观察P0.0 脚脉冲信号幅度的变化。如果该信号在2K 电阻接入后幅度降低很大，例如1V 以上，说明该仿真器P0 口驱动能力不足，无法满足用户的正常的需要。

       测试结论：HOOKS 仿真器要同时仿真I/O 口和总线模式而且保持良好的驱动特性是比较困难的，但是可以作到的。一般的HOOKS 仿真器一般不敢宣称同时仿真I/O 口和总线方式，但是用户需要注意即使宣称可以同时仿真I/O 和总线，用户也需要照上述的方法进行测试，防止厂家采取驱动折中的方法掩盖。根据作者的测试结果，国内所有的HOOKS 仿真器只有TKS 系列可以作到真正同时仿真I/O 口和总线方式，重要的是仍保持了良好的驱动特性。

       是否占用用户资源

       设计优良的HOOKS 仿真器不会占用任何用户资源，但是由于设计技术的差别，有一些采用HOOKS技术的仿真器不能达到这样的性能，一般会占用部分资源。占用资源将在使用中限制用户的使用，用户可能无法通过该仿真器实现正常程序的功能。该性能一般不需要测试，可以直接阅读仿真器的性能说明或向生产厂商或代理商询问。

       ALE 信号的关闭/开启

       HOOKS 技术的一个突出优点是能支持增强性能的仿真，而ALE 信号的关闭/开启是增强性能的一个典型范例。由于在HOOKS 技术中，依赖ALE 信号能大大简化信号的处理，因此一般采用HOOKS 技术的仿真器都不能关闭ALE 信号，否则会引起仿真时序的全面紊乱。该性能一般在仿真器的性能说明中没有详细说明，因此需要用户自己进行测试。

      下面的测试程序以PHILIPS 的P89C52X2 仿真芯片为例。

      测试程序：

               ORG        0000H

               LJMP      TestStart

TestStart：  MOV         P2，#55H                     /* 先对P1 进行设置 */

TestLoop：  ORL          AUXR，#01H                   /*  关闭ALE 信号 */

               NOP

               MOV       P2，#55H

               NOP

               ANL       AUXR，#0FEH                 /* 开启ALE 信号 */

               NOP

               MOV       P2，#0AAH

               NOP

               LJMP      TestLoop                     /* 连续运行 */

               END

     测试步骤

     (1)  照您当前使用的仿真器要求测试上面的程序。

     (2)  进入TestLoop 后，连续单步运行，程序应该能照正确的程序流程运行，而且对P2 的操作能正确在P2 口反映出来。

     (3)  在TestLoop 中连续全速运行，然后停止程序运行，观察当前程序位置是否是在TestLoop 内的有效位置，P2 是否是前一个对P2 操作的数值。

     测试结论：仿真器如果不能支持ALE 的关闭将无法通过上面的测试程序。

     双倍速时钟的动态/静态切换

       PHILIPS、SST 等一些MCU 厂商在自己的增强型51 产品中增加了双倍速时钟的功能，使51 内核的速度提高了两倍。而且在有的型号中同时具有6/12Clock 时钟切换的功能，用户在使用中有了更多的灵活性。因此，这种变化要求HOOKS 仿真器必须同时满足6/12Clock 两种方式之一的仿真（静态切换），更高的要求则是能在用户程序运行中变换6/12Clock 模式（动态切换）。能同时满足动态/静态切换的仿真器难度很大，在国内除TKS 宣布掌握这一技术外，没有见到其它厂家有类似的报道。时钟的静态切换功能可以直接查阅仿真器的性能说明或向生产厂商/代理商询问，也可以用下面的程序进行测试：

      下面的测试程序以PHILIPS 的P89C52X2 仿真芯片为例。

      测试程序：

               ORG       0000H

               LJMP      TestStart

TestStart：  MOV         P2，#55H                          /* 先对P2 进行设置 */

TestLoop：  ORL          CKCON，#01H                       /*  切换为6Clock 模式 */

               NOP

               MOV       P2，#55H

               NOP

               ANL       CKCON，#0FEH                      /* 切换为6Clock 模式*/

               NOP

               MOV        P2，#0AAH

NOP

                LJMP      TestLoop                             /* 连续运行 */

                END

     测试步骤

     (1)   照您当前使用的仿真器要求测试上面的程序。

     (2)  进入TestLoop 后，连续单步运行，程序应该能照正确的程序流程运行，而且对P2 的操作能正确在P2 口反映出来。

     (3) 在TestLoop 中连续全速运行，然后停止程序运行，观察当前程序位置是否是在TestLoop 内的有效位置，P2 是否是前一个对P2 操作的数值。

       测试结论：仿真器如果不能支持6/12Clock 的切换将无法通过上面的测试程序。