Linux系统下玩转51单片机

本文最后更新于：2022年7月8日下午5点08分

自这台不舍得仍的老笔记本安装了Ubuntu，就开起了各种折腾之路。现在来折腾一下C51单片机吧。所用芯片为STR89C52RC。

前言

单片机简介

单片机，属于微型控制器（MCU，Micrcontroller Unit）。51单片机是对兼容Intel 8051指令系统的单片机的统称，是8位单片机。主要品牌及产品有：

  • Intel：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；
  • Atmel：89C51、89C52、89C2051，89S51(RC)，89S52(RC)等；
  • Philips、华邦、Dallas（达拉斯）、Siemens等公司的许多产品；
  • STC（宏晶）：STC89C51、STC90C51、STC11系列、STC15系列、STC8系列等。

国内的STC单片机有89/90/10/11/12/15这几个大系列，每个系列的特点如下：

  • 89系列是传统的8051单片机，烧录方法有区别，但是功能上可以和AT89系列兼容，属于12T（1个机器周期=12个时钟周期）单片机
  • 90系列是89系列的改进型，12T单片机
  • 10和11系列是1T单片机，有PWM，4态IO接口，EEPROM等功能，但都没有ADC
  • 12系列是增强型功能的1T单片机，型号后缀AD的带ADC，后缀S2的除了ADC还带双串口
  • 15系列是最新的产品，内部集成了高精度R/C时钟，不需要外部晶振

STC89C52系列参数

宏晶官方文档。

STC89C52和STC89C51的区别仅在于Flash和EEPROM大小，C51的Flash为4K而C52为8K，C51的EEPROM为9K而C52为5K。都有多种封装，常见的是体积较大的PDIP-40宽体双列

  • Flash：8K bytes
  • SRAM：512 bytes
  • EEPROM：5KB
  • I/O数量：35-bit（PDIP-40封装）
  • 看门狗定时器，MAX810复位电路
  • 3个16-bit定时器
  • 4个外部中断，一个7向量4级中断结构和全双工串行口
  • 最高运作频率35MHz，6T/12T可选
  • UART串口：1个
  • 工作电压Vcc：5V-3.8V

如果需要ADC, 可以选 STC12C5A60S2 系列, 1T型的指令时钟速度比普通STC89系列(12T)快, 做定时时要注意。

STC89C52系列单片机命名规则如下

STC89C52系列通过单片机表面最下面一行最后几个字母区分90C版本及HD版本。

工具安装

安装编译工具SDCC

SDCC（Small Device C Compiler）是用于8位微控制器的免费开源软件，支持Windows, MacOS, Linux。sdcc手册。

  • 库安装

    在终端输入sudo apt install sdcc安装，查看版本sdcc -v，返回版本为3.8.0，此方法安装的版本较老，可通过源码安装。

  • 源码安装

    • 下载最新版4.1.0

    • 解压tar -xvjf sdcc-src-4.1.0.tar.bz2

    • 进入解压后的文件夹配置./configure

      • 报错1:configure: error: Cannot find required program bison.
      • 解决：sudo apt install flex bison
      • 报错2:configure: error: boost library not found (boost/graph/adjacency_list.hpp).
      • 解决：sudo apt-get install libboost-date-time-dev libboost-program-options-dev libboost-system-dev libboost-filesystem-dev libboost-iostreams-dev
      • 报错3:configure: error: ./configure failed for device/lib/pic14及configure: error: gputils (gpasm, gplink, and gplib) are required but not found.
      • 解决：在配置时加上参数--disable-pic14-port --disable-pic16-port

    • 再次配置./configure --disable-pic14-port --disable-pic16-port

    • 编译make，运行时间较长。

      • 报错1：终端返回的信息往上翻可能会有如下提示

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        WARNING: 'makeinfo' is missing on your system.
                 You should only need it if you modified a '.texi' file, or
                 any other file indirectly affecting the aspect of the manual.
                 You might want to install the Texinfo package:
                 <http://www.gnu.org/software/texinfo/>
                 The spurious makeinfo call might also be the consequence of
                 using a buggy 'make' (AIX, DU, IRIX), in which case you might
                 want to install GNU make:
                 <http://www.gnu.org/software/make/>

      • 解决：sudo apt install texinfo

    • 再次编译make

    • 安装sudo make install

    • 添加环境变量（可能需要）

      在vim /etc/profile中添加代码export PATH=/usr/local/bin:$PATH，然后执行source /etc/profile使之生效。

  • 检查和测试

    • 查看版本号sdcc -v，应该输出版本4.1.0

    • 查看库文件的位置sdcc --print-search-dirs，默认的8051库的位置是/usr/local/share/sdcc/include/mcs51/

    • 测试代码vim test01.c

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      char test;

      void main(void) {
      	test = 0;
      }

    • 编译

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      # 产生test01.asm等文件
      zhao@zhao-laptop:~/Documents/STC89C52RC/test01$ sdcc -c test01.c 
      zhao@zhao-laptop:~/Documents/STC89C52RC/test01$ tree .
      .
      ├── test01.asm
      ├── test01.c
      ├── test01.lst
      ├── test01.rel
      └── test01.sym

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      # 产生test01.ihx等文件
      zhao@zhao-laptop:~/Documents/STC89C52RC/test01$ sdcc test01.c
      zhao@zhao-laptop:~/Documents/STC89C52RC/test01$ tree .
      .
      ├── test01.asm
      ├── test01.c
      ├── test01.ihx
      ├── test01.lk
      ├── test01.lst
      ├── test01.map
      ├── test01.mem
      ├── test01.rel
      ├── test01.rst
      └── test01.sym

      0 directories, 10 files
      • 或者使用一行命令sdcc test02.c -o test02.ihx

  • 卸载sudo make uninstall

安装烧录工具stcgal

根据Github上项目首页的说明, 直接用pip3 install stcgal安装, 然后执行stcgal -h查看输出。

编译链接与烧录

编写test02.c点亮P1.0的LED灯。这是一个很好的8051单片机示例项目。

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#include <mcs51/8051.h>
#define LED1 P1_0

void main()
    LED1 = 0;
}

编译和链接

单个文件

可以这样直接编译

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sdcc test02.c -o test02.ihx

多个文件

C或者C++程序在运行过程中，首先要生成.obj（windows）或.o（Unix）等目标文件，这就是编译（compile）。然后把这些文件合成执行文件的动作就叫链接（link）。这两个过程完成后才会产生可执行文件。

对于SDCC来说，编译生成中间文件.rel文件，然后链接生成.ihx文件。sdcc不支持多文件同时编译多个源文件，多个文件时，需要单个编译再链接。

  • 编译（生成.rel文件，其中-c参数表示compile only）

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    zhao@zhao-laptop:~/Projects/STC89C52RC/JiangKeDa/00-test$ tree
    .
    ├── delay.c
    ├── delay.h
    ├── main.c
    ├── Makefile
    ├── SegmentDisplay.c
    └── SegmentDisplay.h

    0 directories, 6 files
    zhao@zhao-laptop:~/Projects/STC89C52RC/JiangKeDa/00-test$ sdcc -c main.c && sdcc -c delay.c && sdcc -c SegmentDisplay.c
    zhao@zhao-laptop:~/Projects/STC89C52RC/JiangKeDa/00-test$ tree
    .
    ├── delay.asm
    ├── delay.c
    ├── delay.h
    ├── delay.lst
    ├── delay.rel
    ├── delay.sym
    ├── main.asm
    ├── main.c
    ├── main.lst
    ├── main.rel
    ├── main.sym
    ├── Makefile
    ├── SegmentDisplay.asm
    ├── SegmentDisplay.c
    ├── SegmentDisplay.h
    ├── SegmentDisplay.lst
    ├── SegmentDisplay.rel
    └── SegmentDisplay.sym

    0 directories, 18 files

  • 链接（生成.ihx文件）

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    zhao@zhao-laptop:~/Projects/STC89C52RC/JiangKeDa/00-test$ sdcc main.rel delay.rel SegmentDisplay.rel 
    zhao@zhao-laptop:~/Projects/STC89C52RC/JiangKeDa/00-test$ tre
    tred  tree  
    zhao@zhao-laptop:~/Projects/STC89C52RC/JiangKeDa/00-test$ tree
    .
    ├── delay.asm
    ├── delay.c
    ├── delay.h
    ├── delay.lst
    ├── delay.rel
    ├── delay.rst
    ├── delay.sym
    ├── main.asm
    ├── main.c
    ├── main.ihx
    ├── main.lk
    ├── main.lst
    ├── main.map
    ├── main.mem
    ├── main.rel
    ├── main.rst
    ├── main.sym
    ├── Makefile
    ├── SegmentDisplay.asm
    ├── SegmentDisplay.c
    ├── SegmentDisplay.h
    ├── SegmentDisplay.lst
    ├── SegmentDisplay.rel
    ├── SegmentDisplay.rst
    └── SegmentDisplay.sym

    0 directories, 25 files

烧录

使用-P指定协议（Protocals）

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stcgal -P stc89 test02.ihx

提示Waiting for MCU, please cycle power:关闭电源开关再打开

默认波特率是19200，写入较慢，可以使用-b指定波特率

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stcgal -P stc89 -b 115200 test002.ihx

端口一般不用指定（应该是/dev/ttyUSB0），会自动识别，如果同时有多个端口，使用-p指定端口

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stcgal -P stc89 -b 115200 dist/89/89.hex -p /dev/ttyUSB1

使用-D显示串口交互信息

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stcgal -D -P stc89 -b 115200 test002.ihx

出现的问题及解决办法

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stcgal -P stc89 test02.ihx
# 运行上述烧录命令提示以下错误信息
/dev/ttyUSB0 permission denied
# 加上sudo后，提示以下信息
sudo: stcgal: command not found.

查看串口权限

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zhao@zhao-laptop:/dev$ ls -la ttyUSB0
crw-rw---- 1 root dialout 188, 0 1月  18 21:35 ttyUSB0

发现串口属于dialout群组，通过几个命令查询群组

查看自己所在的群组groups

查看所有可用群组compgen -g

应该可以看到自己不属于dialout群组，将自己加入这个群组获得权限

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sudo usermod -a -G dialout zhao

可能需要重启计算机，然后再执行烧录命令就可以了。

SDCC与Keil的区别以及注意事项

这是SDCC和Keil的不同之处。

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//头文件调用
#include<8052.h> //sdcc
#include<reg52.h> //keil

//定义引脚
#define pin P0_0 //sdcc，注意没有分号
sbit pin=P0^0; //keil，有分号

//定义中断函数
void Timer0() __interrupt 1//sdcc
void Timer0() interrupt 1//keil

//关键字data、bdata、idata、xdata、code等
__code unsigned char table[] = {} //sdcc
unsigned code char table[] = {} //keil

//sdcc需要自定义_nop_()函数（通过嵌入汇编语言）
#define _nop_() __asm NOP __endasm //然后使用_nop_()函数即可
_nop_() //keil在引用intrins.h头文件后直接使用_nop_()即可

//sdcc默认char是unsigned的，如需有符号char需要特定声明
signed char //sdcc 详见sdccman.pdf page8
char //keil
  • 取反和非操作的区别
    • !符号是非，是位取反（是“位”），只针对位变量。
    • ~符号是按位取反（是“按位”），针对字节变量
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//定义P1脚8个led灯
Pin1 = !Pin1; //只控制P1_1脚的led灯开关
Pin1 = ~Pin1; //控制P1的8个led灯开关
//定义P1.0一个led灯时，~有时不正常工作，需使用!
Pin10 = !Pin10; //

配合VSCode使用

参考1，2。

首先要安装C/C++插件。

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#include <mcs51/8051.h>

#define LED1 P1_0

void main()
{
  LED1 = 0;
}

使用VSCode打开test02.c所在工程目录，#include <mcs51/8051.h>部分会提示cannot open source file "mcs51/8051.h"，将光标移动到该行，Ctrl+.然后点击Edit "includePath" setting，然后在工程目录下会生成.vscode文件夹，修改其下文件c_cpp_properties.json文件（只改includePath和compilerPath应该就可以）

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{
    "configurations": [
        {
            "name": "Linux",
            "includePath": [
                "/usr/local/share/sdcc/include/",
                "${workspaceFolder}/**"
            ],
            "defines": [],
            "compilerPath": "/usr/local/bin/sdcc",
            "cStandard": "c11",
            "cppStandard": "c++17",
            "intelliSenseMode": "${default}"
        }
    ],
    "version": 4
}

再看源文件，LED1处提示以下错误

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identifier "P1_0" is undefinedC/C++(20)

查了半天资料，语法应该没有错误，是可以烧录进单片机并点亮P1.0的LED灯的。猜测可能是SDCC跟标准C之间的一些差异。不在乎这个错误提示的可以留着，想去掉的将光标移动到提示错误的地方，Ctrl+.选择Disable error squiggles，就会发现.vscode文件夹下多了一个settings.json文件。

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{
    "C_Cpp.errorSquiggles": "Disabled"
}

编写Makefile文件

每次运行都要输入编译与烧录命令比较麻烦，可以编写makefile文件节省时间

单文件

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BUILD_DIR = build/# 存放生成文件的文件夹
SRC_DIR= ./
INPUT=main.c# 输入文件
OUTPUT=*.ihx# 输出目标文件
PROTOCOL=stc89# 协议
BaudRate=115200# 波特率
DEVICE=/dev/ttyUSB0# 串口号（一般不用指定），如需指定，在烧录指令行最后加上 -p ${DEVICE}

build: ${OUTPUT}# 执行${OUTPUT}指令（即创建文件夹并编译）

flash: build# 烧录并执行build指令
	stcgal -P ${PROTOCOL} -b ${BaudRate} ${BUILD_DIR}${OUTPUT}

${OUTPUT}:# 创建文件夹并编译
	mkdir build && sdcc -o $(BUILD_DIR) ${SRC_DIR}${INPUT}

clean:# 清除存放生成文件的文件夹
	rm -rf ${BUILD_DIR}

直接输入make clean && make flash即可清理文件并编译烧录程序。但这样仍然要在每一个项目下添加makefile文件，暂时没有找到更好的方法解决这一问题。

多文件

参考文章1，2，3。多文件只能依次编译，不同项目需要更改Makefile的编译和链接部分。

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BLD_DIR = build/

download: main.ihx
	stcgal -P stc89 $(BLD_DIR)main.ihx
#烧录

main.ihx: main.rel delay.rel SegmentDisplay.rel
	sdcc main.rel delay.rel SegmentDisplay.rel ;\
	mkdir $(BLD_DIR) ;\
	mv *.lk *.asm *.lst *.mem *.rst *.rel *.sym *.ihx *.map $(BLD_DIR)
#多文件链接并将生成文件移入build文件夹

main.rel: main.c
	sdcc -c main.c
delay.rel: delay.c
	sdcc -c delay.c
SegmentDisplay.rel: SegmentDisplay.c
	sdcc -c SegmentDisplay.c
#多文件编译编译
	
.PHONY : clean
clean:
	-rm -rf $(BLD_DIR)
#	-rm -rf *.lk *.asm *.lst *.mem *.rst *.rel *.sym *.ihx *.map
#清除生成文件

串口调试

与单片机打交道经常需要串口通信，这就需要串口工具。在VScode里找到一个串口调试工具，但是目前还不支持Linux系统，只能找独立软件，搜索一番后，CuteCom是个不错的的选择。

可以直接sudo apt install cutecom，但是版本很老，是5年前的0.30.3版本，我们还是用源码安装（虽然源码也是3年前的。。。）。

从项目地址下载最新版后解压

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tar -xzvf cutecom-master.tar.gz cutecom-master/

进入文件夹并cmake

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cd cutecom-master/
cmake .

有可能会提示错误Could not find a package configuration file provided by "Qt5Widgets" with any of the following names: Qt5WidgetsConfig.cmake / qt5widgets-config.cmake。需要安装qt5

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sudo apt install qtbase5-dev
sudo apt install libqt5serialport5-dev

再次执行cmake，成功。

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zhao@zhao-laptop:~/Downloads/cutecom-master$ cmake .
-- Configuring done
-- Generating done
-- Build files have been written to: /home/zhao/Downloads/cutecom-master

然后再执行

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sudo make
sudo make install

检查是否安装正确

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zhao@zhao-laptop:~/Downloads/cutecom-master$ cutecom -h
Usage: cutecom [options]
CuteCom - Serial Terminal 0.51.0

Options:
  -h, --help               Displays this help.
  -s, --session <session>  Open a named <session>

可以看到0.51.0版本已安装完毕。打开软件

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cutecom

点击右侧Settings可以打开串口设置界面，选择串口号，选择程序中对应的波特率，点击Open就可以打开串口进行通信了。要发送数据给串口设备，就在Input中输入数据，如果是数字要选用16进制Hex，如果是文本格式要选用None。如果程序要再次编译运行，需要先点击Close停止CuteCom。

一些问题

51单片机的存储器

参考。

ROM, FLASH和RAM的区别。

时序图

看懂时序图。

参考。

波特率初值表

img

C语言知识点

单引号vs双引号。

参考。

参考资料

感谢这篇文章，讲的很详细。

还有这个大佬写的一篇，补充了安装SDCC的一些细节。

还有一篇。

printf and putchar。

汇编相关1, 2。

硬件
VSCode C51 SDCC STR89C52RC

本文作者: Shixin
本文链接: https://physxz.github.io/posts/10018/
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