單片機的單CPU仿真器的設計
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仿真器工作時，要把程序從PC機下載到仿真器的存儲器中。在此先詳細分析51單片的存儲器結構和尋址方法，再分析片外存儲器的擴展，最后給出設計原理并分析系統結構。
圖1 存儲空間分布
51單片機存儲器結構分析
8051單片機的存儲器在物理結構上分為程序存儲器空間和數據存儲器空間，共有4個存儲空間：片內程序存儲器、片外程序存儲器以及片內數據存儲器、片外數據存儲器空間。這種程序存儲和數據存儲分開的結構形式被稱為哈佛結構。但從用戶的角度，8051存儲器地址空間可分為3類：片內、片外統一編址0000H~FFFFH的64KB程序存儲器地址空間(用16位地址)；64KB片外數據存儲器地址空間，地址也從0000H~FFFFH(用16位地址)編址；256B片內數據存儲器地址空間(用8位地址)。
上述4個存儲空間地址是重疊的，如圖1所示。8051的指令系統設計了不同的數據傳送指令以區別這4個不同的邏輯空間：CPU訪問片內、片外ROM指令用MOVC，訪問片外RAM指令用MOVX，訪問片內RAM指令用MOV。
程序存儲器用于存放編好的程序和表格常數。程序通過16位程序計數器尋址，尋址能力為64KB。這使得指令能在64KB的地址空間內任意跳轉，但不能使程序從程序存儲器空間轉移到數據存儲器空間。
實際上，當引腳EA接高電平時，8051的程序計數器PC執行片內ROM中的程序，當指令地址超過片內ROM地址時，就自動轉向片外ROM中去取指令。當引腳EA接低電平(接地)時，8051片內ROM不起作用，CPU只能從片外ROM中取指令，地址可以從0000H開始編址。8051從片內程序存儲器和片外程序存儲器取指時的執行速度相同。
存儲器外擴
用P0口作地址/數據復用總線，用P2口的口線作高位地址線，最多可以擴展64KB的存儲器。控制信號線包括：使用ALE作為地址鎖存的選通信號，以實現低8位地址的鎖存；以PSEN信號作為擴展程序存儲器的讀選通信號；以EA信號作為內、外程序存儲器的選擇信號；以EA和作為擴展數據存儲器和I/O端口的讀、寫選通信號。執行MOVX指令時，RD和WR信號分別自動有效。片外數據存儲器RAM的讀和寫由8051的RD(P3.7)和WR(P3.6)信號控制，而片外程序存儲器的輸出允許(OE)由讀選通PSEN信號控制。盡管片外數據存儲器和片外程序存儲器共處同一地址空間，但由于控制信號及使用的數據傳送指令不同，故不會發生總線沖突。 
圖2 仿真器原理圖
仿真器原理與結構
由于現在以8051為內核的單片機幾乎都帶有內部的FLASH程序存儲器。如本設計中要用到的AT89C51或AT89S51均自帶4KB的FLASH程序存儲器，有的單片機帶有20KB甚至更大容量的程序存儲器。因此在單片機開發中，很少用專門的程序存儲器芯片來擴展外部程序存儲器，通常也沒有必要。基于以上這些因素，下面分析本文中的仿真器實現的原理。
下載程序時，EA接高電平，單片機執行內部ROM中的程序，把PC機的程序數據下載到片外的RAM62256中；當程序數據下載完后，在保持RAM62256不掉電的情況下，將單片機的EA接低電平，并把單片機復位。這樣單片機就只能從片外存儲器中讀數據。然后利用RD與PSEN相“與”來選通RAM62256的讀允許片選端OE，使得單片機能夠從RAM62256中讀出程序。這樣就實現了仿真功能。因為單片機從片內程序存儲器和片外程序存儲器取指時的執行速度相同，所以這個設計方案下的仿真器性能比起傳統仿真器毫不遜色。
總系統電路原理如圖2所示，系統由單片機AT89C51、地址鎖存器74LS373、片外存儲器62256、接口電平轉換芯片MAX232和相關控制電路組成。
其中AT89C51就是仿真器的核心部件，晶體振蕩電路和復位電路與普通單片機系統相同。不同的是：EA接一個單刀雙投開關，表面上沒有擴展ROM。RAM62256的與OE普通單片機系統的接法有所不同，系統中把RD與PSEN相“與”，令其選通RAM62256的讀允許片選端OE，就能促成RAM(注意：整個過程中RAM不掉電)由數據空間的角色向程序空間的角色轉換。在執行MOVX指令時，產生RD，WR信號，寫入程序信息。在執行RAM中的程序時，由PSEN信號與RD信號選通RAM62256的OE端，實現從RAM62256中程序的讀入。
軟件設計
PC機(上位機)軟件可以參考Windows驅動程序開發、串口調試助手等相關書籍；也可以利用現成的KEIL C51的Windows集成開發環境~VISION51和軟件仿真器DSCOPE51完成。
下位機軟件的主要任務就是設置串口和接收上位機串口發送來的數據，并將數據存入外部“數據”存儲器中。
單片機主程序如下：
MOV SCON,#50H ;串口方式 1
MOV TMOD,#20H ;T1 方式 1
MOV TL1,#0FDH ;波特率 9600 的常數
MOV TH1,#0FDH
SETB TR1 ;開中斷
SETB ET1
SETB ES
SETB EA
系統“寫”時用如下指令：
MOVX @DPTR,A
MOVX @Ri, A
在中斷服務子程序中，為區別所接收的信號是聯絡信號還是字節數、是數據還是校驗和，需要設立不同的標志位如下：
FLAG0 BIT 00H ;接收聯絡信號標志位
FLAG1 BIT 01H ;接收字節數標志位
FLAG2 BIT 02H ;接收數據標志位
FLAG3 BIT 03H ;接收文件結束標志位
程序流程如圖3所示，其中R7為接收到的字節數，接收的數據一定要存入片外RAM從0000H開始的單元中。當單片機復位后，把RAM當作程序存儲器時，PC是從0000H開始的。 
圖3 單片機接收中斷服務子程序流程圖
幾點討論
(1) 系統中不需要單獨的仿真器電源，也不需要晶振電路。
(2) 下位機的片外存儲器在重復寫數時不用擦除，每次重新下載程序時，總是用覆蓋的方式。新下載的程序都有END為結束，就算新下載的程序比原來的短，也不會執行多余的代碼。
(3) 在實際中，可以進一步改進電路，當文件下載完之后，通過串口備用的信號線產生控制信號來控制和復位，從而使得全過程均由上位機控制。
(4) 由于內部結構的限制，被仿真的產品不能擴展片外的程序存儲器，但由于片外可以擴展64KB的數據存儲器，文中只用了32KB，因此還可以擴展一定的外設。
(5) 被仿真產品的E(--)A(--)的接法有一定的限制，不能直接接地或接電源正極，實際中只要加上一個合適的限流電阻(如10K?)就可以了。實際上這種方案可以適用于任何可以外擴存儲器的單片機。
結束語
對以上的設計進行分析不難發現，整個系統各個功能模塊技術非常成熟：在硬件方面，各子電路均有現存的電路套用，而且各個元器件的參數容易確定；在軟件方面，僅涉及到COM口的串行通信程序及上位機的界面程序。在實際的制作過程中，系統的元器件數目少且價格低廉，容易調試，成功率高，性能穩定。
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