清华大学单片机教学与实验课程简介课件

我校我校Freescale Freescale 单片机单片机用于嵌入式系统用于嵌入式系统教学与实验的基本情况教学与实验的基本情况 清华大学工程物理系清华大学工程物理系为培养理工结合型人才，我国的原子能科学技术成立于为培养理工结合型人才，我国的原子能科学技术成立于19561956年，已为国家培养了本科生、硕士生、博士生共近七年，已为国家培养了本科生、硕士生、博士生共近七千人。有千人。有2 2个一级学科：核科学与技术、物理学。每年招个一级学科：核科学与技术、物理学。每年招本科生本科生150150人人，二学位，二学位3030人，在读博士硕士研究生人，在读博士硕士研究生300300余人，余人，在编教师在编教师110110人，年科研经费人，年科研经费1 11.31.3亿亿核电子学专业属核技术应用核电子学专业属核技术应用2 2级学科，主要领域与课题：级学科，主要领域与课题：国防相关课题；国防相关课题；科研重大核工程科研重大核工程;基本粒子物理研究和国际合作；基本粒子物理研究和国际合作；民用工业及成果转化民用工业及成果转化“基本粒子物理研究和国际合作基本粒子物理研究和国际合作”是国际政治背景下的难是国际政治背景下的难得的新技术窗口得的新技术窗口方向方向1 1：国防事业：国防事业清华大学工程物理学成立于清华大学工程物理学成立于19561956年，为国防而建年，为国防而建方向方向2 2：国内大科学装置研究建设：国内大科学装置研究建设北京正负电子对撞机北京正负电子对撞机上海同步辐射光源上海同步辐射光源大亚湾工程大亚湾工程方向方向3 3：工业界核及非核领域应用：工业界核及非核领域应用城铁项目：城铁项目：ATPATP、ATOATO安全计算机安全计算机 2x2 2x2取取2 2适应市场经济，学生就业于适应市场经济，学生就业于国民经济主战场国民经济主战场瑞士与法国边界上的大型加速器瑞士与法国边界上的大型加速器欧洲核子研究中心欧洲核子研究中心CERNCERNCMS 探测器探测器我们参与的我们参与的LHCbLHCb物理实验中的电子学部分物理实验中的电子学部分Input:1.6G/s x 24Ch.Output:1G x 4总共总共350350块块插件插件欧盟的欧盟的ARTEMIS（狩猎女神）计划（狩猎女神）计划嵌入式技术在调整欧洲、美国和亚洲生产力不平衡至关重要嵌入式技术在调整欧洲、美国和亚洲生产力不平衡至关重要欧洲在所以领域的竞争力都将依赖于嵌入式领域的创新力欧洲在所以领域的竞争力都将依赖于嵌入式领域的创新力其跨学科特点：计算机、电子、机械工程师、应用专家其跨学科特点：计算机、电子、机械工程师、应用专家ATEMIS已经建立了一个管理与整合框架，以优化资源配置已经建立了一个管理与整合框架，以优化资源配置要开发被称为要开发被称为ATEMISATEMIS方法的方法的“新奇设计方案和工具集新奇设计方案和工具集”欧洲各领先大学将设欧洲各领先大学将设ATEMIS教授职位教授职位到到20162016年嵌入式领域的毕业生和博士将增加年嵌入式领域的毕业生和博士将增加5050现在时刻是推动整个欧洲团结一致，以便在最具变化、最普遍现在时刻是推动整个欧洲团结一致，以便在最具变化、最普遍深入最引人入胜和最有前景的信息技术深入最引人入胜和最有前景的信息技术嵌入式系统领域嵌入式系统领域保持主导地位保持主导地位微机、单片机教学微机、单片机教学历史与启示历史与启示基于基于PC PC 的微机原理与接口技术的微机原理与接口技术原理与接口的尴尬原理与接口的尴尬Z80Z80单板机对中国的影响单板机对中国的影响不是主流，方法和思路是好的不是主流，方法和思路是好的单片机原理教材单片机原理教材讲接口就错了讲接口就错了80518051仿真器开发方法对单片机教学的影响仿真器开发方法对单片机教学的影响仿真器的误导和应用个性化的缺失仿真器的误导和应用个性化的缺失ARMARM风暴引起的思考风暴引起的思考8 8、1616、3232位的关系、教学要符合认识的规律位的关系、教学要符合认识的规律仅限于低功耗应用仅限于低功耗应用微电子技术的飞速发展微电子技术的飞速发展摩尔定律摩尔定律摩尔摩尔19651965年文章指出，芯片中的晶体管数量每年文章指出，芯片中的晶体管数量每年会翻番，年会翻番，19751975年，又修正了摩尔定律，年，又修正了摩尔定律，每隔每隔2424个月，晶体管的数量将翻番。个月，晶体管的数量将翻番。IntelIntel官员称，官员称，芯片的性能每隔芯片的性能每隔1818个月翻番一次。摩尔文章发个月翻番一次。摩尔文章发表时，片上的晶体管约表时，片上的晶体管约6060个，而现在，英特尔个，而现在，英特尔最新的最新的taniumtanium芯片上有芯片上有1717亿个硅晶体管。亿个硅晶体管。3030年年过去了，过去了，ICIC技术仍在按摩尔定律发展技术仍在按摩尔定律发展从从3 3m m 到目前到目前40nm,40nm,理论极限是理论极限是4nm4nm，可能在，可能在20232023年。年。1515年后定律将如何？年后定律将如何？摩尔定律摩尔定律集成电路的集成度集成电路的集成度Intel Intel 处理器的集成度处理器的集成度2.2亿亿摩尔定律摩尔定律 CPU 性能性能摩尔定律摩尔定律新技术新技术不符合摩尔定律时发生了什么？不符合摩尔定律时发生了什么？从从3m 到目前到目前22nm,理论极限是理论极限是4nm，还，还能维持多久？后摩尔定律时期将如何？能维持多久？后摩尔定律时期将如何？摩尔定律摩尔定律成本成本从以从以CPUCPU为核心到以存储器为核心为核心到以存储器为核心存储器是瓶颈存储器是瓶颈CPUCPU的运算能力已经从当年的的运算能力已经从当年的1MIPs1MIPs发展到如今的发展到如今的1000MIPs,1000MIPs,不再是设计者优先考虑的问题，当运算能力不再是设计者优先考虑的问题，当运算能力不够时，可以增加不够时，可以增加CPUCPU，增加专用芯片，如图形加速，增加专用芯片，如图形加速ASICASIC由于由于SRAMSRAM复杂，集成度还不可能太高（目前片内只能复杂，集成度还不可能太高（目前片内只能32K32K64K64K），），SDRAMSDRAM，DDRAMDDRAM集成度很高集成度很高Flash Flash 技术已经全面替代技术已经全面替代 EPROM EPROM，片内也可以做得很，片内也可以做得很大，大，512K512K1M1M，片外，片外8M8M，16M16M图像、多媒体类应用对存储器的需求，对文件系统的图像、多媒体类应用对存储器的需求，对文件系统的需求量大，需求量大，Flash Flash 有替代硬盘的趋势有替代硬盘的趋势读写随机存储器的错误几率远高于读写随机存储器的错误几率远高于CPUCPU本身运算错误，本身运算错误，在工控应用中，尽量把在工控应用中，尽量把SRAMSRAM用量压低是关键用量压低是关键片内存储器会可靠很多片内存储器会可靠很多SOC SOC 与与 扩展方式扩展方式不同应用不同应用嵌入式系统平台对嵌入式系统平台对RAMRAM的需求应满足正态分布：的需求应满足正态分布：0应用应用RAM如果存在一种能满如果存在一种能满足多种应用的开发足多种应用的开发平台，该平台的平台，该平台的RAMRAM应该在这个范围应该在这个范围嵌入式系统应用嵌入式系统应用RAMRAM的实际情况的实际情况0SOC C/OS-IIC/OS-II控制类应用控制类应用 以以SDRAM(DDRRAM)SDRAM(DDRRAM)扩展的系统使用例如扩展的系统使用例如LinuxLinux类操作系统类操作系统图像类应用图像类应用应用应用RAM不同类型应用对不同类型应用对RAMRAM的需求不同的需求不同图像类、多媒体类应用，典型的如手机、人机交互设备，图像类、多媒体类应用，典型的如手机、人机交互设备，需要大的需要大的RAMRAM空间，如空间，如1024x7801024x780的一幅彩色图像，就需的一幅彩色图像，就需要要768K RAM 768K RAM 此类应用的特点是，要求通讯速度快，此类应用的特点是，要求通讯速度快，CPUCPU处理能力强，但对可靠性要求不高处理能力强，但对可靠性要求不高,系统外扩系统外扩SDRAMSDRAM，DDRAMDDRAM工控类应用对可靠性要求高，对工控类应用对可靠性要求高，对RAMRAM需求相对有限，只需求相对有限，只要认真计划使用要认真计划使用32K32K64K RAM64K RAM可以满足大多数需求，如果可以满足大多数需求，如果不够，可以考虑增加一片单片机而尽量不要扩展片外不够，可以考虑增加一片单片机而尽量不要扩展片外SRAMSRAM不同类型不同类型MCUMCU对对RAMRAM的需求不同的需求不同以下是粗略计算的几种不同以下是粗略计算的几种不同MCUMCU，做任务切换，做任务切换（Contest SwitchContest Switch）需要的堆栈深度：）需要的堆栈深度：1616位位 CPU12CPU129B9B3232位位ARMARM68B68B3232位位PPCPPC132B132B这意味着如果开发平台允许用户用这意味着如果开发平台允许用户用C C语言写中断服务程语言写中断服务程序，中断嵌套层数为序，中断嵌套层数为5 5，最多任务数，最多任务数2020，系统占用的，系统占用的RAMRAM至少为：至少为：1616位位 CPU12CPU129B9B（5 51 1）2020108010803232位位ARMARM68B 68B（5 51 1）2020=7160=71603232位位PPCPPC136B 136B（5 51 1）2020=16320=16320不同类型不同类型CPUCPU，系统占用的，系统占用的RAMRAM资源竟相差资源竟相差1616倍之多！倍之多！此时此时1616位机的位机的32K32K片内片内RAMRAM，比，比3232位机用起来更宽裕位机用起来更宽裕 简单的简单的CPUCPU寄存器入栈快，中断响应时间要快很多寄存器入栈快，中断响应时间要快很多所以，应该以存储器需求为核心考虑系统设计，选节所以，应该以存储器需求为核心考虑系统设计，选节省省SRAMSRAM的的CPUCPU清华工物系的单片机与嵌入式教育清华工物系的单片机与嵌入式教育C 语言语言单片机认识与实践单片机认识与实践 （S08/S12XS、大、大2下，下，90人）人）PCB设计（设计（Protel、小学期）、小学期）模拟电路模拟电路、数字电路、数字电路嵌入式系统与智能仪器（大嵌入式系统与智能仪器（大3下，下，30人）人）SRT 计划计划学生科展、挑战杯学生科展、挑战杯已经进行了已经进行了5届的届的全国智能车竞赛全国智能车竞赛课程设计与毕业设计课程设计与毕业设计嵌入式实时系统与单片机应用嵌入式实时系统与单片机应用（S12、uC/OS-II）将单片机用到研究生相关课题中将单片机用到研究生相关课题中嵌入式实时操作系统与单片机应用课程简介嵌入式实时操作系统与单片机应用课程简介 研研究究生生精精品品课课。面面向向全全校校非非计计算算机机专专业业研研究究生生，特特别别是是将将来来课课题题中中会会用用到到单单片片机机的的研研究究生生。课课程程包包括括嵌嵌入入式式实实时时操操作作系系统统(RTOS)和和单单片片机机应应用用设设计计两两方方面面内内容容。以以C/OS-II为为例例，讲讲解解RTOS的的基基本本原原理理，特特别别是是RTOS如如何何实实现现硬硬实实时时条条件件下下的的多多任任务务调调度度以以及及如如何何解解决决任任务务间间的的竞竞争争问问题题。以以16位位双双CPU单单片片机机及及开开发发工工具具为为实实验验条条件件，通通过过在在集集成成开开发发环环境境下下完完成成并并口口、串串口口、A/D等等单单个个任任务务的的单单片片机机实实验验，帮帮助助学学生生学学习习单单片片机机的的开开发发方方法法。在在掌掌握握了了单单片片机机基基础础知知识识和和分分析析过过C/OS源源代代码码后后，将将实实时时操操作作系系统统C/OS-II移移植植到到该该单单片片机机上上运运行行，并并通通过过综综合合实实验验实实现现嵌嵌入入式式操操作作系系统统管管理理下下的的多多任任务务运运行行。作作为为提提高高内内容容，学学生生可可选选择择学学习习掌掌握握双双CPU的的嵌嵌入入式式系系统统开开发发方方法法。课课程程还还介介绍绍嵌嵌入入式式系系统统中中的的电电磁磁兼兼容容问问题题以以及及嵌嵌入入式领域的最新进展等。式领域的最新进展等。单片机嵌入式应用在线开发方法教材单片机嵌入式应用在线开发方法教材 2004年版年版 2006年修订本年修订本 2007年版年版关于开发方法的主要内容关于开发方法的主要内容（目录）（目录）第第1 1章章 色彩斑斓的单片机世界色彩斑斓的单片机世界第第2 2章章 单片机基本系统的硬件设计单片机基本系统的硬件设计第第3 3章章 用汇编语言编程用汇编语言编程第第4 4章章 建立单片机运行环境和写监控程序建立单片机运行环境和写监控程序第第5 5章章 用用C C语言开发应用程序语言开发应用程序 第第6 6章章 移植和使用嵌入式实时操作系统移植和使用嵌入式实时操作系统 第第7 7章章 使用使用GCCGCC交叉编译器开发交叉编译器开发HC/S12HC/S12单片机单片机第第8 8章章 单片机软件开发工具单片机软件开发工具 CodeWarrior CodeWarrior第第9 9章章 实验系统与实验系统与I/OI/O模块模块第第1010章章 单片机模糊控制单片机模糊控制第第1111章章 单片机应用中的电磁兼容问题单片机应用中的电磁兼容问题附录附录A MC9S12 DA MC9S12 D系列单片机开发工具包系列单片机开发工具包附录附录B B 监控程序源代码监控程序源代码S12 S12 用于嵌入式教学的优势用于嵌入式教学的优势最初的最初的 C/OSC/OS就是为就是为68HC1168HC11写的，写的，S12S12与与HC11HC11指令向下兼容指令向下兼容1616位位S12S12的的CPUCPU结构简单、结构简单、RAMRAM大小适中、大小适中、FLASHFLASH的页面式组织，响应中断的的页面式组织，响应中断的寄存器自动入栈等，特别适应运行寄存器自动入栈等，特别适应运行 C/OSC/OS真正的真正的SOCSOC合适的片内合适的片内RAMRAM，直观的多任务结构，直观的多任务结构Flash Flash 的分页管理很有特色的分页管理很有特色足够丰富的足够丰富的I/OI/OCodeWarrior CodeWarrior 代码限制不影响教学的免费正版软件代码限制不影响教学的免费正版软件有有 GCC GCC 和和Linux Linux 接轨接轨经典的单片机开发方法和经典的单片机开发方法和JTAG(BDM)JTAG(BDM)调试趋势结合调试趋势结合可能是汽车技术方面产生革命性飞跃过程中的一个的关键角色，同时可广可能是汽车技术方面产生革命性飞跃过程中的一个的关键角色，同时可广泛用于其他行业的控制领域泛用于其他行业的控制领域S12S12单片机种类多，外设齐备，实验、开发成本低单片机种类多，外设齐备，实验、开发成本低Motorola/Freescale MCU/DSP Motorola/Freescale MCU/DSP 历史和发展历史和发展68006801680568HC0568HCL0568HSC051974200068HCS0868HCS12Power PCDSP5600068HC1168000683xx68020680106809ARMMCOREColdFireDSPS12X 16S12X 16位机今后的发展趋势位机今后的发展趋势单片机相关教学课程的特点单片机相关教学课程的特点课程课程3要素：要素：教师、教材、实验条件教师、教材、实验条件其中教师最重要，知识要不断更新、需科研支撑其中教师最重要，知识要不断更新、需科研支撑技术飞速发展和教学需要稳定的矛盾技术飞速发展和教学需要稳定的矛盾教材需要不断更新教材需要不断更新实践环节也很关键实践环节也很关键需要较大的投入而教学经费有限需要较大的投入而教学经费有限 课时有限，需要的预备知识范围宽课时有限，需要的预备知识范围宽清华清华5年改年改4年后大量削减计算机、外语课时年后大量削减计算机、外语课时数字电路、计算机软硬件等数字电路、计算机软硬件等需要学生大量课余时间和兴趣需要学生大量课余时间和兴趣，课外科技活动是最好，课外科技活动是最好的补充的补充单片机相关教学课程的对象、目的与方法单片机相关教学课程的对象、目的与方法不同高校、不同基础的学生，培养目的不同：不同高校、不同基础的学生，培养目的不同：我们的目的是以有限的学时，使学生尽早、尽快入门，而最我们的目的是以有限的学时，使学生尽早、尽快入门，而最终成为培养终成为培养ITIT高手。高手。开发方法：开发方法：仿真器方法适用于培训而不适用于教学仿真器方法适用于培训而不适用于教学MotorolaMotorola单片机也有多种仿真器；单片机也有多种仿真器；复旦大学设计过多种复旦大学设计过多种MotorolaMotorola单片机仿真器；单片机仿真器；仿真器的例子仿真器的例子其他著名开发工具商：其他著名开发工具商：P&E;Cosmic;IARP&E;Cosmic;IAR；NohauNohau；CodewarriorCodewarrior1.单片机认识与实践单片机认识与实践面向非计算机类，工程物理系电类低班本科生（核面向非计算机类，工程物理系电类低班本科生（核电子学相关专业）电子学相关专业）目标目标:选拔研究生，培养选拔研究生，培养ITIT高手高手8 8位单片机开发方法入门，不讲位单片机开发方法入门，不讲RTOSRTOS以以S08S08单片机替换单片机替换HC08HC08单片机单片机受到车模竞赛的冲击受到车模竞赛的冲击HCS08 HCS08 是最简单、最传统的是最简单、最传统的 8 8位位 CPU CPU Carry/BorrowZeroNegativeInterrupt MaskHalf CarryAccumulatorIndex RegisterProgram CounterStack PointerCondition Code Register07X07A0IP15015CZNIH01234HHC08 HC08 教材：教材：2001 2001年出版的年出版的HC08HC08教材教材20052005年修订，年修订，附录中给出监控程序源代码附录中给出监控程序源代码单片机认识与实践教材目录单片机认识与实践教材目录第第1 1章章 单片机的广泛选择单片机的广泛选择 第第2 2章章 数字电路基础及数字电路基础及S08S08单片机简介单片机简介第第3 3章章 S08 S08单片机的指令系统及汇编语言程序设计单片机的指令系统及汇编语言程序设计 第第4 4章章 MCU MCU基本系统设计基本系统设计 第第5 5章章 异步串行通信异步串行通信 第第6 6章章 MCU MCU片内片内I/OI/O模块模块 第第7 7章章 用用C C语言开发应用程序语言开发应用程序第第8 8章章 HCS08 HCS08实验开发系统及实验指导实验开发系统及实验指导 第第9 9章章 建立实用的在线调试环境建立实用的在线调试环境 第第1010章章 BDM BDM后台调试模式和后台调试模式和DBGDBG模块模块第第1111章章 嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统C/OS-IIC/OS-II在在HCS08HCS08上的实现上的实现第第1212章章 时钟和低功耗模式时钟和低功耗模式 附录附录A S08Monitor A S08Monitor 用户手册和源代码用户手册和源代码 附录附录B THUBDM08 B THUBDM08 使用说明书使用说明书 教学实验板教学实验板单片机与单片机与BDM工具工具监控程序（监控程序（Boot-loader）和主要命令）和主要命令本科生课：本科生课：“单片机与嵌入式系统开发方法单片机与嵌入式系统开发方法”教育部十一五国家级规划教材教育部十一五国家级规划教材20092009年年8 8月出版月出版范例选用范例选用1616位单片机位单片机S12XSS12XSIXIYSPPCCCRA、B 或或DS X H I N Z V C707715000000015151515PCSPYXDBA50PPAGE*S12 CPU 研究生课研究生课 RTOS RTOS 教材教材研究生课教材：嵌入式系统中的双核技术研究生课教材：嵌入式系统中的双核技术2008.8.2008.8.北航出版社北航出版社S12 S12 单片机的分页式存单片机的分页式存储器管理储器管理$0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFF向量区向量区EEPROMRAM16KFixedFixed16KFixedFixed16KPagedPaged$3F$3$0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFFVictorsI/ORegistersEEPROMRAM16KFlash16KFlash16KFlash$30$3F$3$30Block 3Block 2Block 1E$31$32$33$34$35$36$37$38$39$3 A$3 B$3 C$3 D$31$32$33$34$35$36$37$38$39$3 A$3 B$3 C$3 DBlock 3Block 2Block 1Block 0ES12X S12X 用于用于RTOSRTOS教学的优势教学的优势真正的真正的SOCSOC合适的片内合适的片内RAMRAM，直观的多任务结构，直观的多任务结构Flash Flash 的分页管理很有特色的分页管理很有特色足够丰富的足够丰富的I/OI/OCodeWarrior CodeWarrior 代码限制不影响教学的免费正版软件代码限制不影响教学的免费正版软件经典的单片机开发方法和经典的单片机开发方法和JTAG(BDM)JTAG(BDM)调试趋势结合调试趋势结合可能是汽车技术方面产生革命性飞跃过程中的一个的关键可能是汽车技术方面产生革命性飞跃过程中的一个的关键角色，同时可广泛用于其他行业的控制领域角色，同时可广泛用于其他行业的控制领域双核技术：嵌入式应用技术新趋势双核技术：嵌入式应用技术新趋势Multi-Tasks$0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFF向量区向量区EEPROMRAM16KuC/OS-IIuC/OS-IIKernelKernel16KFixedFixed16KTask 11 Task 11$3F$3$0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFFVictorsI/ORegistersEEPROMRAM16K Flash16KFlash16KFlash$3B$3F$3 Task 1 Task 2 Task 3 Task 4 Task 5 Task 6 Task 7 Task 8 Task 9 Task 10 HeapStackC Lab Task 12 Task 13 Task 13$30主要实验设备主要实验设备 开发方法：开发方法：从设计从设计MC9S12DG256/128MC9S12DG256/128单片机最小系统开始单片机最小系统开始1616位位 CPU CPU12K/8K SRAM12K/8K SRAM256K/128K FLASH256K/128K FLASHSCI x 2 SCI x 2 Timer x 8ch.Timer x 8ch.SPI x 3SPI x 3PWM x 4PWM x 4A/D 10b x 16A/D 10b x 16CAN x 5CAN x 5GPIOGPIO自己写自己写 Monitor/Debug Monitor/Debug 程序程序 兼容兼容 S12XGate S12XGate主要实验设主要实验设S12实验板实验板实验：实验：PIOSCISPIA/D键盘键盘LED定时定时中断中断RTOS授课方法和课件将在后授课方法和课件将在后2天的师资培训中给出天的师资培训中给出S08AW60/GT60 实验系统实验系统便于存放便于存放采用采用8 8套或套或1010套一箱的包装方式套一箱的包装方式可以带回宿舍的实验系统可以带回宿舍的实验系统实验：实验：按键，按键，LED，串口，串口，AD，PWM，数码管，液晶，传感器数码管，液晶，传感器学生对教师的教学评估学生对教师的教学评估问题与讨论问题与讨论