清華大學(xué)單片機(jī)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)課程簡介

清華大學(xué)單片機(jī)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)課程簡介第一頁，共56頁。清華大學(xué)工程物理系為培養(yǎng)理工結(jié)合型人才，我國的原子能科學(xué)技術(shù)成立于1956年，已為國家培養(yǎng)了本科生、碩士生、博士生共近七千人。有2個(gè)一級學(xué)科：核科學(xué)與技術(shù)、物理學(xué)。每年招本科生150人，二學(xué)位30人，在讀博士碩士研究生300余人，在編教師110人，年科研經(jīng)費(fèi)1～1.3億核電子學(xué)專業(yè)屬核技術(shù)應(yīng)用2級學(xué)科，主要領(lǐng)域與課題：國防相關(guān)課題；科研重大核工程;基本粒子物理研究和國際合作；民用工業(yè)及成果轉(zhuǎn)化“基本粒子物理研究和國際合作”是國際政治背景下的難得的新技術(shù)窗口第二頁，共56頁。方向1：國防事業(yè)清華大學(xué)工程物理學(xué)成立于1956年，為國防而建第三頁，共56頁。方向2：國內(nèi)大科學(xué)裝置研究建設(shè)北京正負(fù)電子對撞機(jī)上海同步輻射光源第四頁，共56頁。大亞灣工程第五頁，共56頁。方向3：工業(yè)界核及非核領(lǐng)域應(yīng)用第六頁，共56頁。城鐵項(xiàng)目：ATP、ATO安全計(jì)算機(jī)2x2取2適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)，學(xué)生就業(yè)于國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場第七頁，共56頁。瑞士與法國邊界上的大型加速器第八頁，共56頁。歐洲核子研究中心－CERN第九頁，共56頁。CMS探測器第十頁，共56頁。我們參與的LHCb物理實(shí)驗(yàn)中的電子學(xué)部分Input:1.6G/sx24Ch.Output:1Gx4總共350塊插件第十一頁，共56頁。歐盟的ARTEMIS（狩獵女神）計(jì)劃嵌入式技術(shù)在調(diào)整歐洲、美國和亞洲生產(chǎn)力不平衡至關(guān)重要?dú)W洲在所以領(lǐng)域的競爭力都將依賴于嵌入式領(lǐng)域的創(chuàng)新力其跨學(xué)科特點(diǎn)：計(jì)算機(jī)、電子、機(jī)械工程師、應(yīng)用專家ATEMIS已經(jīng)建立了一個(gè)管理與整合框架，以優(yōu)化資源配置要開發(fā)被稱為ATEMIS方法的“新奇設(shè)計(jì)方案和工具集”歐洲各領(lǐng)先大學(xué)將設(shè)ATEMIS教授職位到2016年嵌入式領(lǐng)域的畢業(yè)生和博士將增加50％現(xiàn)在時(shí)刻是推動(dòng)整個(gè)歐洲團(tuán)結(jié)一致，以便在最具變化、最普遍深入最引人入勝和最有前景的信息技術(shù)——嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域保持主導(dǎo)地位第十二頁，共56頁。微機(jī)、單片機(jī)教學(xué)——?dú)v史與啟示基于PC的微機(jī)原理與接口技術(shù)原理與接口的尷尬Z80單板機(jī)對中國的影響不是主流，方法和思路是好的《單片機(jī)原理》教材講接口就錯(cuò)了8051仿真器開發(fā)方法對單片機(jī)教學(xué)的影響仿真器的誤導(dǎo)和應(yīng)用個(gè)性化的缺失ARM風(fēng)暴引起的思考8、16、32位的關(guān)系、教學(xué)要符合認(rèn)識(shí)的規(guī)律僅限于低功耗應(yīng)用第十三頁，共56頁。微電子技術(shù)的飛速發(fā)展摩爾定律摩爾1965年文章指出，芯片中的晶體管數(shù)量每年會(huì)翻番，1975年，又修正了摩爾定律，每隔24個(gè)月，晶體管的數(shù)量將翻番。Intel官員稱，芯片的性能每隔18個(gè)月翻番一次。摩爾文章發(fā)表時(shí)，片上的晶體管約60個(gè)，而現(xiàn)在，英特爾最新的tanium芯片上有17億個(gè)硅晶體管。30年過去了，IC技術(shù)仍在按摩爾定律發(fā)展從3μm到目前40nm,理論極限是4nm，可能在2023年。15年后定律將如何？第十四頁，共56頁。摩爾定律——集成電路的集成度第十五頁，共56頁。Intel處理器的集成度2.2億第十六頁，共56頁。摩爾定律——CPU性能第十七頁，共56頁。摩爾定律——新技術(shù)不符合摩爾定律時(shí)發(fā)生了什么？從3μm到目前~22nm,理論極限是4nm，還能維持多久？后摩爾定律時(shí)期將如何？第十八頁，共56頁。摩爾定律——成本第十九頁，共56頁。從以CPU為核心到以存儲(chǔ)器為核心

存儲(chǔ)器是瓶頸CPU的運(yùn)算能力已經(jīng)從當(dāng)年的1MIPs發(fā)展到如今的1000MIPs,不再是設(shè)計(jì)者優(yōu)先考慮的問題，當(dāng)運(yùn)算能力不夠時(shí)，可以增加CPU，增加專用芯片，如圖形加速ASIC由于SRAM復(fù)雜，集成度還不可能太高（目前片內(nèi)只能32K～64K），SDRAM，DDRAM集成度很高Flash技術(shù)已經(jīng)全面替代EPROM，片內(nèi)也可以做得很大，512K～1M，片外8M，16M圖像、多媒體類應(yīng)用對存儲(chǔ)器的需求，對文件系統(tǒng)的需求量大，F(xiàn)lash有替代硬盤的趨勢讀寫隨機(jī)存儲(chǔ)器的錯(cuò)誤幾率遠(yuǎn)高于CPU本身運(yùn)算錯(cuò)誤，在工控應(yīng)用中，盡量把SRAM用量壓低是關(guān)鍵第二十頁，共56頁。片內(nèi)存儲(chǔ)器會(huì)可靠很多第二十一頁，共56頁。SOC與擴(kuò)展方式

不同應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)對RAM的需求應(yīng)滿足正態(tài)分布：0應(yīng)用RAM如果存在一種能滿足多種應(yīng)用的開發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)的RAM應(yīng)該在這個(gè)范圍第二十二頁，共56頁。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用RAM的實(shí)際情況0SOCμC/OS-II控制類應(yīng)用

以SDRAM(DDRRAM)擴(kuò)展的系統(tǒng)使用例如Linux類操作系統(tǒng)圖像類應(yīng)用應(yīng)用RAM第二十三頁，共56頁。不同類型應(yīng)用對RAM的需求不同圖像類、多媒體類應(yīng)用，典型的如手機(jī)、人機(jī)交互設(shè)備，需要大的RAM空間，如1024x780的一幅彩色圖像，就需要768KRAM此類應(yīng)用的特點(diǎn)是，要求通訊速度快，CPU處理能力強(qiáng)，但對可靠性要求不高,系統(tǒng)外擴(kuò)SDRAM，DDRAM工控類應(yīng)用對可靠性要求高，對RAM需求相對有限，只要認(rèn)真計(jì)劃使用32K～64KRAM可以滿足大多數(shù)需求，如果不夠，可以考慮增加一片單片機(jī)而盡量不要擴(kuò)展片外SRAM第二十四頁，共56頁。不同類型MCU對RAM的需求不同以下是粗略計(jì)算的幾種不同MCU，做任務(wù)切換（ContestSwitch）需要的堆棧深度：16位 CPU12 9B32位 ARM 68B32位 PPC 132B這意味著如果開發(fā)平臺(tái)允許用戶用C語言寫中斷服務(wù)程序，中斷嵌套層數(shù)為5，最多任務(wù)數(shù)20，系統(tǒng)占用的RAM至少為：16位 CPU12 9B×（5＋1）×20 ＝108032位 ARM 68B×（5＋1）×20 =716032位 PPC 136B×（5＋1）×20 =16320不同類型CPU，系統(tǒng)占用的RAM資源竟相差16倍之多！此時(shí)16位機(jī)的32K片內(nèi)RAM，比32位機(jī)用起來更寬裕簡單的CPU寄存器入?？?，中斷響應(yīng)時(shí)間要快很多所以，應(yīng)該以存儲(chǔ)器需求為核心考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選節(jié)省SRAM的CPU第二十五頁，共56頁。清華工物系的單片機(jī)與嵌入式教育C語言單片機(jī)認(rèn)識(shí)與實(shí)踐（S08/S12XS、大2下，90人）PCB設(shè)計(jì)（Protel、小學(xué)期）模擬電路、數(shù)字電路嵌入式系統(tǒng)與智能儀器（大3下，30人）SRT計(jì)劃學(xué)生科展、挑戰(zhàn)杯已經(jīng)進(jìn)行了5屆的全國智能車競賽課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)《嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)與單片機(jī)應(yīng)用》（S12、uC/OS-II）將單片機(jī)用到研究生相關(guān)課題中第二十六頁，共56頁?！肚度胧綄?shí)時(shí)操作系統(tǒng)與單片機(jī)應(yīng)用》課程簡介研究生精品課。面向全校非計(jì)算機(jī)專業(yè)研究生，特別是將來課題中會(huì)用到單片機(jī)的研究生。課程包括嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)和單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)兩方面內(nèi)容。以μC/OS-II為例，講解RTOS的基本原理，特別是RTOS如何實(shí)現(xiàn)硬實(shí)時(shí)條件下的多任務(wù)調(diào)度以及如何解決任務(wù)間的競爭問題。以16位雙CPU單片機(jī)及開發(fā)工具為實(shí)驗(yàn)條件，通過在集成開發(fā)環(huán)境下完成并口、串口、A/D等單個(gè)任務(wù)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的開發(fā)方法。在掌握了單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)和分析過μC/OS源代碼后，將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II移植到該單片機(jī)上運(yùn)行，并通過綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)管理下的多任務(wù)運(yùn)行。作為提高內(nèi)容，學(xué)生可選擇學(xué)習(xí)掌握雙CPU的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法。課程還介紹嵌入式系統(tǒng)中的電磁兼容問題以及嵌入式領(lǐng)域的最新進(jìn)展等。第二十七頁，共56頁?！秵纹瑱C(jī)嵌入式應(yīng)用在線開發(fā)方法》教材2004年版2006年修訂本2007年版第二十八頁，共56頁。關(guān)于開發(fā)方法的主要內(nèi)容（目錄）第1章色彩斑斕的單片機(jī)世界 第2章單片機(jī)基本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 第3章用匯編語言編程 第4章建立單片機(jī)運(yùn)行環(huán)境和寫監(jiān)控程序第5章用C語言開發(fā)應(yīng)用程序第6章移植和使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)第7章使用GCC交叉編譯器開發(fā)HC/S12單片機(jī)第8章單片機(jī)軟件開發(fā)工具CodeWarrior第9章實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與I/O模塊第10章單片機(jī)模糊控制第11章單片機(jī)應(yīng)用中的電磁兼容問題附錄AMC9S12D系列單片機(jī)開發(fā)工具包附錄B監(jiān)控程序源代碼第二十九頁，共56頁。S12用于嵌入式教學(xué)的優(yōu)勢最初的μC/OS就是為68HC11寫的，S12與HC11指令向下兼容16位S12的CPU結(jié)構(gòu)簡單、RAM大小適中、FLASH的頁面式組織，響應(yīng)中斷的寄存器自動(dòng)入棧等，特別適應(yīng)運(yùn)行μC/OS真正的SOC合適的片內(nèi)RAM，直觀的多任務(wù)結(jié)構(gòu)Flash的分頁管理很有特色足夠豐富的I/OCodeWarrior代碼限制不影響教學(xué)的免費(fèi)正版軟件有GCC和Linux接軌經(jīng)典的單片機(jī)開發(fā)方法和JTAG(BDM)調(diào)試趨勢結(jié)合可能是汽車技術(shù)方面產(chǎn)生革命性飛躍過程中的一個(gè)的關(guān)鍵角色，同時(shí)可廣泛用于其他行業(yè)的控制領(lǐng)域S12單片機(jī)種類多，外設(shè)齊備，實(shí)驗(yàn)、開發(fā)成本低第三十頁，共56頁。Motorola/FreescaleMCU/DSP歷史和發(fā)展68006801680568HC0568HCL0568HSC051974200068HCS0868HCS12PowerPCDSP5600068HC1168000683xx68020680106809ARMMCOREColdFireDSP第三十一頁，共56頁。S12X16位機(jī)今后的發(fā)展趨勢第三十二頁，共56頁。單片機(jī)相關(guān)教學(xué)課程的特點(diǎn)課程3要素：教師、教材、實(shí)驗(yàn)條件其中教師最重要，知識(shí)要不斷更新、需科研支撐技術(shù)飛速發(fā)展和教學(xué)需要穩(wěn)定的矛盾教材需要不斷更新實(shí)踐環(huán)節(jié)也很關(guān)鍵需要較大的投入而教學(xué)經(jīng)費(fèi)有限課時(shí)有限，需要的預(yù)備知識(shí)范圍寬清華5年改4年后大量削減計(jì)算機(jī)、外語課時(shí)數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)軟硬件等需要學(xué)生大量課余時(shí)間和興趣，課外科技活動(dòng)是最好的補(bǔ)充第三十三頁，共56頁。單片機(jī)相關(guān)教學(xué)課程的對象、目的與方法不同高校、不同基礎(chǔ)的學(xué)生，培養(yǎng)目的不同：我們的目的是以有限的學(xué)時(shí)，使學(xué)生盡早、盡快入門，而最終成為培養(yǎng)IT高手。開發(fā)方法：仿真器方法適用于培訓(xùn)而不適用于教學(xué)Motorola單片機(jī)也有多種仿真器；復(fù)旦大學(xué)設(shè)計(jì)過多種Motorola單片機(jī)仿真器；第三十四頁，共56頁。仿真器的例子其他著名開發(fā)工具商：P&E;Cosmic;IAR；Nohau；Codewarrior……第三十五頁，共56頁。1.《單片機(jī)認(rèn)識(shí)與實(shí)踐》面向非計(jì)算機(jī)類，工程物理系電類低班本科生（核電子學(xué)相關(guān)專業(yè)）目標(biāo):選拔研究生，培養(yǎng)IT高手8位單片機(jī)開發(fā)方法入門，不講RTOS以S08單片機(jī)替換HC08單片機(jī)受到車模競賽的沖擊第三十六頁，共56頁。HCS08是最簡單、最傳統(tǒng)的8位CPU

Carry/BorrowZeroNegativeInterruptMaskHalfCarryAccumulatorIndexRegisterProgramCounterStackPointerConditionCodeRegister07X07A0IP15015CZNIH01234H第三十七頁，共56頁。HC08教材：2001年出版的HC08教材2005年修訂，附錄中給出監(jiān)控程序源代碼第三十八頁，共56頁?！秵纹瑱C(jī)認(rèn)識(shí)與實(shí)踐》教材目錄第1章單片機(jī)的廣泛選擇第2章數(shù)字電路基礎(chǔ)及S08單片機(jī)簡介第3章S08單片機(jī)的指令系統(tǒng)及匯編語言程序設(shè)計(jì)第4章MCU基本系統(tǒng)設(shè)計(jì)第5章異步串行通信第6章MCU片內(nèi)I/O模塊第7章用C語言開發(fā)應(yīng)用程序第8章HCS08實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)第9章建立實(shí)用的在線調(diào)試環(huán)境第10章BDM后臺(tái)調(diào)試模式和DBG模塊第11章嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II在HCS08上的實(shí)現(xiàn)第12章時(shí)鐘和低功耗模式

附錄AS08Monitor用戶手冊和源代碼附錄BTHUBDM08使用說明書第三十九頁，共56頁。教學(xué)實(shí)驗(yàn)板第四十頁，共56頁。單片機(jī)與BDM工具第四十一頁，共56頁。監(jiān)控程序（Boot-loader）和主要命令第四十二頁，共56頁。本科生課：“單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法”

教育部十一五國家級規(guī)劃教材2009年8月出版范例選用16位單片機(jī)S12XSIXIYSPPCCCRA、B

或DSXHINZVC707715000000015151515PCSPYXDBA50PPAGE*S12CPU第四十三頁，共56頁。研究生課RTOS教材第四十四頁，共56頁。研究生課教材：《嵌入式系統(tǒng)中的雙核技術(shù)》

2008.8.北航出版社第四十五頁，共56頁。S12單片機(jī)的分頁式存儲(chǔ)器管理

$0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFF向量區(qū)EEPROMRAM16KFixed16KFixed16KPaged$3F$3$0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFFVictorsI/ORegistersEEPROMRAM16KFlash16KFlash16KFlash$30$3F$3$30Block3Block2Block1E$31$32$33$34$35$36$37$38$39$3A$3B$3C$3D$31$32$33$34$35$36$37$38$39$3A$3B$3C$3DBlock3Block2Block1Block0E第四十六頁，共56頁。S12X用于RTOS教學(xué)的優(yōu)勢真正的SOC合適的片內(nèi)RAM，直觀的多任務(wù)結(jié)構(gòu)Flash的分頁管理很有特色足夠豐富的I/OCodeWarrior代碼限制不影響教學(xué)的免費(fèi)正版軟件經(jīng)典的單片機(jī)開發(fā)方法和JTAG(BDM)調(diào)試趨勢結(jié)合可能是汽車技術(shù)方面產(chǎn)生革命性飛躍過程中的一個(gè)的關(guān)鍵角色，同時(shí)可廣泛用于其他行業(yè)的控制領(lǐng)域雙核技術(shù)：嵌入式應(yīng)用技術(shù)新趨勢第四十七頁，共56頁。Multi-Tasks$0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFF向量區(qū)EEPROMRAM16KuC/OS-IIKernel16KFixed16KTask11$3F$3$0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFFVictorsI/ORegist