清華大學單片機教學與實驗課程簡介

清華大學單片機教學與實驗課程簡介第一頁，共56頁。清華大學工程物理系為培養(yǎng)理工結合型人才，我國的原子能科學技術成立于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個一級學科：核科學與技術、物理學。每年招本科生150人，二學位30人，在讀博士碩士研究生300余人，在編教師110人，年科研經費1～1.3億核電子學專業(yè)屬核技術應用2級學科，主要領域與課題：國防相關課題；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窗口第二頁，共56頁。方向1：國防事業(yè)清華大學工程物理學成立于1956年，為國防而建第三頁，共56頁。方向2：國內大科學裝置研究建設北京正負電子對撞機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)界核及非核領域應用第六頁，共56頁。城鐵項目：ATP、ATO安全計算機2x2取2適應市場經濟，學生就業(yè)于國民經濟主戰(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物理實驗中的電子學部分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）計劃嵌入式技術在調整歐洲、美國和亞洲生產力不平衡至關重要歐洲在所以領域的競爭力都將依賴于嵌入式領域的創(chuàng)新力其跨學科特點：計算機、電子、機械工程師、應用專家ATEMIS已經建立了一個管理與整合框架，以優(yōu)化資源配置要開發(fā)被稱為ATEMIS方法的“新奇設計方案和工具集”歐洲各領先大學將設ATEMIS教授職位到2016年嵌入式領域的畢業(yè)生和博士將增加50％現(xiàn)在時刻是推動整個歐洲團結一致，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——嵌入式系統(tǒng)領域保持主導地位第十二頁，共56頁。微機、單片機教學——歷史與啟示基于PC的微機原理與接口技術原理與接口的尷尬Z80單板機對中國的影響不是主流，方法和思路是好的《單片機原理》教材講接口就錯了8051仿真器開發(fā)方法對單片機教學的影響仿真器的誤導和應用個性化的缺失ARM風暴引起的思考8、16、32位的關系、教學要符合認識的規(guī)律僅限于低功耗應用第十三頁，共56頁。微電子技術的飛速發(fā)展摩爾定律摩爾1965年文章指出，芯片中的晶體管數(shù)量每年會翻番，1975年，又修正了摩爾定律，每隔24個月，晶體管的數(shù)量將翻番。Intel官員稱，芯片的性能每隔18個月翻番一次。摩爾文章發(fā)表時，片上的晶體管約60個，而現(xiàn)在，英特爾最新的tanium芯片上有17億個硅晶體管。30年過去了，IC技術仍在按摩爾定律發(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——新技術不符合摩爾定律時發(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為核心到以存儲器為核心

存儲器是瓶頸CPU的運算能力已經從當年的1MIPs發(fā)展到如今的1000MIPs,不再是設計者優(yōu)先考慮的問題，當運算能力不夠時，可以增加CPU，增加專用芯片，如圖形加速ASIC由于SRAM復雜，集成度還不可能太高（目前片內只能32K～64K），SDRAM，DDRAM集成度很高Flash技術已經全面替代EPROM，片內也可以做得很大，512K～1M，片外8M，16M圖像、多媒體類應用對存儲器的需求，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存儲器的錯誤幾率遠高于CPU本身運算錯誤，在工控應用中，盡量把SRAM用量壓低是關鍵第二十頁，共56頁。片內存儲器會可靠很多第二十一頁，共56頁。SOC與擴展方式

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

以SDRAM(DDRRAM)擴展的系統(tǒng)使用例如Linux類操作系統(tǒng)圖像類應用應用RAM第二十三頁，共56頁。不同類型應用對RAM的需求不同圖像類、多媒體類應用，典型的如手機、人機交互設備，需要大的RAM空間，如1024x780的一幅彩色圖像，就需要768KRAM此類應用的特點是，要求通訊速度快，CPU處理能力強，但對可靠性要求不高,系統(tǒng)外擴SDRAM，DDRAM工控類應用對可靠性要求高，對RAM需求相對有限，只要認真計劃使用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而盡量不要擴展片外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算的幾種不同MCU，做任務切換（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)平臺允許用戶用C語言寫中斷服務程序，中斷嵌套層數(shù)為5，最多任務數(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16位機的32K片內RAM，比32位機用起來更寬裕簡單的CPU寄存器入?？欤袛囗憫獣r間要快很多所以，應該以存儲器需求為核心考慮系統(tǒng)設計，選節(jié)省SRAM的CPU第二十五頁，共56頁。清華工物系的單片機與嵌入式教育C語言單片機認識與實踐（S08/S12XS、大2下，90人）PCB設計（Protel、小學期）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計劃學生科展、挑戰(zhàn)杯已經進行了5屆的全國智能車競賽課程設計與畢業(yè)設計《嵌入式實時系統(tǒng)與單片機應用》（S12、uC/OS-II）將單片機用到研究生相關課題中第二十六頁，共56頁?！肚度胧綄崟r操作系統(tǒng)與單片機應用》課程簡介研究生精品課。面向全校非計算機專業(yè)研究生，特別是將來課題中會用到單片機的研究生。課程包括嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)和單片機應用設計兩方面內容。以μC/OS-II為例，講解RTOS的基本原理，特別是RTOS如何實現(xiàn)硬實時條件下的多任務調度以及如何解決任務間的競爭問題。以16位雙CPU單片機及開發(fā)工具為實驗條件，通過在集成開發(fā)環(huán)境下完成并口、串口、A/D等單個任務的單片機實驗，幫助學生學習單片機的開發(fā)方法。在掌握了單片機基礎知識和分析過μC/OS源代碼后，將實時操作系統(tǒng)μC/OS-II移植到該單片機上運行，并通過綜合實驗實現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)管理下的多任務運行。作為提高內容，學生可選擇學習掌握雙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域的最新進展等。第二十七頁，共56頁?！秵纹瑱C嵌入式應用在線開發(fā)方法》教材2004年版2006年修訂本2007年版第二十八頁，共56頁。關于開發(fā)方法的主要內容（目錄）第1章色彩斑斕的單片機世界 第2章單片機基本系統(tǒng)的硬件設計 第3章用匯編語言編程 第4章建立單片機運行環(huán)境和寫監(jiān)控程序第5章用C語言開發(fā)應用程序第6章移植和使用嵌入式實時操作系統(tǒng)第7章使用GCC交叉編譯器開發(fā)HC/S12單片機第8章單片機軟件開發(fā)工具CodeWarrior第9章實驗系統(tǒng)與I/O模塊第10章單片機模糊控制第11章單片機應用中的電磁兼容問題附錄AMC9S12D系列單片機開發(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結構簡單、RAM大小適中、FLASH的頁面式組織，響應中斷的寄存器自動入棧等，特別適應運行μC/OS真正的SOC合適的片內RAM，直觀的多任務結構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的免費正版軟件有GCC和Linux接軌經典的單片機開發(fā)方法和JTAG(BDM)調試趨勢結合可能是汽車技術方面產生革命性飛躍過程中的一個的關鍵角色，同時可廣泛用于其他行業(yè)的控制領域S12單片機種類多，外設齊備，實驗、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位機今后的發(fā)展趨勢第三十二頁，共56頁。單片機相關教學課程的特點課程3要素：教師、教材、實驗條件其中教師最重要，知識要不斷更新、需科研支撐技術飛速發(fā)展和教學需要穩(wěn)定的矛盾教材需要不斷更新實踐環(huán)節(jié)也很關鍵需要較大的投入而教學經費有限課時有限，需要的預備知識范圍寬清華5年改4年后大量削減計算機、外語課時數(shù)字電路、計算機軟硬件等需要學生大量課余時間和興趣，課外科技活動是最好的補充第三十三頁，共56頁。單片機相關教學課程的對象、目的與方法不同高校、不同基礎的學生，培養(yǎng)目的不同：我們的目的是以有限的學時，使學生盡早、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而不適用于教學Motorola單片機也有多種仿真器；復旦大學設計過多種Motorola單片機仿真器；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.《單片機認識與實踐》面向非計算機類，工程物理系電類低班本科生（核電子學相關專業(yè)）目標:選拔研究生，培養(yǎng)IT高手8位單片機開發(fā)方法入門，不講RTOS以S08單片機替換HC08單片機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認識與實踐》教材目錄第1章單片機的廣泛選擇第2章數(shù)字電路基礎及S08單片機簡介第3章S08單片機的指令系統(tǒng)及匯編語言程序設計第4章MCU基本系統(tǒng)設計第5章異步串行通信第6章MCU片內I/O模塊第7章用C語言開發(fā)應用程序第8章HCS08實驗開發(fā)系統(tǒng)及實驗指導第9章建立實用的在線調試環(huán)境第10章BDM后臺調試模式和DBG模塊第11章嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II在HCS08上的實現(xiàn)第12章時鐘和低功耗模式

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。教學實驗板第四十頁，共56頁。單片機與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》

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

$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教學的優(yōu)勢真正的SOC合適的片內RAM，直觀的多任務結構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的免費正版軟件經典的單片機開發(fā)方法和JTAG(BDM)調試趨勢結合可能是汽車技術方面產生革命性飛躍過程中的一個的關鍵角色，同時可廣泛用于其他行業(yè)的控制領域雙核技術：嵌入式應用技術新趨勢第四十七頁，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