单片机嵌入式系统简介

1、基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介合肥工业大学机械与汽车工程学院滕 勤2014.4教材与参考书籍【教材】吴晔，张阳，滕勤.基于HCS12的嵌入式系统设计.电子工业出版社，2010.【参考书籍】王宜怀，刘晓升.嵌入式系统使用HCS12微控制器的设计与应用.北京航空航天大学出版社，2008. 孙同景，陈桂友.Freescale 9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术.机械工业出版社，2008.基于HCS12的嵌入式系统设计参考教材【参考书籍】张阳，吴晔，滕勤.MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发.电子工业出版社，2011.王宜怀，曹金华.嵌入式系统设计实战基于飞思卡尔S1

2、2X微控制器.北京航空航天大学出版社，2011.邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法.清华大学出版社，2004. 基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介本章内容1.1 概述1.2 嵌入式系统1.3 嵌入式系统硬件1.4 嵌入式系统软件1.5 嵌入式操作系统1.6 嵌入式系统开发方法1.7 HCS12和HCS12X系列单片机简介基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.1基本概念和术语单片机中央处理器（CPU）存储器：随机存储器（RAM），只读存储器（ROM）RAMSRAM，DRAMROMROM，PROM，EPROM，EEPROM，FLASH EEP

3、ROM复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（RISC） 基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.1基本概念和术语【单片微型计算机】简称单片机(Single-chip Microcomputer)。【单片机】组成计算机的基本部件集成到一块芯片上而形成的微型计算机。片内包含中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、EPROM、E2PROM、Flash等)、中断控制、系统时钟、系统总线、外围接口(并行I/O、串行I/O)、定时/计数器、A/D转换器、PWM、通信接口(SCI、SPI、I2C、USB、CAN、以太网)等功能模块。基于HCS12的嵌入式系统设计第1

4、章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.1 基本概念和术语【单片微型计算机】【应用】汽车、家电、民用电子产品、航空航天及工业控制等领域。也称为微控制器(Microcontroller)或微控制单元(MCU)。【组成】内核、存储器、功能模块和接口电路等，各部分之间通过总线（数据总线、控制总线）相连，协调工作。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介单片机典型应用实例MC9S12EVK教学与评估核心板 基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介单片机典型应用实例智能小车控制电路板实验板基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介单片机典型应用实例 发动机电控单元（ECU

5、）基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.1 基本概念和术语【中央处理器（CPU）】中央处理器（Central Processing Unit）是一台计算机的运算和控制核心。【功能】解释并执行计算机的指令和处理软件中的数据。【组成】运算器进行算术、逻辑运算；寄存器暂时存储数据；控制器解释指令，按照时序产生CPU内部或外部的控制信号。【运行过程】提取（Fetch）、解码（Decord）、执行（Execute）、回写（Writeback）。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.1 基本概念和术语【中央处理器（CPU）】【特点】CPU

6、的工作与时钟脉冲发生器产生的脉冲信号同步。【主频】CPU内部的工作时钟频率。主频越高，一个时钟周期内执行的指令数越多，CPU的运算速度越快。【外频】系统总线频率。CPU与周边设备传输数据的频率，即CPU到芯片组件之间的总线速度。【倍频】CPU与系统总线之间相差的倍数。CPU主频=外频倍频。当外频不变时，提高倍频，CPU主频也就越高。【外部时钟频率】外部晶体振荡器的振荡频率。等于或低于系统总线频率。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.1 基本概念和术语【存储器】由若干个存储单元组成，主要用于存储信息资料和程序。按照存储信息的保持性，分为：随机存储器（Rando

7、m Access Memory，RAM）和只读存储器（Read Only Memory，ROM）。 【RAM】存储单元的内容可随意读出或写入，且存取速度与存储单元的位置无关。由于断电时存储内容会丢失，因此，称为易失性存储器，主要用于存储短时间使用的信息。【ROM】存储单元的内容只能读出，不能随意写入，断电后保存的信息不会改变，称为非易失性存储器。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1.1 基本概念和术语【存储器】随机存储器（RAM） 按照存储特性的不同，又分为：静态随机存储器（Static RAM，SRAM）和动态随机存储器（Dynamic RAM，DRAM）。 【SRAM

8、】在触发器的基础上附加门控管构成阵列，依靠触发器的自保持功能存储数据。不断电时，存储的数据不会丢失。优点：速度快、静态功耗极低。缺点：集成度低、运行功耗大。 【DRAM】由动态MOS存储单元构成存储矩阵，利用MOS管的栅极电容存储信息。即使不断电，如果不能及时刷新，存储的数据仍会丢失。优点：集成度远高于SRAM、功耗低。缺点：由于需要刷新，使外围电路复杂，存取速度比SRAM慢。 基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.1 基本概念和术语【存储器】只读存储器（ROM） 按照存储特性的不同，又分为：掩模型只读存储器（Mask ROM，MROM）、可编程只读存储器（P

9、rogrammable ROM，PROM）、可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable ROM，EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable ROM，EEPROM）、闪速存储器（Flash Memory）。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.1 基本概念和术语【存储器】只读存储器（ROM） 【MROM】芯片生产厂家在最后一道掩膜工艺时，将信息永久性地写入，不可擦除和更改。【PROM】用户可通过编程器写入信息，但只能写一次，不能擦除。【EPROM】用户可以多次写入、擦除信息

10、。利用紫外线照射擦除芯片中的内容；利用编程器，在外加高电压（12V或21.5V）条件下将信息写入。【EEPROM】在5V电压下写入和擦除信息，可以在线擦除和编程。【FLash Memory】实质是一种高速EEPROM。 基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.1 基本概念和术语【CISC和RISC】复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC）和精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）是当前CPU的两种架构，区别在于不同的CPU设计理念和方法。CISC CISC

11、是一种便于编程和提高记忆体访问效率的芯片设计体系。【设计原则】强化指令的硬件执行，用最少的机器语言指令来完成所需的计算任务，将较复杂（指令较长）的指令译码分成几条微指令去执行。【指令系统】具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.1 基本概念和术语【CISC和RISC】CISC【优点】程序设计比较容易，因为每一个简单的或者复杂的操作都有相应的指令可以实现。【缺点】由于指令复杂，导致执行效率较低，处理数据速度较慢；处理器的电路设计非常复杂。 基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.1 基本概念和

12、术语【CISC和RISC】RISC【设计原则】降低由硬件执行指令的复杂度。因为软件比硬件容易提供更大的灵活性和更高的智能。只包含最有用的指令，去掉复杂、使用频度不高的指令。指令长度固定。采用Load/Store结构，统一存储器访问方式，确保数据通道快速执行每一条指令。CPU硬件结构设计变得更为简单。 【优点】执行效率比CISC高，运行速度更快。【缺点】对编译器的设计有更高的要求。 基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.1 基本概念和术语【CISC和RISC】CISC与RISC比较基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.1 基本概

13、念和术语【中断】【中断概念】CPU正在执行程序时，出现一个紧急事件需要CPU迅速处理，CPU暂停当前的工作，转去处理所发生的事件（称为中断响应Interrupt response），处理完后，再回到原来被中断的地方（称为断点Breakpoint），继续原来的工作。【中断系统】实现中断功能的部件。【中断源】引起中断的原因或能产生中断请求的来源。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.1 基本概念和术语【中断】 【中断服务程序（interrupt service routine（ISR）】响应特定中断而运行的一段程序，这段程序所在的地址称为中断向量或中断矢量（Int

14、errupt vector）。【中断处理步骤】保护现场；执行中断处理任务；恢复现场；中断服务返回。硬件中断和软件中断 【硬件中断】通过硬件电路实现的中断。由某一特定功能引脚或片内外设产生。 【软件中断】软件指令引起的程序的中断。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.1 基本概念和术语【中断】【中断类型】根据中断是否可以屏蔽（禁止）可屏蔽中断可以由程序禁止的中断，即可以通过指令使中断请求不起作用，不引起中断。非屏蔽中断不能用软件屏蔽的中断，中断事件必须由CPU处理。【中断类型】按照中断源位置的不同内部中断单片机内部中断源产生的中断。外部中断单片机外部中断源产生的

15、中断。【中断优先级】当几个中断源同时向CPU提出中断申请时，CPU对中断源优先服务的顺序。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.2 单片机的发展和应用现状【单片机的发展】五个阶段 初级阶段，1974年1976年 寻求最佳单片形态体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了单片微型计算机与通用计算机完全不同的研发方向。1971年11月，Intel公司首次发布了4位微处理器4004，并于1972年首先推出8位微处理器8008。1974年12月，莫斯特克（Mostek）和仙童（Fairchild）公司合作推出了8位单片机F8，开创了单片机的初级阶段。1975年，德州仪器公

16、司（TI）首次推出4位单片机TMS-1000。 1976年，Intel公司推出了8位单片机MCS-48，极大地促进了单片机的变革。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.2 单片机的发展和应用现状【单片机的发展】五个阶段低性能阶段，1977年1979年 用于控制的探索阶段。努力满足嵌入式应用时，控制系统中各种外设电路与接口电路的相互匹配，强化单片机的控制能力。 1977年GI公司推出了PIC1650。1978年，Zilog公司推出了8位单片机Z8。该公司与Z8指令类似的Z80 CPU作为单板机的CPU，曾在我国流行多年。 1979年NEC公司推出PD78XX系列

17、。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.2 单片机的发展和应用现状【单片机的发展】五个阶段 完善阶段，1980年1982年 奠定了典型通用总线型单片机的体系结构。 1980年，Intel公司推出了兼容MCS-48指令的增强型8位单片机MCS-51，使单片机的应用登上一个新台阶。完善的外部总线。CPU外围功能单元的集中管理模式。 体现工业控制特性的位地址空间及位操作方式。 丰富的指令系统，增加了许多突出控制功能的指令。 基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1.2 单片机的发展和应用现状【单片机的发展】五个阶段 转型阶段，1983年1990年

18、渐渐显现单片机的微控制器特征。将一些用于测控系统的模/数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中。20世纪80年代中期，Intel公司将8051内核使用权以专利互换或出售的形式，转让给一些著名IC生产厂商，如PHILIPS、西门子、AMD、OKI、NEC、ATMEL、台湾华邦等，形成MCS-51系列单片机的一些变型产品，使生产厂家达20多个。16位单片机开始推出 1983年Intel公司推出MCS-96系列16位单片机。1987年Intel公司推出80C96，美国国家半导体公司推出HPC16040，NEC公司推出783XX系列等。 基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1

19、 概述1.1.2 单片机的发展和应用现状【单片机的发展】五个阶段 成熟阶段，1991年 追求应用于嵌入式系统的芯片上最大化解决方案。 出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位、16位、32位通用型单片机以及各种性价比极高的小型专用型单片机。 【8位单片机】Intel公司的8X252、UPI-45283C152，Zilog公司的Super8等。【16位单片机】Intel公司的80C196、80C251、80C51XA，美国国家半导体公司的HPC16104，TI公司的MSP430系列等。【32位单片机】Intel公司的80960等，以及后来流行的ARM系列单片机。【64位单片机】如英国Inmos公

20、司的Transputer T800。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.2 单片机的发展和应用现状【Motorola单片机的发展】1974年，Motorola公司推出MC6800微处理器。1979年开始生产8位单片机MC6801。1983年前后发展成为性能较高的M68HC05系列。1990年前后，针对简单被控对象，开发了廉价的单片机MC6804，在家用电器控制方面具有明显的优势。2002年，继MC68HC12系列16位单片机之后，推出了HCS12系列MCU，受到很多中端用户的青睐。2004年，Motorola半导体部从Motorola公司分离出来，成立了独立

21、的Freescale（飞思卡尔）公司。 基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.2 单片机的发展和应用现状【Motorola单片机的发展】2006年，Freescale公司推出了RS08超低端8位MCU，以满足用户对体积更小、更经济高效解决方案的需求。2007年6月，推出了引脚兼容的8位与32位MCUQE128系列。同时，Freescale公司的8位、16位、32位MCU并行发展，形成品种齐全、自成体系的庞大MCU家族。 20世纪90年代是单片机的大发展时期，Motorola、Intel、Atmel、德州仪器、三菱、日立、飞利浦、韩国LG等各半导体器件生产厂商推

22、出了一批性能优越的MCU，极大地推动了MCU的应用。 基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1.2 单片机的发展和应用现状【单片机的发展】【发展趋势】低功耗、小体积、大容量、高性能、高可靠性、低成本及混合信号集成化。【发展方向】大容量、高性能。小容量、低价格。外围电路内装化。多核。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1.2 单片机的发展和应用现状【单片机应用现状】【发展现状】世界上著名的单片机供应商主要有Freescale (Motorola)、Microchip、 Infineon(Siemens)、Atmel、Philips、ST、TI、NEC、日立、

23、东芝、三菱等。其中，Motorola一直是全球最大的微控制器供应商，其单片机在国际市场上占有最大的份额，尤其是在通信和汽车行业内，绝大多数产品采用了Motorola单片机，市场份额、技术性能和产品品种在世界上长期处于领先地位。 迄今为止，市场上出售的单片机产品已达70多个系列、上千个品种。年产量8位、16位、32位单片机的需求与供给呈现逐渐上升的态势。市场产值份额大有8位、16位、32位单片机三分天下的趋势。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1.2 单片机的发展和应用现状【单片机应用特点】多样化和个性化。小型化和集成化，强调片上系统（SOC）。基于HCS12的嵌入式系统设

24、计第1章 嵌入式系统简介Freescale MCU roadmapCost Effective 8-bitSingle Chip SolutionsRelative PerformanceLevel of System Integration On-ChipHC05HC05HC05 Upgrade8-bit Single Chip with FLASHHC08HCS08High Performance 8-bitwith Expanded BusHC11HC1116-bit HC11 Upgradewith FLASHHC12HCS12High Performance 16-bitwith D

25、SP InstructionsHC16HC1632-bit 68020-basedIntegrated Controllers683xx683xx32-bit M-CORE RISCControllers with FLASHMMC20 xxMMC21xx32-bit ColdFireHigh PerformanceVariable-LengthRISCMCF52xxMCF54xxPowerPC Controllersfor Automotive ControlMPC5xxMPC5xxPowerPC Controllersfor Serial CommunicationsMPC8xxMPC82

26、xx16-bit DSP withMCU InstructionsDSP568xxDSP568xx24-bit DSP forEnhanced TelecomDSP566xxDSP566xx24-bit DSP forEnhanced AudioDSP563xxDSP563xxHigh PerformancePowerPCMPC6xxMPC7xx16/32-bitCISC68000680606802068030680406800High End DSPStar*CoreStar*Core基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.1 概述1.1.2 单片机的发展和应用现状【本课程针

27、对的机型】Freescale 16位单片机MC9S12系列。学习单片机原理从16位单片机开始，是一个很好的切入点。Freescale单片机种类齐全，基本可以满足各种应用的需要。Freescale单片机也是美国许多大学单片机课程的主流机种。 基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.2 嵌入式系统 【嵌入式系统(Embedded System)】隐藏或嵌入在对象体系中的专用计算机系统。【基本要素】嵌入性、专用性、计算机系统【本质】把一个计算机系统嵌入到另一个对象体系中。【特征】一种专用计算机系统，包含微处理器或微控制器计算机隐藏或嵌入在系统中。是可独立工作的“机器”或“器件”。 【

28、组成】嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统、应用软件等。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.2 嵌入式系统嵌入式系统的基本架构 基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.2 嵌入式系统【嵌入式系统的分类】 小型嵌入式系统 采用8位或16位微控制器，需要进行板级设计。【编程工具】专用编辑器、汇编器和交叉汇编器等，软件通常用C语言开发。中型嵌入式系统采用16位或32位微控制器、数字信号处理器（DSP）或精简指令集（RISC）计算机。【编程工具】RTOS、源代码设计工具、模拟器、调试器和集成开发环境（IDE）等。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统

29、简介1.2 嵌入式系统【嵌入式系统的分类】复杂嵌入式系统需要可升级或可配置的处理器和可编程逻辑阵列（FPGA、CPLD）等器件。用于边缘应用，需要硬件和软件协同设计，但受到硬件单元所提供的处理速度、存储器等资源的限制。为了解决时间问题，提高系统运行速度，可以在硬件中实现一部分软件功能，例如加密和解密算法、TCP/IP协议栈和网络驱动程序等。可以用软件实现系统中某些硬件资源的功能模块。开发工具昂贵，有时还需要为这些系统开发编译器或者重定目标的编译器等。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.3 嵌入式系统硬件嵌入式微处理器一般具备4个特点：对实时和多任务有很强的支持能力，有较短的

30、中断响应时间，使内部代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度；具有功能很强的存储区保护功能，由于嵌入式系统的软件结构已模块化，为了避免软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断；可扩展的处理器结构，以便能够迅速地扩展满足应用的高性能嵌入式微处理器；低功耗，尤其是用于靠电池供电的便携式无线及移动计算和通信设备的嵌入式微处理器，功耗往往为mW甚至uW级。 基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.3 嵌入式系统硬件嵌入式系统硬件的核心嵌入式微处理器，可以分成四类：嵌入式微处理器（Micro Processor Unit，MPU）；嵌入式微控制

31、器（Microcontroller Unit，MCU）；嵌入式DSP处理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）；嵌入式片上系统（System On Chip，SOC）。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.3 嵌入式系统硬件1.3.1 嵌入式微处理器 【微处理器】集中取址和处理一组通用指令的单元，包含一个控制单元和一个ALU单元。采用“增强型”通用CPU，工作温度、电磁兼容性以及可靠性方面的要求比通用CPU高。根据实际应用要求，将嵌入式微处理器装配在专门设计的主板上，只保留与嵌入式应用有关的主板功能，以大幅度地减小系统的体积和功耗。

32、与工控机相比，由嵌入式微处理器组成的系统优点是体积小、重量轻、成本低、可靠性高，但在其电路板上必须包括必要的ROM、RAM、总线接口、外设等器件。由嵌入CPU及其存储器、总线、外设等器件安装在一块电路板上构成的系统，即所谓的单板机系统。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.3 嵌入式系统硬件1.3.2 嵌入式微控制器 【嵌入式微控制器（MCU）】，又称单片机，整个计算机系统集成在一块芯片上。以某种CPU为内核，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、EEPROM、Flash EEPROM 等各种必要的

33、功能部件和外设。为了适应不同的应用需求，对功能的设置和外设的配置进行必要的修改和裁减定制，使得一个系列的单片机具有内核相同的多种衍生产品，主要区别在于存储器、外设的配置和功能的设置等。使单片机最大限度地与应用需求相匹配，减少整个系统的功耗和成本。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.3 嵌入式系统硬件1.3.2 嵌入式微控制器 Freescale 8 bit microcontroller基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.3 嵌入式系统硬件1.3.2 嵌入式微控制器 Freescale 8 bit microcontroller基于HCS12的嵌入式系统

34、设计第1章 嵌入式系统简介1.3 嵌入式系统硬件1.3.3 嵌入式DSP处理器 采用特殊设计的系统结构和指令，特别适合实时数字信号处理。在数字滤波、FFT（快速傅里叶变换）、谱分析等方面，DSP算法正大量进入嵌入式领域，DSP应用正逐步从通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器有两类： 经过单片化、EMC（电磁兼容性）改造、增加片上外设，成为嵌入式DSP处理器，例如TI的TMS320C2000/C5000等。在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器，例如，Intel的MCS296和Infineon的TriCore系列。基于HCS12的嵌入式系统设计

35、第1章 嵌入式系统简介1.3 嵌入式系统硬件1.3.4 嵌入式片上系统 随着EDA（电子设计自动化）的推广和大规模集成电路（Large Scale Integrated Circuit，VLSI）设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上集成实现更为复杂的系统，由此产生了SOC技术。各种通用处理器内核可以作为SOC设计公司的标准库，嵌入式系统外设成为VLSI设计中的标准器件，可以通过标准的VHDL、Verilog等硬件语言描述保存在器件库中，供用户设计选择使用。用户根据需求定义应用系统，通过开发工具仿真、调试、验证，设计出的应用系统后，将设计文档等资料提交给半导体工厂制作样品。整

36、个嵌入式系统的功能模块均可集成到一块或几块芯片中，应用系统电路板设计将变得越来越简洁，这对于减小整个应用系统的体积和功耗、提高可靠性非常有利。 基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.4 嵌入式系统软件软件是系统设计最重要的部分，是嵌入式系统的关键。嵌入式系统需要开发特定的应用软件，处理器执行指令和处理数据，有效、准确地完成指定任务。在设计的最后阶段，这些指令代码和相关数据被放置到存储器中，用于完成相应的工作。目前，嵌入式系统的应用软件开发大多使用高级语言，例如C、C+和JAVA等，其中C语言应用最广泛。 基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.5 嵌入式操作系

37、统【嵌入式操作系统】【概念】支持嵌入式系统应用的操作系统，是嵌入式系统（包括硬、软件系统）设计的重要组成部分。通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。具有通用操作系统的基本特点。例如，能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够硬件虚拟化，使得开发人员从复杂的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序等。与通用操作系统相比，嵌入式操作系统在实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面更具优势。 基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.5 嵌入式操作系统1.5.1 嵌入式操作系统的种

38、类 嵌入式操作系统可以分为两类：一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统，如WindRiver公司的VxWorks、ISI公司的pSOS、QNX公司的QNX、ATI公司的Nucleus等；另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理（PDA）、移动电话、机顶盒、电子书、WebPhone等。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.5 嵌入式操作系统1.5.2 嵌入式操作系统的发展 【4个阶段】第一阶段：无操作系统的嵌入算法阶段，以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。第二阶段：以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心

39、的嵌入式系统。第三阶段：以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统。第四阶段：以基于Internet的嵌入式系统。嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.5 嵌入式操作系统1.5.3 使用实时操作系统的必要性 嵌入式实时操作系统在嵌入式系统中应用越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得越来越重要。 嵌入式实时操作系统（RTOS）提高了系统的可靠性。RTOS提高了开发效率，缩短了开发周期。 嵌入式实时操作系统充分发挥了32位CPU的多任务潜力。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.5 嵌入式操作系统

40、1.5.4 实时操作系统的优缺点【优点】 在嵌入式实时操作系统环境下开发应用程序，使程序的设计和扩展变得容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分割成若干独立的任务模块，使程序的设计过程大为简化，对实时性要求苛刻的事件易于得到快速、可靠的处理。通过有效的系统服务，使得系统资源得到更好的利用。【缺点】需要额外的ROM/RAM开销，会增加CPU的额外负荷，以及内核的开销等。 基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.6 嵌入式系统开发方法1.6.1 嵌入式系统的在线开发方法如今的单片机片内存储器大多是Flash存储器，支持在线编程，即单片机的CPU有能力对片内Flash

41、存储器进行擦除、写入操作。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.6 嵌入式系统开发方法1.6.1 嵌入式系统的在线开发方法不再需要仿真器，用户只需要通过串行接口将命令和数据传送给单片机即可。在目标板的单片机上直接运行应用程序，是真实硬件环境下的运行，比在仿真器上运行应用程序要真实得多。目前的16位单片机都支持在线调试的功能，甚至在应用程序运行时，可以动态地获取CPU、存储器等的动态信息，这就是BDM (Background Debug Mode)调试方式。32位单片机、DSP芯片或某些16位单片机，借助于JTAG接口，可以实现更强的BDM功能。基于HCS12的嵌入式系统设计第

42、1章 嵌入式系统简介1.6 嵌入式系统开发方法1.6.1 嵌入式系统的在线开发方法 JTAG (Joint Test Action Group；联合测试行为组织)是一种国际标准测试协议(兼容IEEE 1149.1)，最初主要用于芯片内部测试。【JTAG的基本原理】在器件内部定义一个测试访问接口(Test Access Port，TAP)，通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。JTAG接口还常用于在线编程 (In-System Programmable，ISP)，对FLASH等器件进行编程。现在多数高级器件都支持JTAG协议，如DSP、FPGA、PSD、PLD、CPL、ASIC器件等。基

43、于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.6 嵌入式系统开发方法Infineon 16位单片机XC164CS的片上调试支持(OCDS，On-Chip Debug Support)系统。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.6 嵌入式系统开发方法1.6.1 嵌入式系统的在线开发方法OCDS系统支持各种调试功能，包括设置断点和跟踪存储器位置，典型应用是，在用户系统环境下，调试正在XC164上运行的用户软件。OCDS系统的功能由调试接口、OCDS模块和调试IO控制模块(Cerberus)表示。标准的JTAG接口有4根线：模式选择TMS、时钟TCK、串行数据输入TDI、串

44、行数据输出TDO。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.6 嵌入式系统开发方法1.6.2 嵌入式系统的开发流程基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.7 HCS12和HCS12X系列单片机简介1.7.1 HCS12系列单片机概述Freescale公司的16位单片机主要分为HC12、HCS12和HCS12X系列。 【HC12系列】采用16位高速CPU12内核。内部含有20位的算术逻辑单元ALU，具有指令队列，7种新的变址寻址方式，16位数据通道，64KB存储器寻址能力，4MB程序存储空间和1MB数据存储空间，支持后台调试模式，是世界上第一款包含完整的模糊逻辑指令

45、的MCU。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.7 HCS12和HCS12X系列单片机简介1.7.1 HCS12系列单片机概述【HCS12系列】简称S12系列。采用速度更快的CPU12内核，与HC12指令完全兼容。功能特点大部分与HC12相同，但在总线速度、时钟、存储器、接口等方面优于HC12系列。典型的HC12的总线速度为8MHz，典型的S12总线速度可以达到25MHz，有的高达33MHz。总线速度CPU执行一条基本指令的速度。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.7 HCS12和HCS12X系列单片机简介1.7.1 HCS12系列单片机概述【HCS12系

46、列】S12采用Motorola的第三代快速闪烁存储器，容量32512KB，具有快速编程能力，灵活的保护与安全机制，擦除和写入无需外加高电压，最短整片擦除时间仅100ms，512B页擦除时间仅20ms。S12的RAM和EEPROM容量总体上高于HC12系列，RAM为214KB，EEPROM为14KB，而HC12系列则分别为18KB和12KB。增加了功能模块的数量。在串行接口方面，S12最多可支持5个CAN总线接口，1个J1850接口，1个I2C接口，2个SCI接口，3个SPI接口，1个USB接口。S12时钟发生器模块内设PLL，内部时钟可软件调节。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统

47、简介1.7.1 HCS12系列单片机概述【HCS12系列】基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介HCS12系列单片机的命名规则 表示质量认定状态。MC表示完全合格产品，XC表示初始产品，PC表示预测试产品。 表示存储器类型。无表示片内带ROM或者片内没有程序存储器，7表示片内带EPROM或一次可编程ROM（OTP ROM），8表示片内带EEPROM，9表示片内带Flash存储器。 表示内核类型。S12表示16位单片机，S08表示8位单片机。 表示系列。DG表示为D系列产品。 表示存储空间大小及版本。128表示128 KB的Flash存储空间，B为Flash版本。 表示工作温度范围

48、。无表示工作温度范围是0+70，C表示工作温度范围是-40+85，V表示工作温度范围是-40+105，M表示工作温度范围是-40+125。 表示封装形式。FU表示80引脚QFP封装，PV表示112引脚LQFP封装。 表示无铅标志。E表示芯片生产过程无铅。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.7 HCS12和HCS12X系列单片机简介1.7.2 HCS12X系列单片机概述【HCS12X】HCS12系列的增强型产品，基于S12 CPU内核，可以达到25MHz的HCS12的25倍的性能。S12X系列增加了172条指令，可以执行32位运算，总线频率最高可达40MHz，改进了中断处理能

49、力。 S12X系列单片机集成了中断控制器，有7个中断优先级，支持优先级的调度，最多可以有117个中断源。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.7.2 HCS12X系列单片机概述1.7.2.1 HCS12X系列单片机主要特点增加了一个并行处理的外围协处理器XGATE是一个独立于主处理器（CPU12）的可编程RISC内核。【集成XGATE的目的】减轻S12XD主处理器的负担，以增强系统的数据吞吐能力和应用功能设计的灵活性。【XGATE的使用】作为一个高效的DMA（direct memory access）控制器。能够自主地实现外设与RAM之间的高速数据传输，并且在数据传送过程中灵

50、活进行数据处理；作为一个单独的算法单元实现运算功能，如通信协议的实现；作为虚拟外设。例如，使用通用I/O口模拟串行通信口，或通过对简单外设的软件包装，实现强大的个性化外设功能等。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介S12X系列单片机与S12系列单片机的主要区别基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.7 HCS12和HCS12X系列单片机简介1.7.2 HCS12X系列单片机概述1.7.2.2 XGATE协处理器与主处理器的关系 中断控制器硬件产生的中断可以选择由XGATE或S12XD主处理器来处理。XGATE对于任何中断的处理都会减轻主处理器的中断负荷，并且XG

51、ATE完全有能力响应整个中断。如果同时产生2个中断请求，则根据中断优先级的高低确定需要服务的中断源。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.7 HCS12和HCS12X系列单片机简介1.7.2 HCS12X系列单片机概述1.7.2.3 XGATE的基本特性XGATE协处理器结构XGATE与主处理器之间可相互中断，以便同步。XGATE利用特殊指令SIF，向主处理器提交中断。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介（）精简指令集内核 XGATE是一个16位的精简指令集内核，拥有8个16位通用寄存器R0R7，1个程序计数器PC，1个4位的条件码寄存器CCR。其中R0恒为0

52、，可用于对变量的快速清零或置位。R1和R7有额外用途：XGATE 响应中断时，硬件自动将中断向量表中对应通道的1个16位字装载到R1（通常用作数据指针），将栈指针装载到R7。 XGATE编程模式 1.7 HCS12和HCS12X系列单片机简介1.7.2 HCS12X系列单片机概述1.7.2.3 XGATE的基本特性基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.7 HCS12和HCS12X系列单片机简介1.7.2 HCS12X系列单片机概述1.7.2.3 XGATE的基本特性（2）XGATE指令集XGATE共有72条独立的指令，指令时钟最高可达100MHz。XGATE的时钟速度总是主处

53、理器总线速度的2倍。XGATE的大部分指令是对通用寄存器的操作，为单周期指令。访问存储器的指令为双周期指令。跳转指令视条件而定，可能为1或2个周期指令。XGATE一些特殊的比特(bit)提取与插入单周期指令，特别适用于串行通信协议。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介XGATE全局地址映射图 1.7.2 HCS12X系列单片机概述1.7.2.3 XGATE的基本特性（3）XGATE访问空间S12X的全局存储空间共有8MB，XGATE可以访问其中片内的64KB空间。64KB空间包括2KB的片上外设寄存器，30KB的片上闪存和最大32KB的片内RAM。【注意】XGATE不能访问EEPROM空间或片外资源。XGATE的访问空间完全限制在主处理器内部访问空间范围内。地址仲裁的规则是：主处理器的优先级高于XGATE。基于HCS12的嵌入式系统设计第1章 嵌入式系统简介1.7 HCS12和HCS12X系列单片机简介1.7.2 HCS12X系列单片机概述1.7.2.3 XGATE的基本特性（4）XGATE事件驱动线程 XGATE的代码执行由事件驱动